基于LM324的信號發生器設計與仿真

摘要：針對學校教學實驗和業余制作測試等需要，以運算放大器LM324為核心器件，設計了一個能產生常用波形的簡易低頻信號發生器。經過計算分析確定了電路的相關參數，在Proteus中進行了仿真，并通過實驗測試獲得了20 Hz～20 kHz的所需波形。該信號發生器結構簡單、經濟實用，信號的頻率與幅度均可以調節，波形穩定、失真度小。
關鍵詞：信號發生器；設計與仿真；Proteus；LM324

信號發生器是指產生所需參數的電測試信號的儀器，電路形式可以采用由運放及分離元件構成，也可以采用單片集成函數發生器，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。目前廣泛使用的一些標準產品，雖然功能齊全、性能指標較高，但是價格較貴，而且有許多功能用不上。這里采用帶有差動輸入的四運算放大器LM324為核心器件，通過RC橋式振蕩電路產生正弦波，然后用過零比較器產生方波，再經過積分電路產生三角波。通過Proteus軟件仿真和模擬實驗獲得了20 Hz～20 kHz的理想的波形，信號的頻率和幅度都可以調節。

1 總體方案確定
波形產生和變換的方案很多，這里采用圖1所示正弦波→方波→三角波方案。其中正弦波采用RC橋氏振蕩電路產生，其特點是振幅和頻率穩定且調節方便，能夠產生頻率很低的正弦信號；然后用過零比較器產生方波，再經過RC積分電路產生三角波，三種信號的頻率相同。

該電路結構簡單，且能產生良好的正弦波和方波信號，但經過積分電路產生同步的三角波信號存在難度。原因是若積分電路的時間常數不變，隨著方波信號頻率的改變，輸出的三角波幅度同時改變。若要保持三角波的輸出幅度不變且線性良好，必須同時改變積分時間常數的大小。
信號的頻率由正弦振蕩電路的RC選頻網絡決定。由于頻率范圍跨度較大，選頻網絡采用三組不同容量的電容構成三個頻段，通過波段開關選擇，再由同軸電位器來調節振蕩頻率。三種波形可通過一個檔位開關選擇，再經過幅度的調節電位器獨立輸出，以達到選擇信號和調節幅度的目的。

2 單元電路的設計
2．1 正弦波產生電路
正弦波產生電路不僅要產生所需輸出的正弦信號，而且是后面電路的輸入信號。該部分電路采用典型的RC橋氏正弦波振蕩電路，如圖2所示，它由放大環節與選頻網絡兩部分組成。以運算放大器為核心構成放大環節，由電阻R1與電容C1串聯、電阻R2與電容C2并聯所組成的網絡為RC串并聯選頻網絡。選頻網絡同時為正反饋電路，提供零相移并構成同相放大器，R3，R4為深度負反饋，以獲得良好的輸出波形。若R1=R2=R，C1=C2=C，則選頻網絡的中心頻率為fo=1／(2πRC)。當電路工作于該頻率時，反饋系數最大且為|F|max=1／3，根據振蕩條件，放大電路的電壓增益至少應該為3A |(R4+R3)／R4|，因此為了保證電路起振，要求R3>2R4。