第一次寫博客，記錄一下自己做的一個小實驗，不喜勿噴！文中若有不正確的地方，歡迎大家指正！
1 緒論
1.1 設計任務與要求
使用分立元器件設計一個頻率可調（100-10KHz）產生正弦波、方波、三角波的電路。
1.2 主要內容
本文主要描述了波形信號發生器的設計，詳細的介紹了基於運算放大器LM324波形信號發生電路的搭建，能夠實現輸出頻率在100Hz-10KHz可調的正弦波、方波、三角波。本設計以LM324為核心芯片，由RC橋式振盪電路產生正弦波，再經由過零比較器產生方波，最后經過積分電路產生三角波。該系統為純硬件設計，沒有軟件設計部分。
2 系統設計方案的論證與選擇
2.1 系統設計方案的論證與選擇
方案一：采用555定時器多諧振盪電路產生方波，然后經過一個積分電路將方波轉化為三角波，再經過一個低通濾波電路來實現三角波到正弦波的變換。由555定時器產生的信號比較微弱，輸出電壓在毫伏級，在觀察輸出波形時，可能會因為外界干擾信號的存在而使得輸出信號波形不易被觀察識別出，信號受干擾大。
方案二：使用傳統的鎖相頻率合成方法。通過芯片IC145152，壓控振盪器搭接的鎖相環電路輸出穩定性極好的正弦波，再利用過零比較器轉換成方波，積分電路轉換成三角波。此方案，電路復雜，干擾因素多，不易實現。
方案三：采用集成運放LM324搭建RC文氏電橋振盪器產生正弦波，正弦波的頻率、幅度均可調。將產生的正弦波經過過零比較器實現方波的輸出，再經過一個積分電路實現方波到三角波的轉換。該方案電路簡單，在集成運放的作用下，可以較容易測得所需的波形，通過參數調節可以得到穩定的波形。
通過上述三種方案的論述，方案三的設計電路結構簡單，可以輸出穩定的頻率可調的正弦波、方波、三角波。所以，在本次設計中，我采用方案三。
2.2 系統整體設計架構
本系統由正弦波產生電路、方波產生電路和三角波產生電路三個電路組成，三個電路環環相扣。在本次設計中，以LM324作為核心芯片，采用RC橋式正弦波振盪電器做為第一級產生正弦波，產生的正弦波經過第二級電路即過零比較電路得到方波，方波經過第三級積分電路得到三角波。系統整體設計方案如圖1所示。
圖1 系統整體設計方案
3 系統硬件設計
3.1 正弦波電路設計
在本次設計中，采用RC橋式正弦波振盪器作為第一級產生正弦波。如圖2所示為RC橋式正弦波振盪電路圖。
圖2 RC橋式正弦波振盪器
3.1.1 電路分析
RC橋式正弦波振盪電路由三部分組成，即放大電路、選頻網絡和穩壓電路。RC橋式正弦波振盪電路的放大電路是由集成運放所組成的電壓串聯負反饋放大電路，具有輸入阻抗高和輸出阻抗低的特性，在電路中由R1、R3、R5構成放大電路。
滑動變阻器RV1、電容C1串聯諧振回路與滑動變阻器RV2、電容C2並聯諧振構成二者一起構成正反饋支路，同時兼作選頻網絡。通過調節串並諧振網絡中的電阻值便可以調節輸出頻率的范圍。
為了使振盪幅度穩定，通常在放大電路的反饋回路中加入非線性元件來自動調節負反饋放大電路的增益，從而維持輸出電壓幅度的穩定。本設計中利用兩個反向並聯二極管D1、D2正向電阻的非線性特性來實現穩幅。當輸出電壓的幅度較小時，電阻R3兩端的電壓低，二極管D1、D2截止，負反饋系數由R1、R3及R5決定；當輸出電壓的幅度增加到一定程度時，二極管D1、D2在正負半周期輪流工作，其動態電阻與R4並聯，使負反饋系數加大，電壓增益下降。輸出電壓的幅度越大，二極管的動態電阻越小，電壓增益也越小，輸出電壓的幅度保持基本穩定。D1、D2采用硅管（溫度穩定性好）IN4001，與電路特性匹配，能夠保證輸出波形正、負半周期對稱。R3並聯在兩個二極管間可以削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。
3.1.2 理論分析與計算
（1）電路振盪的建立
所謂建立振盪，就是要使電路自激，從而產生持續的振盪，將直流電源的能量變為交流信號輸出。對於RC振盪電路而言，產生振盪的條件是使其電路放大倍數大於3，即Av>3。為了維持振盪輸出，必須讓Av=3。
在該電路中，放大倍數計算公式為Av=1+ ，選定合適的參數，令R1=5.1K，R3=2.7K，R5=9.1K，代入公式可解得Av3.31>3。通過理論計算可以得知，電路中選用上述阻值的電阻可以使電路產生振盪。
（2）電路頻率的調節
電路的振盪頻率為f= ，由公式可以得知，電路的頻率可以通過調節滑動變阻器RV1、RV2來改變，當RV1、RV2兩者的阻值乘積越大，頻率f越小，頻率f和RV1、RV2阻值的乘積成反比。
在調頻網絡電路中，選用兩個電容值均為0.01uF的電容C1、C2，電阻值均為200K的滑動變阻器RV1、RV2。本設計要求產生輸出信號的頻率范圍在100-10K，則利用公式f= 可以反推得到電阻值計算公式即R= （說明：C1=C2，RV1=RV2，此處用R來代表RV1、RV2的阻值大小）。理論計算可以得到，當f=100Hz時，R=159KΩ；當f=10KHz時，R=1.6KΩ。
3.1.3 Proteus仿真-正弦波
根據上述的分析，在Proteus軟件上進行電路圖的繪制以及仿真，仿真得到如圖3所示的正弦波。
圖3 正弦波仿真波形
3.2 方波電路設計
本設計中采用過零比較器實現方波的輸出，即將第一級產生的正弦波經過過零比較器便可得到方波。電路圖如圖4所示。
圖4 方波產生電路圖
3.2.1 電路分析
過零比較器是一種用來比較輸入信號VI和參考電壓VREF=0的電路。當輸入信號電壓VI小於參考電壓0V時，運放處於負飽和狀態，VO=VOL；當輸入信號電壓VI升高到略大於參考電壓0V時，運放立即轉入正飽和狀態，VO=VOH。由此，便可將第一級產生的正弦波信號經過過零比較器得到方波。運用集成運放LM324構成的過零比較器，為了避免內部管子進入深度飽和區，在信號輸出端加入了限幅電路，由兩個穩壓二極管串聯組成，來提高響應速度。本電路中采用1N758A穩壓管進行限幅，將幅度限制在±10.7V以內。
3.2.2 Proteus仿真-方波
根據上述理論分析，在Proteus中進行電路仿真，得到如圖5所示的方波波形。
圖5 方波仿真波形
3.3 三角波電路設計
由前級電路所得到的方波經過一個積分電路便可以得到三角波。電路如圖6所示。
圖6 三角波產生電路
3.3.1 電路分析
由R4、C3組成積分電路，方波從運放的反向輸入端輸入，而輸出電壓又經過電容C3反饋到反向輸入端。通過對電容C3的充、放電實現狀態的轉換，以實現方波向三角波的轉換，從而實現三角波的生成。
3.3.2 Proteus仿真-三角波
由上述理論分析繪制電路圖，在Proteus中仿真得到如圖7所示的三角波波形圖。
圖7 三角波仿真波形
3.4 電路整合
前面已經將正弦波、方波、三角波三個分立的電路以搭建完成，現將這三個電路級聯成為一個電路即構成了本次設計的系統。將前一級的輸出信號接在下一級輸入信號處即可完成整個系統的構建。本次設計在各級電路級聯中並沒有產生其他的問題，所以可以直接連接，不需要在外接一些電路，較為方便，整個系統的電路圖見圖8。
圖8 波形信號發生器電路圖
4 電路調試
4.1 正弦波
不斷的調節兩個滑動變阻器，讓波形不失真，觀察正弦波輸出波形。本次調試中選取了四個頻率的輸出不失真波形。如圖9為輸出頻率為100Hz的正弦波，圖10為輸出頻率為10KHz的正弦波，圖11為輸出頻率50Hz左右的正弦波，圖12為輸出頻率800Hz左右的正弦波。
圖9 100Hz-正弦波
圖10 10KHz-正弦波
圖11 58Hz-正弦波
圖12 818Hz-正弦波
4.2 方波
在調試過程中，可以輸出100Hz不失真良好的方波，當將頻率增大到10KHz觀察輸出的方波波形時發現其存在嚴重的失真現象。此處，我采集了輸出頻率為100Hz、976Hz、2.6KHz三個頻率的方波波形。分別如圖13、14、15。
圖13 100HZ-方波
圖14 967Hz-方波
圖15 2.6KHz-方波
4.3 三角波
三角波調試過程中，需要兩個滑動變阻器相互配合調節，否則會出現波形失真現象。如圖16即為三角波失真波形。調節輸出頻率為100Hz左右時的三角波波形良好，隨着頻率的增大，三角波也逐漸出現失真現象。當調節頻率達到10KHz時，三角波失真變成了正弦波，此時輸出已不再是三角波。本次采集了頻率為170Hz左右的三角波，如圖17所示。
圖16 三角波失真波形
圖17 170Hz-三角波
5 總結
本設計經過實物焊接與調試，可以實現頻率在100Hz-10KHz可調的正弦波、方波、三角波的輸出，並且輸出波形良好，無太大的失真現象。
本次設計主要是以運算放大器LM324為核心，設計了三級電路，分別是RC橋式振盪電路、過零比較電路、積分電路，其每一級對應輸出相應的波形，即正弦波、方波、三角波。通過本次波形發生器的電路設計，我加深了對以上三個電路的了解。RC橋式振盪電路由放大電路、選頻網絡和穩壓電路，明白了電路中相關電阻、電容對輸出頻率以及輸出幅度的影響，透徹的了解了穩壓電路在電路中的重要性。過零比較電路結構簡單，原理簡單易懂，非常實用於設計中。在積分電路中，我充分的了解到了電容充放電的相關機理，由於電容充放電，使方波信號經由積分電路可以得到三角波的輸出。
本次設計焊接兩次，第一次焊接線路比較亂，接線有問題致使第一次焊接沒有成功。第二次將前一次焊接的線路全部拆除再次焊接，可以實現波形的輸出。
最后附上焊接實物圖
