波形發(fā)生器電路設(shè)計方案

1、設(shè)計思路（示例）

波形信號發(fā)生器，正弦波、三角波、方波、矩形波等這幾種較為常見信號的發(fā)生裝置。該發(fā)生器通過將滯回電壓比較器的輸出信號通過RC電路反饋到輸入端，即可組成矩形波信號發(fā)生器。然后經(jīng)過積分電路產(chǎn)生三角波，三角波通過低通濾波電路來實現(xiàn)正弦波的輸出。其優(yōu)點是制作成本低，電路簡單，使用方便，頻率和幅值可調(diào)，具有實際的應(yīng)用價值。

波形信號發(fā)生器，能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形(正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等)信號，頻率范圍可從幾個微Hz到幾十兆Hz函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。

運算放大器：簡稱“運放”,是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。實際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運算的結(jié)果。運放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。

積分電路（積分器）：使輸出信號與輸入信號的時間積分值成比例的電路。最簡單的積分電路由一個電阻R和一個電容C構(gòu)成。若時間常數(shù)RC足夠大，外加電壓時，電容C上的電壓只能慢慢上升。在t<

濾波電路：盡可能減小脈動的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。

2、設(shè)計方案

1.由滯回比較器和積分器構(gòu)成方波三角波產(chǎn)生電路。

2.然后通過低通濾波把三角波轉(zhuǎn)換成正弦波信號。

把滯回比較器和積分比較器首尾相接形成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)，就構(gòu)成三角波發(fā) 生器和方波發(fā)生器。比較器輸出的方波經(jīng)積分器可得到三角波、三角波又觸發(fā)比較器自動翻轉(zhuǎn)形成方波，這樣即可構(gòu)成三角波-方波發(fā)生器。通過低通濾波把三角波轉(zhuǎn)換成正弦波是在三角波電壓為固定頻率或頻率變化范圍很小的情況下使用。

2.1 方波-三角波發(fā)生電路原理

該電路由滯回比較器和積分器組成，如下圖所示：

電路由集成運放與R1、R2及一個滯回比較器和一個充放電回路組成。穩(wěn)壓管和 R3 的作用是鉗位，將滯回比較器的輸出電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值。滯回比較器的輸出只有兩種可能狀態(tài)：高電平或低電平。滯回比較器的兩種不同的輸出電平使RC電路進(jìn)行充電或放電，于是電容上的電壓將升高或降低，而電容上的電壓又作為滯回比較器的輸入電壓，控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變，從而使 RC 電路由充電過程變?yōu)榉烹娺^程或相反。如此循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始，最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個高低電平周期性交替的矩形波即方波 。

滯回比較器輸出的方波經(jīng)積分器可得到三角波、三角波又觸發(fā)比較器自動翻轉(zhuǎn)形成方波，便構(gòu)成了方波-三角波發(fā)生器。

2.2 濾波電路的選擇

濾波電路分為有源濾波與無源濾波，也可分RC濾波電路、LC濾波電路等。

2.2.1 RC濾波與LC濾波

1, RC濾波器相對于LC濾波器來說，更容易小型化或者集成，LC相對體積就大多了；

2, RC用在低頻電路中,LC濾波器應(yīng)用的頻率范圍為1kHz～1.5GHz.一般用在高頻電路中，由于受限于其中電感的Q值，頻率響應(yīng)的截至區(qū)不夠陡峭。

3, RC濾波中的電阻要消耗一部分直流電壓，R不能取得很大，用在電流小要求不高的電路中。RC體積小，成本低，濾波效果不如LC電路；LC濾波主要優(yōu)點是高頻環(huán)境下濾波效果好，缺點是體積大、笨重、成本高。用在要求高的電源電路中。

2.2.2 無源濾波與有源濾波

無源濾波電路：若濾波電路僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成。由于電阻以及電感的阻抗存在，功耗在同等情況下還是比有源濾波器要高一些，而且電路的延遲要要大一些。如圖3.2.3-1，為簡單的RC無源濾波器。

有源濾波電路：若濾波電路不僅由無源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運放）組成。集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高,輸出電阻小,構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。有源濾波器的功耗相對而言會小很多，而且在通帶內(nèi)不會有衰減，而通過設(shè)定濾波器的Q值，可以改變放大倍數(shù)。如下圖，為簡單的一階RC有源濾波器：

RC濾波器一般常與運算放大器組合使用，構(gòu)成有源濾波器，多作為低頻信號的濾波。

2.2.3 濾波階數(shù)的選擇

濾波級數(shù)越多效果也好，但是帶來的是損耗和成本越高，所以不建議超過3級；

綜合以上所述并權(quán)衡各個因素，鑒于本設(shè)計只需要將高于某頻率的諧波濾去，因而選擇低通濾波電路，在多次仿真實驗之后，決定選擇三階RC壓控電壓源有源低通濾波器，且電阻的值應(yīng)盡量減小，以減少直流電壓的損耗。采用三階低通濾波的正弦波發(fā)生電路圖，如下圖：

2.3 主要元件的選擇

①選擇集成運算放大器：

其一，方波前后沿與用作開關(guān)的器件 U1A 的轉(zhuǎn)換速率 SR 有關(guān)，因此當(dāng)輸出方波的重復(fù)頻率較高時，集成運算放大器 A1 應(yīng)選用高速運算放大器。集成運算放大器 U2B 的選擇：積分運算電路的積分誤差除了與積分電容的質(zhì)量有關(guān)外，主要是集成放大器參數(shù)非理想所致。

其二，為減小積分誤差，應(yīng)選用輸入失調(diào)參數(shù)小、開環(huán)增益高、輸入電阻高，開環(huán)帶較寬的運算放大器。反相比例運算放大器要求放大不失真。因而選擇信噪比低，轉(zhuǎn)換速率 SR 高的運算放大器。經(jīng)過芯片資料的查詢，TL082 雙運算放大轉(zhuǎn)換速率 SR=14V/us。符合各項指標(biāo)要求。

②選擇穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管Dz的作用是限制和確定方波的幅度，因此要根據(jù)設(shè)計所要求的方波幅度來選穩(wěn)壓管電壓Dz。為輸出對稱的方波，通常應(yīng)選用高精度的雙向穩(wěn)壓管。

③電阻為 1/4W的金屬薄膜電阻，電位器為精密電位器。④電容為普通瓷片電容與電解電容。

2.4 電路設(shè)計及仿真

波形發(fā)生器電路設(shè)計總電路圖：

2.4.1 方波-三角波實現(xiàn)電路

2.4.2 正弦波發(fā)生電路

2.4.3 占空比可調(diào)電路

3、打板測試

在做好以上準(zhǔn)備后就可以畫PCD以及打板了（如果覺得麻煩也可以使用洞洞板直接連接元器件）。利用以上方案做出來的波形發(fā)生器，經(jīng)過試驗?zāi)軌蛘_顯示需要的波形。

4、元件清單

來源：CSDN博主咸魚睡不醒_

審核編輯：湯梓紅

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