信号产生与变换电路的设计
摘要：在工程技术研究中，经常需要对各种各样的电子信号进行变换和测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源是值得深入研究的课题。
信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。
可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。
信号产生与变换电路，能够给被测电路提供所需要的波形。
本设计采用以555定时器为主的数字电路作为信号的产生源。
由分立元件和模拟集成电路构成积分、滤波电路。
在选用电阻的过程中，使用可调电阻，可改变信号产生于变换电路的系统参数，实现对电路波形的调节，具有灵活的功能，提高了设计的应用价值。
关键字信号产生信号变换
1、设计思路与整体框图
在本信号产生与变换电路中，要求使用555定时器和LM324产生四种波形，其中，方波、三角波、正弦基波，如图1所示。
并要求能输出正弦三次谐波。
且幅值大于等于500mv 。
方波
三角波正弦波
图1 设计电路中的波形
根据题目要求，本次设计的基本完成思路是，首先由555定时器组成多谐振荡器产生方波，然后由LM324组成有源积分电路将方波转化为三角波，最后用二阶有源带通滤波电路将方波转化为正弦波，最后，将方波引入另一个由LM324组成的二阶有源带通滤波电路中，得到三次谐波。
如图2，为整体设计思路。
555定时器构成谐振电路
二阶有源带通滤波电路
有源积分电路
方波
三角波
正弦波
三次谐波
二阶有源带通滤波电路
图2 信号产生与变换电路的整体设计思路
在电路的搭建与其间的选择上，将遵循以上设计思路，进行设计。
2、硬件电路设计
2.1 方波发生电路的设计与计算
方波产生电路的核心部分是，由555定时器组成的多谐振荡电路如图3所示。
由于电路中的二极管1D 、2D 的单向导电性，使电容1C 的充放电回路分开，调节电位器3R 的值，就可调节多谐振荡器的占空比。
cc V 通过1R 和3R 的一部分记为12R 、1D 向电容1C 充电，充电时间为
1127.0C R t pH （2.1.1）
电容器1C 通过2D 、2R 和3R 的一部分记为22R 以及555中的三极管放电，放电时间为
1227.0C R t pH ≈ （2.1.2）
因而，振荡频率为
C
R R t t f pL pH )(43
.112212+≈
+=
（2.1.3） 电路输出波形的占空比为
%100(%)22
1212
⨯+=
R R R q （2.1.4）
A1
555_VIRTUAL
GND
DIS OUT
RST VCC THR CON
TRI VCC
5V
R110kΩ
R210kΩC10.01µF
C2
0.01µF R350kΩ
Key=A
50 %
D1
1N4149
D21N4149
R410Ω
XSC1
A
B
Ext Trig
+
+
_
_
+_
图3 555定时器组成的多谐振荡电路
为满足方波输出需求，需将占空比调至50%，取振荡频率为2KHz ，带入式（2.1.1—2.1.4）中，可以得出，12R 1C =22R 1C =410575.3-⨯S ，取12R =22R =35k Ω，
F 01.01u C =。
为使占空比可调，选用两个10k Ω的电阻与一个50k Ω的可调电阻串联。
即可实现占空比可调，振荡频率为2KHz 。
2.2 三角波发生电路的设计与计算
对方波进行有源积分即可实现输出三角波。
有源积分电路的电路图如图4所示，积分电路的工作原理如下：由于集成运放的反相输入端“虚地”与“虚断”，运放反相输入端的电流为零，则c r i i -=，故,可得积分电路输入电压和输出电压的关系。
该积分电路符合惯性环节的特征，令1R 与滑动变阻器6R 串联的等效电阻为61R 。
故可以得出传递函数为：
1
1)1()
()
(3561561
3535+-=+-=+
-==
Ts k s C R R R R s
C R s
C R s U s U G r c s （2.2.1）
其中，
61
5
R R k =
（2.2.2） 35C R T = （2.2.3）
U2A
LM324N 3
2
11
4
1
C30.1µF VCC
5V
R530kΩR650kΩKey=A
0 %
VEE
-5V
R1
10kΩ
图4 三角波发生电路
由于61R 可调，故可以改变放大倍数，实现对三角波的幅值可调。
其中，时间常数T 由积分电路输入信号的周期决定。
由于在积分的过程中，电压上升段与电压下降段的斜率是一样的，故可以输出三角波，而且幅值可调。
2.3 基波正弦波产生电路的设计与计算
三角波作为正弦波产生电路的输入信号。
将输入的三角波信号进行带通滤波，通过一个二阶有源带通滤波电路，如图5所示，将三角波转化为基波正弦波。
其中2R 与7C 组成低通网络，4C 与3R 组成高通网络，两者串联就组成了带通滤波电路，另一部分为同相比例放大电路。
C70.01µF
C40.01µF U3B
LM324N 5
6
11
4
7
R115kΩ
R212kΩ
R330kΩ
R41.5kΩ
R51kΩ
VEE
-5V
VCC
5V
图5 基波正弦波产生电路
为了计算的简便，设R R =1，R R 23=，则由KCL 方程可以算出带通滤波的传递函数为
()()
2
A 31A (s)A sCR sCR sCR
VF VF +-+=
（2.3.1） 式中VF A 为同向比例放大电路的电压增益，同样要求3A <VF ,电路才能稳定工作。
令
()⎪⎪
⎪
⎪⎭⎪
⎪⎪⎪
⎬⎫-==-=
VF 00A 311A 3A A Q RC w VF VF （2.3.2）
则 ()2
000
1A s A ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛++
=
w s Qw s
Qw s （2.3.3）
其中()RC w 10=，既是特征角频率，也是带通滤波电路的中心角频率。
令jw s =带入式（2.3.3），则有
()⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+=
+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∙=w w w w jQ Q w w
j w w w jw Q jw 000
0000
1A 11A A （2.3.4） 表明当0w w =时，图5所示的电路具有最大的电压增益。
则由三角波周期、频率
可以计算出所选电路各元器件的值。
2.4 三次正弦波产生电路的设计与计算
将方波作为输入信号。
利用二阶有源带通滤波电路产生三次正弦谐波。
电路图如图6所示。
C50.01µF
C60.01µF C80.1µF
U3C
LM324N 10
9
11
4
8
VEE
-5V
VCC
5V
R10.5kΩ
R215kΩ
R32.5kΩ
R45kΩ
R98kΩR1015kΩ
R52.5kΩ
图6 三次正弦谐波产生电路
其工作原理与图5基波正弦波产生电路相识，只需要更改中心角频率与截止频率即可计算出三次正弦谐波产生电路的各元器件的大小。
3、电路仿真结果分析
1、方波发生电路的multisim 仿真结果：
当图3中555定时器组成的多谐振荡电路的滑动变阻器3R 调至中间位置时，所得仿真波形如图7所示，
图7 方波发生电路的multisim仿真结果1
当图3中555定时器组成的多谐振荡电路的滑动变阻器
R调至其他位置时，所
3
得仿真波形如图8所示，
图7 方波发生电路的multisim仿真结果2
2、三角波发生电路的multisim仿真结果：
图8 三角波发生电路的multisim仿真结果1
3、基波正弦波产生电路的multisim仿真结果：
4、三次正弦谐波产生电路的multisim仿真结果：
图11 三次正弦谐波产生电路的multisim仿真结果
以上实验结果均达到预期要求。
其中，方波发生电路可以输出不同占空比的方波，三角波发生电路实现了对幅值的调节，基波正弦波产生电路与三次正弦谐波产生电路均符合要求的幅值与频率。
仿真结果正常。
4、电路实验结果分析
总体设计电路如图12 所示。
各单独设计电路通过电气连接，最终实现了功能设计的统一，整体仿真结果如图13所示，成功达到预期目的，效果良好。
图12 信号产生与变换电路整体图
图13 信号产生与变换电路所有波形输出。