【干货】电路设计：LM324构建函数发生器，原理+设计步骤，秒懂

今天给大家分享的是使用LM324构建函数发生器。

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一、什么是LM324？

LM324是一款低成本的四路运算放大器。由4个高增益放大器组成，4个运算放大器可由单一电压源供电。

LM324实物图

LM324有14个引脚，包括CDIP、PDIP、SOIC和TSSOP。

LM324引脚图及其详细信息如下所示：

LM324引脚图

以LM324设计的低频信号发生器具有电路简单、波形稳定、经济实用、使用方便等优点。经常用来生成正弦波、方波、三角波信号，并且可以调节信号的频率和幅度。

波形发生器是指产生具有所需参数的电测试信号的仪器。电路形式可以由运放和分立元件组成，也可以是单片机集成函数发生器。

波形发生器

主要是以LM324为核心器件，通过RC桥振荡电路产生正弦波，然后通过过零比较器产生方波，产生三角波通过函数集成电路。

1、如何生成和转换波形

波形生成和转换的方案有很多种，这里采用的是下图所示的：正弦波-方波-三角波。

正弦波由RC桥式振荡电路产生，具有幅值和频率稳定、调节方波的特点，可以产生频率很低的正弦信号，然后用过零比较器产生方波，再用RC积分电路产生三角波。

波形生成和转换

该电路结构简单，可以产生良好的正弦波和方波信号，但是很难通过集成电路产生同步的三角波信号，原因是如果积分电路的时间常数不变，则输出三角波输出幅度不变和良好的线性度，必须同时改变积分时间常数。

信号的频率由正弦振荡电路的RC选频网络决定。由于频率范围很大，选频网路采用三组不同容量的电阻组成三个频段，由波段开关选择，再由同轴电位器调节振荡频率。

通过档位开关可选择三种波形，然后通过幅度调节电位器独立输出，达到信号选择和幅度调节的目的。

2、正弦波产生电路

正弦波产生电路不仅要产生所需的正弦信号，还要产生后续电路的输入信号。这部分电路采用典型的RC桥式正弦波振荡电路。

如图所示：该电路图由放大和选频网络组成。

若R1=R2=R，C1=C2=C

则选频网络的中心频率为f0=1/(2πRC)

根据振荡条件，放大电路的电压增益至少应为3A|(R4+R3)/R4|。

因此，为保证电路的振荡，要求R32R4。

正弦波产生电路

RC振荡模拟电路

鉴于信号频率从20Hz到20kHz的跨度大，采用两组容量相差10倍的三个电容和两个同轴电位器进行调节。

选择不同的电容作为振荡频率f0的粗调，利用同轴电位器实现f0的微调。不同电容和振荡频率f0对应的电阻值如下所示：

振荡频率f0与电阻电容的对应关系

从上图可以看出，电容和电阻的每一种组合都可以调节一定范围的频率，并且这三个范围有交集，因此可以连续调节频率。如果要产生200Hz到2kHz的信号，可以将电容设置为33nF，然后调节RV1和RV2，使与R1和R2串联的电阻在24kΩ和2.4kΩ之间变化。

3、方波发生器

方波发生器比较简单，运算放大器LM324的反相输入端接地，同相输入连接到正弦波产生电路的输出，形成一个过零比较器，如下图所示。

方波发生器

当输入的正弦信号sin在正负半周之间变化时，输出为幅度固定、与正弦波同相的方波信号squ。

4、三角波发生电路

三角波发生电路采用如下所示的RC积分电路，由运算放大器U1：C、C3/C3'/C3''、R7和RV4组成。

三角波发生电路

方波信号squ通过R7和RV4连接到放大器的反相输入端，输出信号为R7、RV4和C3组成的RC电路积分变换后产生的三角波trii/C3'/C3"。C3、C3'、C3"由波段开关选择（该开关应与所选频率网络的波段开关同步），以改变电路在不同频段的积分时间常数。

如果信号频率为100Hz，则方波的宽度为0.005s。如果C=1μF，则R5kΩ。

将三部分电路按波形方案图所示的关系连接起来，再将各部分电路的输出连接到虚拟示波器上，然后开始仿真。

可以观察到下图的仿真波形。在仿真过程中，有几个问题需要注意：根据理论计算，当放大器增益大于3时，正弦波产生电路会开始振荡，但有时实际仿真过程中没有出现振动现象。

改变频段，必须同时改变三组电容C1/C1′/C1″，C2/2′/C2″，C3/C3′/C3″，否则不会出现振动或波形失真。

电位器RV1和RV2应调整到相同的阻值，调整RV3使输出正弦波幅度达到最大不失真状态，RV4可以调整输出三角波的幅度。

通过对该电路的实验测试，在示波器上可以观察到三种理想波形。需要注意的是：开关SW1、SW2、SW3应使用3组以上的三位开关。RV1、RV2采用同轴电位器调节。

输出信号可以同时并联输出，也可以通过选择开关通过电位器单独输出（使信号幅度可调）。另外，实际测试时无需扰动电源。

仿真波形图