手把手教你构建基于LM324的波形发生器，设计方案+设计步骤+原理
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今天给大家分享的是：基于LM324的波形发生器
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。
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二、什么是波形发生器
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
三、使用LM324构建波形发生器
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。
如下电阻 R1 与电容 C1 串联，电阻 R2 与电容 C2 并联组成的网络为 RC 串并联选频网络。选频网络也是一个正反馈电路，提供零相移，构成同相放大器。
如图所示：该电路图由放大和选频网络组成。
R3 和 R4 是深度负反馈以获得良好的输出波形。
若 R1 = R 2 = R，C 1 = C 2 = C
则选频网络的中心频率为 f0 = 1/( 2πRC )
电路工作在该频率时，反馈系数最大，为 | F | max= 1/3。
根据振荡条件，放大电路的电压增益至少应为3A | (R 4 + R 3 ) / R 4 |。
因此，为保证电路的振荡， 要求 R3 > 2R4 。
正弦波产生电路
在实际应用中，为了调节放大器的频率和输出，可以采用下图的电路，其中 R 3 ～R 5 与二极管D 1、D 2 组成负反馈网络和稳幅环节。调节 RV3 可以改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益以满足振荡的复制条件。
RC 振荡模拟电路
鉴于信号频率从 20Hz 到2 0kHz 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f 0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
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 24 kΩ 和 2.4 kΩ 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、C 3 /C 3 '/C 3 ''、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 C 3 组成的 RC 电路积分变换后产生的三角波trii / C 3 ' / C 3 "。C 3、C 3 '、C 3 "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。
电位器 RV4 可以调整输出信号的幅度。为了得到线性度好的三角波，采用电阻 R8 进行负反馈限幅，选择元件参数时，积分电路的时间常数τ=RC应大于方波信号周期的一半（方波的宽度）。
如果信号频率为 100 Hz，则方波的宽度为 0.005 s。如果 C = 1 μF，则 R > 5 kΩ。
四、电路仿真与测试
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SW 1、SW 2、SW3 应使用 3 组以上的三位开关。RV 1、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
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