多路信号发生器（74LS00和LM324）

（可能会更新完善…）

视频参考：

电子设计竞赛历年综合测评赛题分析-课程详情-全国大学生电子设计竞赛培训网
https://www.nuedc-training.com.cn/index/video/details/course_id/90

一、需求分析：

1、19K~21KHz频率方波Uo1；

2、正弦波Uo3。

3、余弦波Uo4。

4、占空比5%~15%的窄脉冲Uo2。

5、单片机测量正弦波Uo3的频率和幅度；

6、单片机测量窄脉冲Uo2的占空比。

二、主要元器件：

LM324一个；74LS00N一个

三、设计流程

四、工作原理

4.1完整原理图

注：（Multisim仿真好像问题比较多）

方波：对称型多谐振荡器；

脉冲：微分型单稳态触发器；

正弦波：四阶有源滤波器；

余弦波：积分电路。

4.2仿真环境

在线仿真：电子森林

https://www.eetree.cn/war/circuitjs.html?lang=zh

离线仿真：Multisim；

4.3方波发生器

对称型多谐振荡器

功能描述：

由两个TTL与非门构成多谐振荡器产生方波信号，方波的周期为T≈2.2RC，即要产生20KHz的方波，若C取22nf，则R取1K左右，采用2K的电位器的实现频率在19KHz-21KHz的调节。

原理分析：

利用电容器的充放电，当输入电压达到与非门的阈值电压VT时，门的输出状态即发生变化。由于电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同,即产生的脉冲宽度基本相同，故输出为对称的方波。

脉冲宽度tw1＝tw2≈0.7RC，T≈1.4RC

4.4正弦波发生器

功能描述：

第一个电位器对输入信号(方波)的电压进行分压，实现调节幅值的作用，电容起到隔绝直流分量作用，第二个电位器对信号增加直流偏置，将信号拉高。信号经过一个电压跟随实现稳压，经过四阶的（两个2阶的sallen-key结构组成）有源低通滤波器，滤除高频谐波得到正弦波。

原理分析：

方波可以扩展为由一个和其频率相同的正弦波和多个高频正弦谐波的总和，方波越理想，其高频谐波分量越多。通过低通滤波器，将高频谐波滤掉，只剩基波分量就能得到理想的正弦波。更高阶的滤波器能够使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果。

4.5余弦波发生器

功能描述：

正弦信号经过积分电路，电压增益为Uo/Ui=1/2πRC，波形发生90°的相移，形成余弦波

原理分析：

sin函数积分后为-cos函数，所以正弦波通过反相积分器后的输出余弦波形。反相积分器在S域的传递函数为Uo/Ui=-1/(SRC)=-1/（j2πfRC），令传递函数1/SRC=1（即等比例传输）可以求出RC的值。

传递函数可以理解为使用复数计算输出电压uo=ui/j2πfRC，其中R、C为积分电路的电阻、电容。f为频率（hz），“j”表示相移90度，输出仍为正弦波，往后面移动1/4周期。

积分电路的误差：

1.集成运放不是理想特性的。运放本身会输入失调电压和直流偏置，伴随输入一同被积分，使得Uo逐渐上升，时间愈长误差愈大。又有运放通频带不够宽，使得积分电路对快速变化的信号反应迟钝，使得输出波形出现滞后现象等。

2.积分电容的影响。电容存在泄露电阻，使得Uo的幅值逐渐下降。

4.6窄脉冲发生器

功能描述：

使用两个TTL与非门构成单稳态触发器，调节可调电阻阻值实现占空比的改变。（注：此电路与常见的单稳态触发器样式略有不同）

原理分析：

对于第一个R1C1微分电路，输入负脉冲Vi到来时，上升沿产生上调正向尖脉冲，其值高于正向阈值(2/3Vcc)，下降沿产生下跳负向尖脉冲，其值低于负向阀值（1/3Vcc）。

电路工作初期，一号与非门对电容C1进行充电，上脚为‘1’，下脚初始为‘0’，输出状态‘1’，对C2充电，又因为R2接地，C2进入快速充电放电的状态，使得二号与非门下脚在01间快速跳转，造成图中最前端的高电平不稳定状态。

电路稳定工作后，当遇到上升沿时，电容C1电压高于正向阈值，电容C1对右侧放电，但一号与非门的上脚一直为‘1’，对电路结果无影响；当遇到下降沿时，电容C1对左侧进行快速放电，当电压等于负向阈值时停止，使得一号与非门上脚状态快速为‘0’,输出快速转变为高电平（类似发送信号），对电容C2进行充电，使得二号与非门在较长时间内输出低电平，维持短时间内一号与非门输出高电平，实现窄脉冲。而在其他状态下，电路处于一号上脚长期为‘1’输出为低电平，二号输出长期为‘1’的稳定状态。

简而言之，电容C1、C2的充放电速度不同，控制了输出电平的时间区间tw，RC越小充放电越快，其中R1C1决定脉冲占空比最小的程度，R2C2决定占空比最大的程度。

4.7 实物电路总结

尽管参考视频中的实物电路结果良好，但本人焊接的电路结果虽然能够基本完成设计要求，但是并不足够理想，方波的占空比较好，但是波形尾部有一段突变下降，脉冲的产生波形出现圆顶现象且不稳定。正弦余弦波存在幅值偏小的问题。

相对于其他同学的电路结果，整体而言该方案的电路效果不佳（不排除元件特性和焊接工艺的影响）。

五、相关资源