【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。

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

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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工程师实战：基于STM32 MCU的数字函数发生器

（本文摘自21ic论坛，作者：21ic网友 enderman1）

写在前面的话：

第一次参加论坛里的比赛，相对自己的能力进行一个检验，请大家多多关照~听说比赛截止时间是下月月底？本人决定慢慢来（虽然现在程序都写的差不多了），所以准备一天更新一次吧~（或许。。。）

本次设计采用硬件有

主控： STM32F410 主要原因是本人手头正好有个STM32F410 nucleo的官方板卡（自带ST_link）美滋滋~

示波器：蹭实验室的~

三极管若干：可能考虑到放大产生的信号

其它：....

思路：

使用stm32 DAC功能产生各种信号（0~3v）

先来一个板卡的靓图~~

关于这次设计我准备分为三大部分来实现：

第一部分：理论分析与方案构想

第二部分：基本功能实现与论证

第三部分：代码优化与功能扩展

额外部分：作品展示与总结+视频演示

【第一部分】

一、实现方案分析

1、大概分析：首先拿到这个题目，要求要用MCU产生各种波形（线性波形）。要了解一个道理：MCU现在采用的是stm32，它是一个离散（数字）的系统（类比计算机）,若要让他产生一个模拟信号，由于单片机拥有自身的工作频率，因此每次产生的信号理想状态都是冲击函数δ（t-τ）（序列）与想要产生的波形f(t-τ)的乘积，如图所示：(忽略垃圾字...)

在实际情况下相当于对t时刻进行平顶抽样之后产生的那个值（也可以看作一个很窄门函数平移的结果），如图：

而目的是产生一个线性的模拟信号，因此当取样周期τ趋近于无穷小的时候，才可以达到理想状态，当然对于单片机来说（对于一个离散的数字系统而言）是不可能的，因此要尽量减少产生信号的周期；当然就算再减少，在示波器也可以看到阶梯状的信号~如图：

放大--

2、难点分析：这个题目的难点个人认为是产生高斯噪声，主要原因是噪声是随机的，一个离散的系统（计算机，单片机等）无法产生一个真正的随机数，因为srand（）里放的种子一般是时间或是与时间相关的值，都是有规律可循的，因此很难产生一个真正的随机数。当然解决办法也是有的，我会在后面提到。但是我又审了一遍题突然又发现原来是周期高斯函数。。。。。。。波形是这样的：