运算放大器等芯片设计多路波形发生器

P.S. 这是老师为参加电子竞赛培训的同学准备的寒假任务

一、任务要求

设计一个多路波形发生器，同时输出脉冲波、锯齿波、正弦波等三路波形波形，要求有一定的带负载能力，负载电阻为600欧姆。
三路波形的频率为1kHz，输出电压幅度峰峰值为3-5V，其中正弦波幅度能调节。
输出信号频率误差不大于10%，脉冲波占空比为60%，误差不大于5%。
能用万用表直流挡对输出正弦波有效值进行测量，误差不大于5%。

二、事项说明

本题来源于2013年全国大学生电子设计竞赛综合测评题，请自行查阅资料；
三角波由NE555的2脚输出，但后面要用运放增强带负载能力；
一些需要电阻调节的地方，建议设计时可安放2个电阻位置，例如设计出的电阻值为17.2KΩ，则可用15KΩ和220Ω串联；

三、问题分析

任务的主要问题是信号的发生，老师对任务经行了一定的简化，暂时先不考虑如何将信号传给单片机经进行测量。

方波的发生最为容易。
利用NE555搭建一个多谐振荡器可以轻松地产生方波，60%占空比可以搭建一个占空比可调的多谐振荡器，或者直接通过计算实现。

公式如下
f r e q u e n c y = 1.44 ( R A + 2 R B ) C frequency = \frac{1.44}{(R_A+2R_B)C} frequency=(RA+2RB)C1.44
d u t y c y c l e = R b R A + 2 R B duty_cycle=\frac{R_b}{R_A+2R_B} dutycycle=RA+2RBRb

此时，2、6脚的波形可以近似地看作是锯齿波。

值得注意的是，根据芯片的内部原理图可知，2、6脚带载能力极差，因此需要用运放搭建一个跟随器，依次来满足电路的负载要求。

方波可以根据傅里叶级数展开成以下形式
f ( t ) = A m a x { a + 2 π [ s i n ( α π ) ⋅ c o s ( ω 1 t ) + 1 2 s i n ( 2 α π ) ⋅ c o s ( 2 ω 1 t ) + 1 2 s i n ( 3 α π ) ⋅ c o s ( 3 ω 1 t ) ⋯ ] } f(t)=A_{max} \{ a+\frac{2}{\pi}[ sin(\alpha\pi)\cdot cos(\omega_1t)+\frac{1}{2}sin(2\alpha\pi)\cdot cos(2\omega_1t)+\frac{1}{2}sin(3\alpha\pi)\cdot cos(3\omega_1t)\cdots ]\} f(t)=Amax{a+π2[sin(απ)⋅cos(ω1t)+21sin(2απ)⋅cos(2ω1t)+21sin(3απ)⋅cos(3ω1t)⋯]}
其中α是占空比，显然其中的 s i n ( α π ) ⋅ c o s ( ω 1 t ) sin(\alpha\pi)\cdot cos(\omega_1t) sin(απ)⋅cos(ω1t)的频率为1K，所以我们可以设计一个带通滤波器或者低通滤波器，对NE555产生的方波进行处理，从而获得一个频率为1K的正弦波。

四、仿真

根据以上分析，在NI Multisim 14.0搭建仿真进行模拟

结果如下

理论分析和仿真结果基本相符。

五、实物制作

使用AD19进行PCB的绘制

六、最终效果

最终效果还是不错的，只是图片太大传不上来。最终的效果是输出的正弦波可调节的幅度在200mV~10V之间，三角波的峰-峰值在5V左右。所有波的频率在1.08kHz附近，方波的占空比稳定在59.9%，算是比较圆满的完成任务了。

附件

下载多路波形发生器的原理图以及PCB