复合信号发生器的设计
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信号发生器是电子技术中一种非常典型的应用电路。本
文以双通道运算放大器READ2302G和双D触发器HD74LS74
为主要器件，设计了一种复合信号发生器，能够产生频率和
幅值可调的方波、三角波和正弦波。系统电路在Multisim 14
环境下进行了仿真分析，并采用Altium Designer16完成了电
路PCB设计，电路板经过调试能够实现既定功能。
信号发生器又称为信号源或振荡器，即能产生测试信号
的仪器或者电路。随着电子技术的发展，信号发生器在生产
生活和技术研究领域有着越来越广泛的应用。如电子专业实
践教学、工业自动控制、医学研究、家用电子产品等领域，
往往都要用到信号发生器。
信号发生器的设计通常基于微控制器和集成运算放大
器两种。本设计基于集成运算放大器，选用了双通道集成运
算放大器READ2302G和双D触发器芯片HD74LS74为主要器
件，综合运用了振荡电路、运算电路、分频电路、滤波电路
基本原理，合理设置了信号频率和幅度调节点，具有一定的
典型性。本设计通过电路仿真分析、PCB设计、制板调试等
环节，最终制作出可输出频率和幅度可调的方波、三角波和
正弦波的电路板。
1 电路设计方案1.1 整体方案
本设计主要采用双通道集成运放READ2302G和双D触发
器HD74LS74实现。总体设计框图如图1所示，第一模块利用READ2302G构成电压比较电路产生方波信号Vo1，第二模块
利用双D触发器HD74LS74对前面方波进行四分频产生信号Vo2，第三模块利用积分电路将四分频方波转换成三角波信号Vo3，第四模块利用同相加法电路将四分频方波和三角波进行
叠加输出信号Vo4，第五模块利用有源低通滤波电路将前面输
出的叠加波形转换成正弦波Vo5。
图1 复合信号发生器总体框图
1.2 芯片介绍READ2302G是Renesas公司推出的一款输入和输出全范
围的CMOS双路运算放大器，采用8-TSSOP封装，该芯片可
以实现高驱动能力，具有低功耗、低输入失调电压、低输入复
合
信
号
发
生
器
的
设
计东莞职业技术学院 熊丽萍偏置电流、宽输出电压范围和高压摆率
等优异性能。同样既能适合于单电源使
用，也适用于双电源的工作模式。HC74LS74是Renesas公司生产的一
款双上升沿D触发器，有DIP-16和SOP-16两种封装形式，本设计选用DIP-16的
封装形式，该芯片应用功能广泛，可用
作寄存器、振荡器、分频计数器等。其
时钟频率为33MHz，触发类型为上升沿
触发，电源电压为4.75V-5.25V，静态电
流为8mA。1.3 电路功能及性能指标
基于READ2302集成运放和HD74LS74
集成IC设计的复合信号发生器，可产生方
波、三角波、正弦波四种基本的波形，并
且信号的频率和幅值均可调节。各级输
出波形的指标如下：1)方波产生电路输
出信号波形：峰峰值Vo1pp=3V±5%，
频率f=20kHz±100Hz，波形无明显失
真；2)四分频电路输出信号波形：峰峰值Vo2pp=1V±5%，频率f=5kHz±100Hz，
波形无明显失真；3)三角波产生电路输
出信号波形：峰峰值Vo3pp=1V±5%，频
率f=5kHz±100Hz，波形无明显失真；4)同相加法电路输出信号波形：峰峰值
Vo4pp=2V±5%，频率f=5kHz±100Hz，
波形无明显失真；5)滤波器电路输出
波形：峰峰值Vo5pp=3V±5%，频率f=5kHz±100Hz，波形无明显失真。6)输
出信号可以调节频率、幅值、占空比等参
数：a)通过调节电位器可以改变方波、三
角波、正弦波的频率和幅值；b)通过调
节电位器可以改变方波的占空比；c)通
过调节电位器可以调整三角波和正弦波• 205
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的失真度；d)通过拨动拨码开关，可以选择频率范围。
2 电路原理及仿真分析
本系统各模块的电路均在Multisim14环境中进行仿真，Multisim是美国国
家仪器有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数
字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言
输入方式，具有丰富的仿真分析能力。由于仿真软件中没有READ2302G，择C2，输出频率可调范围为2.23 kHz-40.4 kHz；电路还设计
了占空比调节模块，通过调节电位器R6的值实现方波占空比
的调节；此外，电压峰峰值可以通过调节电位器R7的阻值进
行微调。图2（b）为电路仿真输出的峰峰值为3V、频率为19.9kHz的方波信号。
2.2 四分频电路原理及仿真分析
分频电路，指的是能够把一个输入信号变为原信号频率
通过查阅资料可知，LM358N与READ2302G
引脚结构及基本功能一致，只是工作特性略
有差异。因此，在软件仿真采用LM358N芯
片替代READ2302G，电路实物制作时仍采用READ2302G。通过硬件的搭建及调试，采用
READ2302G集成芯片输出的波形指标更优。
2.1 方波产生电路原理及仿真分析
方波电路含有丰富的谐波分量，因此也
被称为多谐振荡电路。方波电路通常是在迟
滞电压比较器的基础上，增加一条RC充放电回路组成，迟滞电压比较器
是属于一种正反馈放大器，因此，集成运放工作在非线性区，电路的输图3 四分频电路及仿真波形的1/4并输出的电路，它能在时钟每触发4个周期时，电路输
出1个周期信号。图3（a）所示为四分频电路，它采用了两个D触发器，在二分频电路的基础上，将相位
输出端1Q与时钟信号端2CLK相连，触发信
号端2D和反相位输出端2相连，最后由同相
位输出端2Q输出波形。同相位输出端2Q输
出电压峰峰值为5V，采用电阻分压法，通过
调节电位器R1来使得电压峰峰值到达1V。
图3（b）为四分频电路仿真输出的电压峰峰
值为1V，频率为5kHz的方波。2.3 三角波产生电路原理及仿真分析
三角波产生采用运算放大电路构成积分
电路，本设计经过调试和仿真，得到改进后
的三角波产生电路，如图4（a）所示，在反
馈电容上并联了一个电阻，并且其同相输入 图2 方波产生仿真电路及波形
出只有两个稳定的状态，即输出正的最大值+UOM或负的最大值-UOM。方波路的振荡
频率则取决于充、放电的RC时间常数。改
变RC的值就可以调节方波电路的频率。
本设计方波产生电路如图2（a）所示，
该电路由偏置电压电路、电压比较电路、
可调占空比电路和RC充放电回路组成的。
由图中偏置电压电路，可知单电源供电必
须接Vcc/2的偏置电压。拨动开关选电容C1或C2，可调节输出信号频率范围：选择C1，
其输出频率可调范围为9.15kHz-140kHz，选图4 三角波仿真电路及波形• 206
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端接上了Vcc/2偏置电压源。图4（b）所示为三角波电路仿真输出
的信号仿真波形，其电压峰峰值为1V，频率为5kHz。调节R5可改
变输出信号幅值，调节R1、R2可消除冲击尖峰和波形凸起失真。2.4 同相加法电路原理及仿真分析
图5所示为同相加法电路。该电路能将两种输入信号进行叠加输
出。当R1,R2,R3固定之后，可通过调R4的阻值来微调输出的峰峰值。经
过同相加法电路输出的峰峰值为20.2V，频率为5kHz的叠加波。
图5 同相加法电路
2.5 滤波电路的分析与调试
滤波器是一种选频电路，它允许一定频率范围的信号通过，阻
止或削弱其他频率范围的信号。本设计采用多路反馈型二阶有源低出的波形不理想。这时，可以从“频率”入手，根据电容可以通特
定频段的频率信号，阻碍其他频段的频率信号的特性，在模块之间
利用电容来减弱或消除干扰。最终得到如图所示的系统联调输出波
形如图7（a）所示，其中黄色为方波输出信号，蓝色为三角波输出
信号，紫红色为叠加波输出信号，绿色为正弦波输出信号。
图7 系统联调结果
完成系统电路仿真分析之后，本设计采用Altium Designer16
进行了原理图和PCB设计。Altium Designer是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，该软件把原理图设
图6 滤波仿真电路及波形
通滤波电路，如图6（a）所示，滤波电容C1、C2可以起到滤除高频
信号，通过低频信号的作用。
电路工作在线性区，根据集成运放在线性区的特性可列出节点1、节点2的电流关系，从而得出电路放大倍数为：
将R8变为可调的电位器，其他参数固定，那么通过调节R8可以微
调输出的峰峰值。图6（b）为滤波器电路输出的峰峰值为3V，频率为5kHz的正弦波信号，调节R10可以消除正弦波底部失真现象。
3 系统联调及PCB板调试
在系统仿真调试中，模块与模块之间往往会相互干扰，导致输计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自
动布线、信号完整性分析和设计输出等技术
进行融合，为设计者提供全面的设计解决方
案。本设计电路采用双面板布线，并将电路
划分为几个模块，对调节电位器进行了标
注，焊接完成的电路板如图7（b）所示，通
过电路制板和焊接调试，电路功能正常，与
仿真结果一致。
基金项目：东莞职业技术学院政校
行企项目“基于信号完整性和电磁兼容性的智能多媒体路由器
高速PCB设计”（课题编号：政201810）；东莞职业技术学院
教育教学成果培育项目“工程技术教育认证背景下基于成果导
向的专业课程改革研究与实践”阶段性研究成果（课题编号：CGPY201901）。
作者简介：熊丽萍（1983—），女，湖北襄阳人，讲师，硕
士，研究方向:电子技术、高等职业教育。
