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基于运放LM324的综合实验

基于运放 LM324 的综合实验 【摘要】 本文介绍以集成运算放大器 LM324 为平台,将 LM324 的四个运放 分别设计成四个满足一定要求的单元电路,再将四个单元电路级连,满足设定的 技术指标。其设计、调试的过程可以加强学生对集成运算放大器应用的理解,提 高学生综合应用所学知识解决问题的能力。 【关键词】LM324;振荡器;加法器;滤波器;比较器 在电子、通信类专业的本科实验教学中,运算放大器的设计、调试是学生 应该掌握的基本技能。集成运算放大器 LM324 在实验教学中运用广泛。它的成 本低、增益高、内含四个运算放大器。电源电压范围宽,单电源 3~32V 或双电 源-16V~+16V,可以与输入的电平很好地兼容。运用 LM324 搭建的单元电路能 让学生很好地理解通用运算放大器的设计、调试。 2011 年全国大学生电子设计大赛的综合复测题,要求在几个小时内采用 一片 LM324 芯片搭建四个满足一定要求的运算放大器单元电路。四个电路分别 是振荡器、 加法器、 滤波器、 比较器, 并且要求将四个单元电路级连成一个系统, 其功能相当于一个小的模拟系统。 题目比较全面地考核了学生掌握集成运算放大 器的设计、调试的能力。在几个小时以内完成任务,需要扎实的基础知识和熟练 的动手能力。 本文结合教学实际,将 2011 年全国大学生电子设计大赛的综合复测题的 要求稍作修改,以作为 LM324 的综合实验。实验的功能框图如图 1,LM324 的 工作电压选定为± 5V。 LM324 综合实验系统要求及具体参数如下: 将函数信号发生器产生的: 的正弦波信号加至加法器的输入端, 加法器的另一输入端加入自制振荡器 产生的近似三角波信号 Uo1,Uo1 的周期 T=0.5ms,峰峰值 4V。加法器输出电 压为,Ui2 经过滤波器滤除 Uo1 的频率分量,选出频率为 fo、峰峰值等于 9V 的 正弦信号 Uo2, Uo2 信号再经过比较器在 1kΩ 负载得到峰峰值为 2V 的输出电压 Uo3。 下面分别从振荡器、加法器、滤波器、比较器四个方面说明系统的设计、 调试。 一、振荡器 振荡器电路如图 2 所示,输出 Uo 为方波,当时间常数 τ 取值比较合适时 Uo1 为近似三角波。 Uo1 的周期, 若取 R1=R2=4.7kΩ,C1=0.01μF,R3=22.756kΩ,则: =0.5ms,满足设计要求。 Uo1 的峰峰值近似等于稳压管的稳压值,考虑到稳压管的管压降,稳压二 极管的稳压值取 5V。 V1 是为了方便仿真增加的单脉冲信号源, 实际电路不需要 V1。 经过调试, R3 取值为 19kΩ,其它元件取值不变,Uo1 为近似三角波,振荡器的 PSPICE 仿 真波形见图 3。 二、加法器 加法器电路如图 4 所示,加法器输出电压: 其中: 。 加法器的电路比较简单,由于 Uo1 来自振荡器,选择合适的电阻很重要, 否则前级振荡器信号会衰减。R6 不能太小,太小不能仿真出正确的波形。R6 确 定后其它电阻随之确定。 加法器的 PSPICE 仿真波形见图 5。 三、滤波器 滤波器选用二阶巴特沃斯带通滤波器①,选择合适的增益和 Q 值关系到 滤波器的滤波效果。滤波器需要选通的信号是 10Ui1,10Ui1 峰峰值为 2V,滤波 器放大 4.5 倍后可得到峰峰值为 9V 的正弦波。 滤波器电路见图 6。此滤波器的 Q=8,增益为: 。 滤波器 PSPICE 仿真波形见图 7。 四、比较器 图 8 为比较器电路,比较器原理比较简单。设计时要考虑与前级的耦合, 适当选择电阻 R14、R15。R16 理论上取值为 4kΩ 时,1kΩ 负载分压得到峰峰值 为 2V 的输出电压 Uo3,实际仿真时峰峰值达不到 2V。将 R17 改为 3.6kΩ,负载 得到峰峰值为 2V 的输出电压。 比较器输出 PSPICE 仿真波形见图 9。 五、结语 LM324 综合实验并不难,可以分为三步: 第一步,根据各个单元电路的技术指标设计单元电路。 第二步,进行级连调试。电路级连时,有时信号会衰减,这时需要对电路 调整,可首先适当加大输入端电阻,再调整其它电阻。 第三步,虽然仿真正确,以后进行的硬件调试与仿真相比会有一些误差, 这时又要对电路进行调整。调整时从分析原理入手,结合经验,一级一级调,直 至基本满足技术指标为止。 总之,利用 LM324 的四个运算放大器组成四个不同的单元电路,再将四 个单元电路级连成一个完整的电路,是一个很好的综合实验项目。设计、调试的 过程不会一帆风顺, 会遇到一些问题, 解决问题的过程就是学生能力提高的过程。 对培养学生综合运用所学知识、 启发学生发散思维、 提高动手能力具有积极意义。 注释: ①二阶巴特沃斯带通滤波器设计方法见参考文献中“5.4.1 滤波器的快速设计 方法”. 参考文献 [1]罗杰,谢自美.电子线路设计.实验.测试(4 版)[M].电子工业出版社,2010,9. 张立民(1944—) ,湖北武汉人,硕士研究生,仰恩大学副教授。

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