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集成运算放大器的应用实验报告


集成运算放大器的应用实验报告

【摘要】 : 本题目关于放大器设计的基本目标:使用一片通用四运放芯片 LM324 组成预设的电路,电路包括三角波产生器、加法器、滤波器、比较器四个设计模 块, 每个模块均采用一个运放及一定数目的电容、 电阻搭建, 通过理论计算分析, 最终实现规定的电路要求。 【关键字】 :运算放大器 LM324、三角波信号发生器、加法器、滤波器、比较器

一、设计任务
使用一片通用四运放芯片LM324 组成电路框图见图1(a),实现下述功能: 使用低频信号源产生 , 的正弦波信号, 加至加法器的输入端,加法器的另一 输入端加入由自制振荡器产生的信号 uo1, uo1 如图 1(b)所示, T1=0.5ms, 允许 T1 有±5%的误差。

(a)

(b) 图中要求加法器的输出电压ui2=10ui1+uo1。 ui2 经选频滤波器滤除uo1 频率分 量,选出f0 信号为uo2,uo2 为峰峰值等于9V 的正弦信号,用示波器观察无明 显失真。 uo2 信号再经比较器后在1kΩ 负载上得到峰峰值为2V 的输出电压uo3。 电源只能选用+12V 和+5V 两种单电源,由稳压电源供给。不得使用额外电源和 其它型号运算放大器。 要求预留 ui1、ui2、uo1、uo2 和 uo3 的测试端子。

二、设计方案
1、 三角波发生器 由于用方波发生器产生方波, 再经过积分电路电路产生三角波需要运用两个运算 放大器,而 LM324 只有四个运算放大器,每个电路运用一个,所以只能用一个运 算放大器产生三角波。 同时由于器件不提供稳压二极管,所以电阻电容的参数必 须设计合理,用直流电压源代替稳压管。对方波放生电路进行分析发现,如果将 输出端改接运放的负输入端,出来的波形近似为三角波。电路仿真如下图所示:

2、 加法器 由于加法器输出 ui 2 ? 10ui1 ? uo1 , 根据 《模拟电子技术》 书上内容采用求和电路, 电路如下所示:

3、 滤波器 由于正弦波信号 ui1 的频率为 500Hz,三角波 uo1 的频率为 2KHz,滤波器需要滤除

uo1 ,所以采用二阶的有源低通滤波器。电路仿真如下图:

4、 比较器 由于单门限电压比较器的抗干扰能力差,所以采用迟滞比较器,电路仿真如图所 示:

三、电路设计及理论分析: 1、 总电路图:

2、 三角波发生器: 根据 RC 充放电过渡过程的分析,电容电压编号应符合下面公式

U C ? U C (?) ? [U C (0) ? U C (?)]

e

-

?t

?

式中 UC(0)初始电压; 充电终了电压; 充电时间常数。 解方程式可得
T ? 2 R3C ? ln(1 ? 2 R1 ) R2

所以该电路振荡周期有 ,C 和 决定,改变这些元件参数可以调节方波的周期。 由要求可知,电路的输出波形应为三角波,峰值为 2V,振荡周期为 0.5ms。 电路振荡周期为
T ? 2 R 3 C ln(1 ? 2 R1 ) R2

3、 加法器: 加法器输入输出满足 。根据“虚短”和“虚断”的原则,节点的电流方程为 , 所以输出的表达式为
uo ? ? R f ( ui1 ui 2 ? ) R1 R2

正弦波和三角波经过加法器后的理论波形如图所示:

另外,本实验采用单电源供电,故用电阻分压:

4、 滤波器: 需要滤除高频率的三角波, 得到低频率的正弦波,设计的低通滤波器的截止频率 1 f0 ? 。 2?RC 经过计算,电路仿真图中的阻值和容值为最佳匹配。 仿真结果如下:

5、 电压比较器: 当集成运放的输出为+UOM 时,通过正反馈支路加到同相输入端的电压为:

R1 U OM R1 ? R2
则同相输入端的合成电压为:

U? ?

R1 R2 U OM ? U REF = UH(上门限电压) R1 ? R2 R1 ? R2

(7)

当 ui 由小到大,达到或大于上门限电压 UH 的时刻,输出电压 uo 才从+UOM 跃变到UOM,并保持不变。此时,通过正反馈支路加到同相输入端的电压为:

?

R1 U OM R1 ? R2

此时同相输入端的合成电压为:

U? ? ?

R1 R2 U OM ? U REF = UL(下门限电压) R1 ? R2 R1 ? R2

理论波形如图所示:

四、总结
此次实验过程中,主要遇到了以下几个问题,通过此次实验学习中,受益匪浅。 此次实验难点在于题目中只许用+12v 和+5v,只能进行单电源给 LM324 供电,而 非双电源,所以采用分压电路方式,将双电源供电改为单电源供电。 开始进行三角波信号发生器电路选择时,原始方案选择电容充放电产生三角波, 但电容充放电时间难以控制,产生三角波达不到题目中要求,故改变方案。改变 后的方案,连接完电路后,没有输出,仔细检查发现线路连接有错误,重新连接 完,三角波产生,连接线路要仔细。 进行加法器电路选择时,我们在输入前和输出后都加上电容,滤掉交流部分,这 样可以减少其他干扰,使电路更加完善。实验中示波器中显示如下,其中黄色显 示是三角波输出,蓝色显示是加法器中三角波和正弦波的加输出:

在进行滤波电路选择时, 由于开始选择的电容电阻不恰当, 将三角波没有滤干净, 使电路所含三角波部分太多, 进行多次改变阻值,考虑理论与连接电路之间的差 距,在仿真中反馈电阻采用 78k 欧姆电阻,但在实际连接电路时,反馈电阻采用 78k 欧姆和 24k 欧姆电阻串联,才可产生振幅为 9V 的正弦波,将仿真中 78k 欧 姆电阻换成 102k 欧姆电阻时,仿真出现如图问题:

此问题即为仿真与实际之间的差距导致。最后将滤波电路连接完成。实验中示波 器中显示如下, 其中黄色为滤波后的输出,蓝色是比较器中三角波河滤完波后的 正弦波输出。


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