基于LM324信号发生器报告

1、常熟理工学院电气与自动化工程学院课程设计说明书课程名称：电子技术课程设计设计题目：信号发生器班级:姓名：学号：指导老师：设计时间：2021-7-10电气与自动化工程学院课程设计评分表课程设计题目： _ 班级：学号:姓名：工程评分比例得分课程设计出勤10%课程设计态度20%课程设计报告40%课程设计辩论30%课程设计总成绩100指导老师：年 月 日目录一、课程设计任务书4二、主要元器件介绍52.1 LM324N 62.2电位器 72.3电容器72.4稳压管 8三、设计总体方案 93.1比拟器的特点与功能93.2积分运算电路的特点及其相关功能 113.3比例运算电路的特点及其相关功能123.4.

2、实验方案介绍143.5. 电路各组成局部的工作原理18四、电路调试总结及分析24五、总结收获体会27课程设计任务书一、设计目的根据常用的电子技术知识，以及可获得的技术书籍与电子文档，初步形成电子设计过程中收集、阅读及应用技术资料的能力；熟悉电子系统设计的一般流程；掌握分析电路原理、 工程计算及对主要技术性能进行测试的常见方法；最终，完成从设计图纸到实物搭建的整个过程，并调试作品。二、任务与要求1、熟悉信号发生器的组成和根本原理，了解单片集成信号发生器的功能特点；2、掌握信号波形参数的调节和测试方法的应用；3、电路能够产生正弦波、方波、锯齿波；4、掌握信号发生器的设计测试方法；5、工作电源为+5

3、+15V连续可调。参考方案：迫皿比拟器A电丘比转寤BIC融发器XPL图1、ICL8038原理框图参考原理：ICL8030内部由恒流源11、12、电压比拟器 A和B、触发器、缓冲器和三角波变正弦波变换电路组成。外接电容C经过两个恒流源进行充放电，电压比拟器A、B的参考电压分别为电源电压Ucc+Uce的2/3和1/3。恒流源的恒流源11、I2的大小可通过外接电阻调节，但必须12>|1。当触发器的输出为低电平时，恒流源12断开，11给电容充电，其两端电压 UC随时间上升，当 Uc上升到电源电压的 2/3时，电压比拟器 A的输出电压发生跳变，使触发 器输出由低电平变为高电平，恒流源|2接通，由于

4、 |2>|1设 |2=2|1，恒流源 |2加到 C 上反充电，相当于 C由一个净电流Ii放电，C两端电压Uc转为直线下降，当下降到电源电压 1/3 时，电压比拟器 B 的输出电压发生跳变，使触发器的输出由高电平变为原来的低电平， 恒流源I2断开，Ii对C充电，如此重复，产生振荡信号。假设通过调节外接电阻使得l2=2li，触发器的输出为方波，反向缓冲后由9脚输出；C上的电压Uc,上升与下降时间相等，为三角波，经电压跟随器由3脚输出；三角波经变换电路后由 2 脚输出正弦波。三、课程设计报告要求1.封面2目录3正文 1 课程设计任务书；2总体方案框图设计 3单元电路具体设计4计算器件参数值5选

5、择相关元器件6画出总体设计电路图7实际电路调试,对调试过程中出现的问题给出定性的分析,最终能实现预计的效 果。4课程设计中的收获和体会5参考文献模拟电子技术根底 -第五版 -闫石,数字电子技术 -第五版 康华光1、主要元器件介绍2.1 LM324N 四运放LM324M又称四运算放大器。LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频 率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源 工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括 传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场 合。LM324的封装形式为塑封14引线双列直插式。特

6、点： 内部频率补偿 直流电压增益高约100dB单位增益频带宽约1MHz 电源电压范围宽：单电源3 32V;双电源土 1.5 土 16V 低功耗电流，适合于电池供电低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 输出电压摆幅大0至VCC-1.5V内部电路图:14 13 12 11109812345672.2电位器电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。 电位器 通常由电阻体和可移动的电刷组成。 当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与 位移量成一定关系的电阻值或电压。电位器既可作三端元件使用也可作二端元件 使用。后者可视

7、作一可变电阻器。电位器实物图:2.3电容器电容器，通常简称其容纳电荷的本领为电容，用字母C表示。定义1:电容器，顾名思义，是装电的容器，是一种容纳电荷的器件。英文名称：capacitor 。 电容器是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于电路中的隔直通交， 耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制等方面。定义 2：电容器，任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体包括导线间都构成一个电容器。电容器实物图:2.4稳压管稳压二极管又叫齐纳二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管， 简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体 器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内或

8、者说在一定功率损耗范围 内，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路 之中。稳压二极管是根据击穿电压来分档的， 因为这种特性，稳压管主要被作为 稳压器或电压基准元件使用。二极管实物图：三、设计总体方案本次设计采用Im324集成运放实现简易函数波发生器功能。Lm324器件为带 有差动输入的四运算放大器。与但电源应用场合的标准运算放大器相比， 该四放 大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流大致为 mc1741 的静态电流的五分之一对于每个放大器而言。共模输入范围包括负电源，因 而取消了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。输出电压范围也包含负电源电压

9、。每个放大器都有内部电压稳压器提供偏置电压。 稳压器的温度系数低， 因此，每个放大器就有良好的温度特性以及优异的电源抑制。采用Im324来产生方波，三角波，矩形波，锯齿波来实现简易函数波发生器 功能的方案有多种，如先产生方波，然后通过积分电路将方波变换成三角波， 再 由比例运算电路三角波变成锯齿波；也可以先产生三角波一方波，再将三角波变 成矩形波或将方波变成锯齿波。本设计介绍产生方波一三角波一矩形波一锯齿波 的电路设计方法。其电路组成框图如图 1所示：具体实验中可有几种不同方案， 我将所有方案归结为两类：有反应和没有反应。由于反应各方案思路大致相同， 现取一种方案来代表反应方案并将其分为第一类

10、方案，没有反应的即为此次设计 方案，为第二类方案。3.1比拟器的特点与相关功能:电压比拟器是对输入信号进行鉴幅与比拟的电路， 是组成非正弦波发生电路 的根本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。一般分为单限比拟器， 滞回比拟器，窗口比拟器。其中滞回比拟器具有滞回特性，即具有惯性，因而具 有一定的抗干扰能力。从反相输入端输入的滞回比拟器电路如图示，滞回 滞回比拟器电路引入了正反应。从集成运放输出端的限幅电路可以看出，U。 Uz。集成运放反相输入端电位Un Ui，同相输入端电位Ri令Un Up ,求出的U就是阈值电压，因此得出Ut滞回比拟器及其电压传输特性(b)电压传输特性z，增大Ui，直至

11、Ut，:Uz，减小u I，直至(a)电路假设 Ui V Ut，贝U Un V Up , U。= +Uz。此时 Up = U再增大，U0才从Uz跃变为Uz。假设 Ui > + Ut，贝U Un > Up , Uo = Uz。Uo 此时 Up 二 Ut，再减小，Uo才从Uz跃变为+Uz从电压传输特性曲线上可以看出，当 -UtVv+Ut时，Uo可能是，+Uz也 可能是-U z。如果U i是从小于一U t的值逐渐增大到一U t <u i <+u t ,那么U o应为 +Uz ;如果Ui是从大于+UT的值逐渐减小到-UT<Ui<+, Ut那么Uo应为Uz ； 曲线具有

12、方向性，如图b中所标注。实际上，由于集成运放的开环差模增益不是无穷大，只有当它的差模输入电 压足够大时，输出电压Uo才为Uz o Uo在从+Uz变为-Uz或从-Uz变为+Uz的过 程中，随着Ui的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。滞回比拟器中引入 了正反应，加快了 Uo的转换速度。从而获得较为理想的电压传输特性。如图示，由于集成运放的同相输入端通过R'接地，Up U n 0,为虚地。电路中，电路中，电容C中电流等于电阻R中电流iC iRU，输出电压与电容上电压的关系为：UoUc。而电容上电压等于其电流的积分，故 UoRCuidt，在求解ti到t2时间段的积分值时有:1 t2UoUi

13、dt Uo tiRC h上式中Uo ti为积分起始时刻的输出电压，即积分运算的起始值，积分的终值是t2时刻的输出电压。当Ui为常量时有:Uo RC U| t2 ti Uo ti当输入信号为方波时输出波形如下列图所示：3.3比例运算电路的特点及其相关功能：比例运算电路分为反相比例运算电路和同相比例运算电路两种。反向比例运算电路：反相比例运算电路如图示输入电压ui通过电阻R作用于集成运放的反相输入端，故输出电压Uo与ui反相。电阻Rf跨接在集成运放的输出端和反相输入端， 引入了电压并联负反应。同相输入端通过电阻R接地，r'为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性其值为Ui =0

14、时反相输入端总等效电阻，即各支路电阻的并联,所以R'的阻值应该等于R与Rf的等效电阻。由于理想运放的净输入电压和净输 入电流均为零，故R'中电流为零，所以Un Up 0 1P 1N 0上式说明，集成运放两个输入端的电位均为零，但由于他们并没有接地，故 称之为“虚地。节点N的电流方程为；1R 1 FUi Un Un U。R Rf由于N点为虚地，整理得出：RfU。訂332同相比例运算：将图中的输入端与接地端互换，就得到同相比例运算电路，如图示。电路引 入了电压串联负反应，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。即使考虑 集成运放参数的影响，输入电阻也是一个非常大的数值。根据“虚短

15、和“虚断的概念，集成运放的净输入电压为零，即:Un 5 ui说明集成运放有共模输入电压。净输入电流为零，因而iR iF ,即UqUn °UqUfRfRfRUnRfRUp由上式得出:RfUq1UiR34实验方案介绍第一类方案：有反应方案电路组成：如图示电路中运算放大器 A1与R1.R2.R3组成的一个迟滞比拟放大器，C为翻转加速电容。迟滞比拟器的 Ui 被比信号取自积分器的输出，通 过R2接运放的同相输入端，R1称为平衡电阻。U°1通过R4接至运放A2的反相输 入端。迟滞比拟器输入U°1的高电平约等于正电源电压 Vcc，低电平电压约等于 负电源电压-Vee .当时，

16、输入U°1从高电平 Vcc跳到低电平-Vee ；当时，输出U°1 从低电平跳到高电平 Vcc图a方波-三角波产生电路图b锯齿波发生电路工作原理简要分析：图示为三角波发生电路，左边为同相输入滞回比拟器，右边为积分运算电路。 图中滞回比拟器的输出电压UO1UZ,它的输入电压是积分电路的输出电压UQ根据叠加原理，集成运放 A1同相输入端的电位：UpiRUqRUqiRUqUzR R2R R2R R2R R令Upi Uni 0，贝悯值电压：Ut UzR2积分电路的输入电压是滞回比拟器的输出电压 UQ1，而且UQ1不是+UZ就是-UZ，所以输出电压的表达式为:1Uo U 01 (tl

17、to) Uo(to)R3C式中Uo(t。)为初态时的输出电压。设初态时U°1正好从-UZ跃变为+UZ那么上式可进一步写成：1UoUz(b to) Uo(to)R3C积分电路反相积分，Uo随时间的增长线性下降，那么(2.3)变为1UoUz(t2 tj Uo(tJR3CUo(t1)为U°1产生越变是的输出电压。积分电路正向积分，Uo随时间的增长线性增大，电路产生自己震荡。由以上分析可知，Uo是三角波，幅值为 Ut ； U01是方波，幅值为 Uz，其 输出波形大致为图5所示。由于电路引入了电压深度负反应，所以在附在电阻相 当大的变化范围里，三角波电压几乎不变。对于图4(b)来说，

18、设二极管导通时的等效电阻可忽略不计，电位方案到最上端。当UO1Uz，时D1导通，D2截止，输出电压的表达式为Uo1Uz(t1to)Uo(to)R3CUo随时间线性下降。当U°1 Uz时，D2导通，D1截止，输出的表达式为Uo11Uz(t2tju°(tj(R3R ) C第二类方案：无反应方案采用先产生方波一三角波，再将三角波变换成方波，继而利用方波产生锯齿波的电路设计方法，无反应回路方案具体电路图可参照图3所示。本课题中采用由比拟器和积分器组成方波一三角波产生电路，比拟器输出的方波经积分器得到三角波，三角波再经过一比拟器产生矩形波， 此矩形波经过积 分运算电路产生锯齿波。利用

19、差分放大电路组成的集成运放具有高输入阻抗， 工 作点稳定抗干扰能力较强等优点。 特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零 点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分 放大器传输特性曲线的非线性。电路的简要分析F S图(C)总电路图此次课题由四个集成运放组成，如图(C)示。其中集成运放UlA和U3A均是电 压比拟器，U2A和U4A为积分运算电路，对于Uia其反相输入端为U4A的输出信 号，不管U4A的输出是什么信号，其U1A的输出Uoi均是方波，经过U 2A积分运 算后，B端(B Port)输出为三角波，继而，B端(B Port)的输出作为5a的输入， 同样U3A为一

20、电压比拟器，c端输出为矩形波，由于c端(C Port)通过两个二极 管与地相接，当U°3为高电平时，两个二极管导通，其输出电压的幅值为两个二 极管导通时的导通电压，即1.4V。经过U4A的积分运算器后，D端(D Port)输出 为一锯齿波。3.5.电路各组成局部的工作原理方波发生电路的工作原理对于集成运放U1A，其反相输入端接U 4A的输出，同相输入端通过电阻R3与 地相接。因此，U1A为一电压比拟器，其U4A输出与电压为零比拟，即当Ud电压 幅值大于0时，由于是在反相输入端输入，因此，U°1为输出低电平，约等于负电源电压-Vee ,当Ud电压幅值小于0时，U°1

21、为高电平，约等于正电源电压Vcc ( Vcc -Vee ).因此，A端输出为方波。方波一一三角波转换的工作原理如图3所示。设图中A点电压为Ua，集成运放U2A输出B端电压为Ub ,其同相输入端电压为Up2,反相输入端电压为Un2 ,流过电容C电流ii和流过电阻R4电流为i2 ，由于R4和电容C串联，由此，其电流相等ii i2对于BC R4 A支路，由ii i2得:d(ubUn2)dtUN 2 U AR4根据集成运放“虚短和“虚断得:U p2 UN 20由式(3-1)和(3-2 )得：ub1R4CUAdt由于A端为一周期信号，设其周期为T。那么B端信号可表示为:UbUaR4C (tNT)0t1

22、NTNT)t1NT t t2 NT由上面第一个方程分析可知，B点电压是对A点电压的积分，由于A点为一 方波，因此，B端为一三角波，由下面方程组分析可知，当 A为高电平是，B端 输出波形斜率小于零，当A为低电平时，B端输出波形斜率大于零。对于放电时间计算：由于电路充放电回路是BC R4 R2地构成，因此，其时间常数不变，设其时间常数为1，由电路分析可知。1 R4R2C对于下面方程组分析可知，在时间t1段斜率为说。时间t2段斜率为R4C当u01Vcc时，电容C被充电，电容电压UC上升，得:ubVcc tR4C即ub线性下降。当UoiVee时，电容被反方向充电,Ub由两组方程分析可知，&CB

23、端输出为一三角波。A端和B端输出波形图电阻、电容取值：对于三角波形电路来说，存在一电容，因此电容的存在是影响时间常数的重要指标。在进行电路仿真实验时，一开始给定电容值为10uf理论时可出来波形但始终无法找到输出波形，当换成 0.01uf时时便顺利出 波形了。取电容值为 0.01UF，对于实际电路，时间常数不可过大，因此，在电 路仿真软件根底上，所算出电阻 R2 560电阻R4 100 。其方波-三角波转 换电路如图a示。图(a)用Multisim 仿真软件方波-三角波转换电路电路仿真图三角波-矩形波转换电路的工作原理对于集成运算放大器A3,如图 ' 示。电路中运算放大器A3与R7, R

24、8,R9组成一 比拟放大器，其输入信号Ui3取自运放A2的输出端B端，Ui3通过电阻R7于A3 的反相输入端相连，其同相输入端那么与电阻Rs和地相连。对图示电路，设其反相输入端电压Un3,同相输入端电压Up3。U03为其输出端电压，C端电压为Uc o 由于B端接A3的反相输入端，设其为输入电压为Ui3 °C端通过二极管与地相接， 有以上分析可知，B端为输出三角波，且注意到 A3的同相输入端为通过R3与地 相接，对于理想集成运放来说，其同相输入端电流咕0。但实际上，其同相输入端仍有微弱电流，因此使得端点电位 Un3有少许抬高，即当B端信号幅值大于 Un3时，其输出U°3为低电

25、平其值约等于负电源电压-VEE,由于二极管的存在， 对于低电平来说相当于开路，因此 C端输出幅值为零。同理，B端信号幅值小于 Un3时，U°3为高电平，两个二极管导通，C端输出电压幅值即为两个二极管导 通的导通电压1.4V(=2 0.7V )。同时，前面分析可得，B端输出三角波波形占空 比q=1,而A3并不是理想集成运放，其参考电压也并不是 0V而是U N3 °因此，C 端输出波形其占空比q 1。综上所述C端为输出矩形波。UbUc1.4V三角波一一方波转化输岀波形矩形波-锯齿波转换电路(D端输出波形)的工作原理如下列图示，电路中运算放大器 A4与R11,2,R10和电容C共

26、同构成一积分器。C为翻转加速电容。uC通过r11,r12,r10接至集成运放的反相输入端，电阻 r5通 过集成运放的同相输入端与地相接。 对图2所示电路，设C点电压为Uc .M点电 压为Um,D点电压为Ud,流过Rll,Rl2,RlO的电流分别为i4,i5和3，流过电容C的 电流为2。集成运放A4同相输入端电位Un4,其反相输入端电位为UP4。根据下列图中电路所示，由KCL得：234(1)对于支路D电容C电阻Rl2 Um来说，可由集成运放性质得：dtR12Cd(UD Un4)Un4 Um分别表示出2、3、4得：Ri2(a)i4UmR11(b)Um UcRio(c)(d)dt(g)将式(a)、(

27、b)、(c)代入 式(1)得:由(d)得：Uc“ 111、U m(RoR10R1民2由式(e)进一步得：UmR11R12UcR11R12R12 R10R11 R10将式代入(2)中得：U n4 Um U m Um U cR12RioRio(e)(f)Ud1RiCR11R12R12R10R11R0Uc由式(g)可知，D端输出波形受C端波形影响，且D端波形为C端波形积分乘 以一常数，即电阻和电容乘积，根据图 8可知，C端输出只有在一局部时间t1 段内才有幅值，另一时间段t2内为零，因此电容只有在 C端有幅值的时间段内 才会被充电，其余时间段为放电过程，因此D端输出波形受电容C影响，由式(g) 可得

28、，当在时间段t1内向电容充电，因为C端通过电阻与集成运放A3的反相 输入端相接，因此输出D端斜率小于0,为减函数。当在时间段t2 内，由于C端无电压，因此，电容放电，放电回路为C,R2,R11和地，因此时间常数2 R11R12C，对于理想电容，放电时间为0，但实际中存在放电时间，设电容放电时间为tW，由C端波形和D端波形不难看出：Uc(0 ) 0 , Uc( ) Uc,Uc(tw)丄？UcRuCR12R11尺2尺0R1R10(Uc 1.4v，代入RC电路过度过程计算公式可得:twln(UC)R2RQ In(UcUcUcRiiR12 R11R1R10R12R10R12R11Cln(只12尺1RRoR2R10)(h)R12R11R11 R10R12 RioR11由式h分析可得，电容C的放电时间tw由电阻R11,R12,R10和电容C值大 小影响，同时，对于电路A3局部的仿真如图8可以看出，其时间常数取值不易 过大，否那么不过仿真出适宜的波形，通过计算，取各