基于四运放芯片的信号运算与滤波电路的设计

1、苏州大学应用技术学院 综合电子设计与实践 基于四运放芯片的信号运算与滤波电路的设计1 引 言在电子、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332V或双电源一16V一+16V，可以与输入的电平很好地兼容 。运用LM324搭建的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

2、，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。低频信号发生器低频信号发生器滤波器比较器加法器滤波器比较器加法器三角波产生器三角波产生器图 1.1 实验的基本原理框图2 电路设计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：U 01sin(2ufot)(V)，fo：5

3、00Hz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=05ms，峰峰值4V 。加法器输出电压为Ui2=10Ui1+Uo1，Ui2经过滤波器滤除Uo1 的频率分量，选出频率为f。、峰峰值 等于9V 的正弦信号Uo2,Uo2信号再经过 比较器在1K 负载得到峰峰值为2V 的输出电压u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。2.1振荡器设计振荡器电路如图2.1.1所示，输出U o为方波，当时间常数t取值比较合时Uo1为近似三角波。Uo1的周期，若取R1=R2=4.7k，Cl=O.01F，R3=22.756k，

4、则:，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19k，其它元件取值不变，Uo1为近似三角波，振荡器的仿真波形见图2.1.2。图2.1.1 振荡 器电路图2.1.2 振荡器输出波形仿真 2.2加法器模块设计加法器电路如图2.2.1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。加法器的仿真波形见图2.2.2。

5、图2.2.1 加法器电路图2.2.2 加法器输出仿真图2.3滤波器模块设计滤波器选用二阶巴特沃斯带通滤波器，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l0U i1，10U i1峰峰值为2V ，滤波器放大45倍后可得到峰峰值为9V的正弦波。滤波器电路见图2.3.1。此滤波器的Q=8，增益为：滤波器仿真波形见图2.3.2。图2.3.1 滤波器电路图2.3.2 滤波器输出仿真图2.4比较器模块设计 图2.4.1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4k时，1kQ 负载分压得到峰峰值为2V的输出电压Uo3实际仿

6、真时峰峰值达不到2v。将R17改为3.6k，负载得到峰峰值为2V的输出电压。比较器输出仿真波形见图2.4.2图 2.4.1 比较器电路原理图图2.4.2 比较器输出仿真图3电路总结通过这次设计始终围绕通用的四运放芯片展开，电路中多采用借鉴相关的功能的电路，根据原理公式计算出需要的参数值并运用于电路。我们将各个设计的模块组合实现总的功能。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

7、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。我们在设计、调试的时候不会一帆风顺，会遇到一些问题，解决问题的过程就是我们能力提高的过程 。对培养我们综合运用所学知识 、启发我们发散思维、提高动手能力具有积极意义。设计过程中遇到了很多的问题，这才知道自己学到的知识很少，通过不断的查阅资料，在老师的帮助下终于解决了相关问题。这次设计很好的检验了我们大学期间所学的相关知识，同时也提高了我们的动手能力，遇到问题后便要

8、不断的收集资料，不断的分析，尝试怎样去解决问题。采取那种方法更好，能够更有效的解决出现的问题。通过对这次的电路设计，让我们每个人收获都很大。参考文献田良.综合电子设计与实践M.南京：东南大学出版社，2002.吉雷.Protel99从入门到精通.西安:电子科技大学出版社，2004.张永瑞.电子测量技术基础.西安:电子科技大学出版社，2006.谢自美.电子线路设计.实验.测试.武汉:华中科技大学出版社，2006.罗杰.电子线路设计.测试（4版）电子工业出版社，2010彭介华.电子技术课程设计指导M.西安：电子工业出版社，1996.张延琪.常用电子电路280例简析M.北京：中国电力出版社，2004.

9、心得体会历经两个星期的综合电子设计与实践，使得我加强了对相关高频电子电路、模拟电子技术和数字电子电路理论知识等方面的理解和认知。从而也让我知道了自身的不足之处。在这次设计过程中，我有很多的收获，我知道自己了解的知识太少，需要学习的知识点还很多。因为设计的是一个长期的过程，需要不断的进行分析与总结，不断地去研究各方面的文献，认真总结。对于高频电子电路方面，对信号的调制与解调有了实际应用的理解，通过亲自动手调试实际电路，加大了对这方面知识的掌握度。对于数字电路方面，加强了对基本的门电路的互相转化实际应用能力，深刻了解了LM324芯片，并根据实际应用于实践中。所以我也特别感谢在此过程中给与予我帮助的指导老师，还有跟我同组的同学。他们给予我的帮助很多。在许多问题上，许多我无法理解的困难，都是在老师和同学的帮助下得以很好解决。我觉得在毕业设计之前还能通过这样的训练提高自己综合能力是非常难得，非常感谢这次老师提供的宝贵机会，相信通过这次设计，无论是对马上的毕业设计还是今后的工作都有很大帮助。（49 季伟）附 录附录1 电路原理图电路原理图附录2 电路设计测试图三角波产生器波形测试图加法器波形测试图 比较器波形测试图附录3 元件清单名称型号数量示波器通用1函数信号发生器通用1万用表数字式1