文档介绍：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
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=,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,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
由于正弦波信号的频率为500Hz,三角波的频率为2KHz,滤波器需要滤除,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

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

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,。
电路振荡周期为

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

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。
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:

则同相输入端的合成电压为:
= UH(上门限电压) (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:

此时同相输入端的合成电压为:
= UL(下门限电压)
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****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