簡易函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計報告.doc

漳州師范學院 《模擬電子技術(shù)》課程設(shè)計 設(shè)計題目：簡易函數(shù)型號發(fā)生器的設(shè)計 姓 名： 學 號 系 別：物理與電子信息工程系 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 年 級： 指導(dǎo)教師： 2012年5月9日 目錄 摘要 一 系統(tǒng)設(shè)計 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 4 1. 設(shè)計任務(wù) ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 4 2. 設(shè)計要求 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 4 二 方案選擇與比較 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 5 三 電路設(shè)計原理 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 7 1． 系統(tǒng)原理 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄　　7 2． 方波--三角波發(fā)生電路 ┄┄┄┄┄┄┄　　8 3． 正弦波發(fā)生電路 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄　　　9 4． Multisim軟件仿真 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄　　11 四 PCB布板 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄　14 五 實物安裝與調(diào)試 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄　　15 1． 實物圖 　┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄　　15 2． 測試的波形 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄　　16 3． 實驗結(jié)果分析及與仿真對比┄┄┄┄┄┄　　19 六 設(shè)計總結(jié) ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄　20 七 原件清單 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄　21 摘要 本方案采用LM324集成運放芯片，外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波，構(gòu)成簡易函數(shù)信號發(fā)生器。LM324集成運放放大器芯片中四個獨立的運算放大器可分別構(gòu)成滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路。通過滯回比較器產(chǎn)生方波，再由積分器將方波變換為三角波然后通過二階有源低通濾波器電路將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波。這樣就可以構(gòu)成一個簡易的函數(shù)信號發(fā)生器。 關(guān)鍵詞：LM324；滯回比較器；積分運算器；二階有源低通濾波電路 一 系統(tǒng)設(shè)計 1 設(shè)計任務(wù) 利用集成運算放大器LM324設(shè)計一個簡易函數(shù)信號發(fā)生器，要求能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波三種波形。 2 設(shè)計要求 采用雙電源供電形式：電源Vcc=+12V、VEE=-12V；要求在2KW輸出信號滿足： （1）正弦波：Vpp≥10V；方波：Vpp≤14V；三角波：Vpp≤8V ； （2）頻率范圍：200Hz～3KHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)； （3）波形無明顯失真。 二 方案選擇與比較 1方案1： 采用LM324集成運放芯片，外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波，構(gòu)成簡易波形發(fā)生器。LM324是一種集成運算放大器芯片，它的內(nèi)部有四個獨立的運算放大器。根據(jù)所學的知識，運算放大器可以構(gòu)成滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路，可以分別產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。依靠這些電路的組合，就可以制作成簡易波形發(fā)生器電路。該電路具有效率高、體積小、重量輕，輸出穩(wěn)定等特點。而且LM324集成運放芯片價格低廉，又很容易買到，可以降低電路的制作成本。 系統(tǒng)框圖 方 波 三角波 正弦波 波 二階有源低通濾波器 積分器 滯回比較器 電 源 2方案2 主要是應(yīng)用集成運放LM324，其芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由4個集成運放所組成的,通過RC文氏電橋可產(chǎn)生正弦波，其特點是振幅和頻率穩(wěn)定且方便調(diào)節(jié)能夠產(chǎn)生頻率很低的正弦信號；然后通過過零比較器能調(diào)出方波,并再次通過RC積分電路就可以產(chǎn)生三角波，三種信號頻率相同。此電路具有良好的正弦波和方波信號，但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時改變。 系統(tǒng)框圖正弦波 方波 積分電路 RC正弦波振蕩電路 過零比較器 三角波 3方案3 也是利用LM324集成運放芯片，外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波，構(gòu)成簡易波形發(fā)生器。產(chǎn)生方波和三角波的過程與方案2相同而正弦波則是通過折現(xiàn)法實現(xiàn)三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換。此方案優(yōu)點是不受輸入電壓頻率范圍的限制，便于集成化，但是反饋網(wǎng)絡(luò)中電阻的匹配比較困難。而且器件多、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜從而造成PCB排版難度加大。 由于方案2經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號，存在難度，方案3的器件多、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜從而造成PCB排版難度加大。而方案1的電路具有效率高、體積小、重量輕，輸出穩(wěn)定等特點。所以最終我選擇方案1。 三 電路設(shè)計原理 1系統(tǒng)原理 系統(tǒng)采用12V雙電源供電，主體部分由LM324集成運放芯片構(gòu)成的滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路組成。它由滯回比較器產(chǎn)生方波信號，方波信號經(jīng)過積分器后產(chǎn)生三角波信號。三角波信號一路反饋回滯回比較器，作為滯回比較器的VREF ；另一路經(jīng)二階有源低通濾波器濾波以后產(chǎn)生正弦波信號。使用時可以在電路系統(tǒng)的不同輸出點得到不同的波形信號。 系統(tǒng)電路原理圖 2方波——三角波發(fā)生電路 2.1原理圖 2.2參數(shù)選擇及計算 方波三角波發(fā)生電路由同向輸入的滯回比較器和積分運算電路組成。積分運算電路既作為延遲環(huán)節(jié)又作為方波變?nèi)遣娐罚瑴乇容^器和積分運算電路的輸出互為另一個電路的輸入。 方波的輸出電壓幅度由穩(wěn)壓管D1、D2共同決定。在設(shè)計中，D1、D2均選用5.1V的穩(wěn)壓二極管，則他們的穩(wěn)壓幅度Uz為 +Uz=5.1+0.7=5.8(V) 其中，0.7V為二極管D1正向?qū)ǖ墓軌航怠? -Uz=-（5.1+0.7）=-5.8(V) 其中，0.7V為二極管D2正向?qū)ü軌航怠? 所以 Uo1=UZ＝5.8(V) 電路的第二級是一個積分器，用于輸出三角波。當電路的第一級輸出的方波信號U01送入該級電路后，由該級電路對信號進行積分變換以后，產(chǎn)生三角波信號U02。U02分成兩路，一路輸入第三級電路，另一路反饋回滯回比較器，作為滯回比較器的VREF。根據(jù)設(shè)計要求方波：Vpp≤14V；三角波：Vpp≤8V可設(shè)R1為12(kΩ),R5為22 (kΩ)。 第二級電路的輸出電壓幅度為： +U02＝R1/R5 UZ =6/11+ UZ=3.16（V） -U02＝R1/R5 UZ =6/11- UZ=-3.16（V） 第一級電路和第二級電路的振蕩周期相同，可以由以下的公式求得： T＝4R1(R 10+RW1)C1/ R5 Tmin＝41210310000.110－6/(22103) Tmin＝0.218(ms) Tmax＝412103(1000+20000)0.110－6/(22103) Tmax=4.58(ms) 則振蕩頻率為： fmax＝1/ Tmin＝1/0.21810-3=4.5(KHz) fmin＝1/ Tmax＝1/4.5810-3=218(Hz) 調(diào)節(jié)RW1可使電路的頻率在200Hz～3KHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，電路參數(shù)按此設(shè)定后其頻率范圍理論上近似滿足設(shè)計要求。 3正弦波發(fā)生電路 3.1參數(shù)選擇及計算 第三級電路是二階有源低通濾波器，用于對第二級電路送來的信號U02進行濾波。U02經(jīng)過第三級電路的濾波之后，變換成正弦波信號后由U03輸出。U03輸出信號的周期與U02輸出信號的周期相同。因為R8=I.5 kΩ,R9=5.1kΩ，RW2=20 kΩ所以 U03＝RW2/( R8+ R9 )U02=20/6.6 U02=9.5(V) 而第三級電路的上限截止頻率為： fH＝1/(2πRC) 上述公式中， R=6.6kΩ C＝0.01μF fH＝1/(23.146.61030.0110－6)＝2411(HZ) 這說明，第三級電路將阻止頻率高于2411HZ的信號通過。 3.2原理圖 4 Multisim軟件仿真 4.1仿真電路圖 4.2仿真頻率范圍 4.3仿真波形 方波——三角波波形 正弦波波形 4.4 LM324芯片簡介 LM324帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著的優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的電源下，靜態(tài)電流較小。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。 LM324芯片的引腳排列如下圖所示： 相關(guān)參數(shù)及描述 運放類型:低功率； 放大器數(shù)目:4； 針腳數(shù):14； 工作溫度范圍:0C to +70C； 增益帶寬:1.2MHz； 工作溫度最低:0C ； 工作溫度最高:70C； 額定電源電壓：+15V； 低偏置電流：最大100nA； 短路保護輸出； 真差動輸入級； 具有內(nèi)部補償?shù)墓δ埽? 輸入端具有靜電保護功能； 電源范圍：單電源3V至32V電源或雙電源1.5V至16V； 四 PCB布板 五 實物安裝與調(diào)試 1實物圖 2測試的波形 2.1測試的方波波形 波形 測試值 頻率(Hz) 峰-峰值（V） 方波 fmin=223.5 12.2 fmax=3.848K 12.2 2.2測試的三角波波形 波形 測試值 頻率（Hz） 峰-峰值（V） 三角波 fmin=219.9 7.04 fmax=3.838k 10.7 2.3測試的正弦波波形 波形 測試值 頻率（Hz） 峰-峰值(V) 正弦波 fmin=189.9 16.6 fmax=3.546k 10.6 f=1k 4.28~21.0 3實驗結(jié)果分析及與仿真對比 由測試結(jié)果可知實際值與理論值、仿真結(jié)果近似相等，而實際值相對于仿真情況更加符合設(shè)計要求。仿真頻率范圍為209Hz~2.9KHz而實際頻率在189HZ~3.4KHz內(nèi)更符合要求的頻率范圍（200Hz～3KHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)）；實際方波峰-峰值為12.2V，實際三角波峰-峰值為6.8V~10.8V,實際正弦波峰-峰值為10.6V~16.6V滿足設(shè)計要求的正弦波：Vpp≥10V；方波：Vpp≤14V；三角波：Vpp≤8V。 六 設(shè)計總結(jié) 在這次課程設(shè)計中，經(jīng)過反反復(fù)復(fù)的設(shè)計電路圖，在課本上找原理，運用仿真軟件畫圖，仿真，驗證電路是否正確，焊接實物電路，拆了重做，再驗證再調(diào)試。我學會了怎樣去根據(jù)課題的要求去設(shè)計電路和調(diào)試電路。動手能力得到很大的提高。在制作電路的過程中更是學到了許多實踐經(jīng)驗，如電路板的布線、元器件的識別和整機的調(diào)試等各方面的經(jīng)驗。從中我發(fā)現(xiàn)自己并不能很好的熟練去使用我所學到的模電知識。在以后學習中我要加強對使用電路的設(shè)計和選用能力。通過這種綜合訓(xùn)練，我可以掌握電路設(shè)計的基本方法，提高動手組織實驗的基本技能，培養(yǎng)分析解決電路問題的實際本領(lǐng)，為以后畢業(yè)設(shè)計和從事電子實驗實際工作打下基礎(chǔ)。 七 原件清單 器件類型 型號、參數(shù) 數(shù)量 備注 電阻 100Ω 1 470Ω 1 1 1 2KΩ 1 1.5KΩ 1 5.1KΩ 1 10 1 12KΩ 2 22KΩ 1 電位器 20KΩ 2 瓷片電容 103 2 104 1 穩(wěn)壓二極管 5.1V 2 集成芯片 LM324 1 插槽 14腳 1