基于LM324信号发生器报告.doc

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： 2014-7-10 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： 项目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%课程设计答辩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5 2.1 LM324N6 2.2电位器7 2.3电容器7 2.4稳压管8三、设计总体方案9 3.1比较器的特点与功能9 3.2积分运算电路的特点及其相关功能11 3.3比例运算电路的特点及其相关功能12 3.4.实验方案介绍14 3.5.电路各组成部分的工作原理18四、电路调试总结及分析24五、总结收获体会2726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基本原理，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+15V连续可调。参考方案：图1、ICL8038原理框图参考原理：ICL8030内部由恒流源I1、I2、电压比较器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，电压比较器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I1、I2的大小可通过外接电阻调节，但必须I2I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，I1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，电压比较器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I2接通，由于I2I1（设I2=2I1），恒流源I2加到C上反充电，相当于C由一个净电流I1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，电压比较器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，I1对C充电，如此重复，产生振荡信号。若通过调节外接电阻使得I2=2I1，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基础-第五版-闫石，数字电子技术-第五版康华光二、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(332V)；双电源(1.516V) 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：2.2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lm324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。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lm324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三角波矩形波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：有反馈和没有反馈。由于反馈各方案思路大致相同，现取一种方案来代表反馈方案并将其分为第一类方案，没有反馈的即为此次设计方案，为第二类方案。3.1比较器的特点与相关功能：电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。一般分为单限比较器，滞回比较器，窗口比较器。其中滞回比较器具有滞回特性，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较器电路如图示，滞回滞回比较器电路引入了正反馈。从集成运放输出端的限幅电路可以看出，。集成运放反相输入端电位，同相输入端电位令=,求出的就是阈值电压，因此得出滞回比较器及其电压传输特性（a）电路（b）电压传输特性=若，则，+。此时，增大，直至，再增大，才从跃变为。若+，则，。此时，减小，直至，再减小，才从跃变为+。从电压传输特性曲线上可以看出，当+时，可能是，+也可能是-。如果是从小于的值逐渐增大到+,那么应为+；如果是从大于+UT的值逐渐减小到+,那么应为；曲线具有方向性，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，输出电压才为。在从+变为-或从-变为+的过程中，随着的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。滞回比较器中引入了正反馈，加快了的转换速度。从而获得较为理想的电压传输特性。3.2积分运算电路的特点及其相关功能：=如图示，由于集成运放的同相输入端通过接地，,为虚地。电路中，电路中，电容C中电流等于电阻R中电流，输出电压与电容上电压的关系为：。而电容上电压等于其电流的积分，故，在求解到时间段的积分值时有：+上式中为积分起始时刻的输出电压，即积分运算的起始值，积分的终值是时刻的输出电压。当为常量时有：当输入信号为方波时输出波形如下图所示：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。3.3.1反向比例运算电路：反相比例运算电路如图示.输入电压通过电阻R作用于集成运放的反相输入端，故输出电压与反相。电阻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馈。同相输入端通过电阻接地，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=0时反相输入端总等效电阻，即各支路电阻的并联，所以的阻值应该等于R与的等效电阻。由于理想运放的净输入电压和净输入电流均为零，故中电流为零，所以上式表明，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;由于N点为虚地，整理得出：3.3.2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馈，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”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零，即：说明集成运放有共模输入电压。净输入电流为零，因而,即由上式得出：3.4.实验方案介绍3.4.1第一类方案：有反馈方案 电路组成：如图示电路中运算放大器A1与组成的一个迟滞比较放大器，C为翻转加速电容。迟滞比较器的Ui（被比信号）取自积分器的输出，通过接运放的同相输入端，称为平衡电阻。通过接至运放A2的反相输入端。迟滞比较器输入的高电平约等于正电源电压，低电平电压约等于负电源电压.当时，输入从高电平跳到低电平-；当时，输出从低电平跳到高电平图（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较器，右边为积分运算电路。图中滞回比较器的输出电压,它的输入电压是积分电路的输出电压UO，根据叠加原理，集成运放A1同相输入端的电位: 令，则阈值电压: 积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压，而且不是+UZ，就是-UZ，所以输出电压的表达式为：式中为初态时的输出电压。设初态时正好从-UZ跃变为+UZ则上式可进一步写成： 积分电路反相积分，Uo随时间的增长线性下降，则(2.3)变为 为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;是方波，幅值为，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馈，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，设二极管导通时的等效电阻可忽略不计，电位计划到最上端。当，时D1导通，D2截止，输出电压的表达式为 Uo随时间线性下降。当时，D2导通，D1截止，输出的表达式为 3.4.2第二类方案：无反馈方案采用先产生方波三角波，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，无反馈回路方案具体电路图可参照图3 所示。本课题中采用由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波再经过一比较器产生矩形波，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。其中集成运放和均是电压比较器，和为积分运算电路，对于其反相输入端为U4A 的输出信号，不论 的输出是什么信号，其的输出均是方波，经过积分运算后，B端(B Port)输出为三角波，继而，B端(B Port)的输出作为的输入，同样为一电压比较器，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.电路各组成部分的工作原理3.5.1 方波发生电路的工作原理对于集成运放，其反相输入端接的输出，同相输入端通过电阻与地相接。因此，为一电压比较器，其输出与电压为零比较，即当电压幅值大于0时，由于是在反相输入端输入，因此，为输出低电平，约等于负电源电压 ,当电压幅值小于0时， 为高电平，约等于正电源电压 （）.因此，A端输出为方波。3.5.2方波三角波转换的工作原理如图3 所示。设图中A点电压为，集成运放输出B端电压为 ,其同相输入端电压为,反相输入端电压为 ,流过电容C电流和流过电阻R4 电流为 ，由于R4 和电容C串联，由此，其电流相等对于支路，由得： 根据集成运放“虚短”和“虚断”得： 由式(3-1)和（3-2）得： 由于A端为一周期信号，设其周期为T。则B端信号可表示为： 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地构成，因此，其时间常数不变，设其时间常数为，由电路分析可知。对于下面方程组分析可知，在时间段斜率为。时间段斜率为。 当时，电容C被充电，电容电压上升，得： 即线性下降。当时，电容被反方向充电， 由两组方程分析可知，B端输出为一三角波。tUBVccVEEt 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，在电路仿真软件基础上，所算出电阻电阻。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3.5.3三角波-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与组成一比较放大器，其输入信号取自运放A2的输出端B端，通过电阻于A3的反相输入端相连，其同相输入端则与电阻和地相连。对图示电路，设其反相输入端电压,同相输入端电压。为其输出端电压，C端电压为。由于B端接A3的反相输入端，设其为输入电压为。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与地相接，对于理想集成运放来说，其同相输入端电流。但实际上，其同相输入端仍有微弱电流，因此使得端点电位有少许抬高，即当B端信号幅值大于时，其输出为低电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端信号幅值小于时，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(=20.7V)。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。因此，C端输出波形其占空比。综上所述C端为输出矩形波。UB1.4VvUCUN4三角波方波转化输出波形3.5.4 矩形波-锯齿波转换电路（D端输出波形）的工作原理如下图示，电路中运算放大器A4与和电容C共同构成一积分器。C为翻转加速电容。通过接至集成运放的反相输入端，电阻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.M点电压为,D点电压为，流过的电流分别为和，流过电容C的电流为。集成运放A4同相输入端电位,其反相输入端电位为。根据下图中电路所示，由KCL得： (1) 对于支路D 电容C 电阻 来说，可由集成运放性质得： （2） 分别表示出得： （a） (b) (c) 将式(a)、（b)、(c)代入 式 (1)得： （d） 由(d)得： (e) 由式(e)进一步得： (f) 将 式(f)代入（2）中得： (g) 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端输出只有在一部分时间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，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，放电回路为和地，因此时间常数，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，由C端波形和D端波形不难看出：, ,（），代入RC电路过度过程计算公式可得： (h) 由式（h）分析可得，电容C的放电时间 由电阻和电容C值大小影响，同时，对于电路A3部分的仿真如图 8 可以看出，其时间常数取值不易过大，否则不过仿真出合适的波形，通过计算，取各阻值为：电容C取0.01uF 用Multisim仿真软件矩形波-三角波转换电路电路仿真图1.4Vt1t2 C端波形UC 四、电路调试虽然开始将电路分析的很彻底，但依旧是因为理想状态的结果。开始将