基于LM324的简易信号发生器的设计.doc

模模拟拟电电子子技技术术 研研究究性性学学习习 论论文文 基于基于 LM324 的简易函数发生器的设计的简易函数发生器的设计 学学 院 院 电子信息工程学院 专专 业 业 通信工程 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 指导教师 指导教师 白双 2014 年年 06 月月 03 日日 1 中文摘要中文摘要 信号发生器广泛应用于电子工程 通信工程 自动控制 遥测控制 测量仪器 仪 表和计算机等技术领域 本文设计了以运算放大器 LM324 为核心器件的一个能产生正 弦波 矩形波 三角波的简易低频信号发生器 通过对电路分析 确定了元器件的参数 并利用 Multisim 软件仿真电路的理想输出结果 关键词 信号发生器 RC 桥式振荡电路 运算放大器 AbstractAbstract Signal generator is widely used in measurement communication auto control and other electric fields This paper using operational amplifier LM324 as core device to design a simple low frequency signal generator which can generate sine square triangular The parameters of the circuit are tested and recognized Multisim software simulates the output of the three waves Keywords signal generator RC bridge oscillator circuit operational amplifier 2 目目 录录 第一章第一章 引言引言 3 3 第二章第二章 原理分析原理分析 3 3 2 1 RC 振荡电路 3 2 2 过零比较器 4 2 3 积分运算电路 4 2 4 LM324 运算放大器 5 第三章第三章 电路设计电路设计 6 6 3 1 正弦波发生模块 6 3 2 矩形波发生模块 6 3 3 三角波发生模块 7 第四章第四章 电路的仿真与调试电路的仿真与调试 7 7 第五章第五章 总结总结 8 8 参考文献参考文献 9 9 3 第一章第一章 引言引言 信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器 按照信号波形可分为正弦信号 函数信号 脉冲信号和随机信号发生器等四大类 电路的搭建可以采用由运算放大器及 分离元件 或是单片集成函数发生器构成 信号发生器又称信号源或振荡器 在生产实 践和科技领域中有着广泛的应用 本文以带有差动输入的四运算放大器 LM324 为核心器件 通过 RC 桥式正弦波振荡 电路产生正弦波 正弦波频率可通过调整电阻及电容实现输出信号频率在 200Hz 20kHz 之间的变换 再通过电压跟随器输出正弦波 正弦波通过零比较器整形为方波 方波经 过积分运算电路整形为三角波 输出的方波三角波频率与正弦波频率相同 这样设计出 来的低频信号发生器结构简单 实现方便 经济实用 信号的频率与幅度均可以调节 波形稳定 失真度小 可满足基础模拟电路实验的要求 第二章第二章 原理分析原理分析 2 12 1 RCRC 振荡电路振荡电路 采用 RC 选频网络构成的振荡电路称为 RC 振荡电路 它适用于低频振荡 一般用 于产生 1Hz 1MHz 的低频信号 因为对于 RC 振荡电路来说 增大电阻 R 即可降低振荡 频率 而增大电阻是无需增加成本的 故 RC 振荡电路在科学研究 实验教学 工程实 践中都有广泛应用 常用的 RC 振荡电路有相移式和桥式两种 其中 RC 移相式振荡器具有电路简单 经济方便等优点 但选频作用较差 振幅不够稳定 频率调节不便 因此一般用于频率 固定 稳定性要求不高的场合 而 RC 桥式振荡器是将 RC 串并联选频网络和放大器结合起来构成的 RC 振荡电路 其中放大器件可采用集成运算放大器 其原理图如图 2 1 1 所示 图 2 1 1 RC 桥式振荡器原理图 RC 串并联选频网络接在运算放大器的输出端和同相输入端之间 构成正反馈 Rf R1接在运算放大器的输出端和反相输入端之间 构成负反馈 正反馈电路和负反馈 电路构成一文氏电桥电路 运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上 所以 把这种振荡电路称为 RC 桥式振荡电路 3 在电路中 振荡信号由同相端输入 故构成同相放大器 输出电压 Uo 与输入电压 Ui 同相 其闭环电压放大倍数等于 2 1 1 1 1 R R U U A f i o U 4 而 RC 串并联选频网络在时 反馈系数 所以 只要RC 1 0 3 1 u F 即 振荡电路就能满足自激振荡的振幅和相位起振条 3 1 1 RRA fU1 2RRf 件 产生自激振荡 振荡频率为 2 1 2 RC 2 1 0 f 采用双联可调电位器或双联可调电容器即可方便地调节振荡频率 在常用的 RC 振 荡电路中 一般采用切换高稳定度的电容来进行频段的转换 频率粗调 再采用双联 可变电位器进行频率的细调 4 且由运放构成的 RC 串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区 稳幅 而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的 所以本文选用 RC 桥式振荡器产 生低频正弦信号 具有波形稳定 失真度小的特点 2 22 2 过零比较器过零比较器 过零比较器被用于检测一个输入值是否是零 原理是利用比较器对两个输入电压进 行比较 两个输入电压一个是参考电压 Vr 一个是待测电压 Vu 一般 Vr 从正相输入 端接入 Vu 从反相输入端接入 根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压 当参考电压已知时就可以得出待测电压的测量结果 参考电压为零时即为过零比较器 过零比较器原理图及传输特性如图 2 2 1 所示 图 2 2 1 过零比较器原理图及传输特性 在本文设计的简易信号发生器中 RC 桥式振荡电路产生的正弦波信号经过过零比 较器后便可产生矩形波 1 2 32 3 积分运算电路积分运算电路 积分运算电路是模拟电路中应用较为广泛的一种功能电路 其原理图如图 2 3 1 所示 图 2 3 1 积分运算电路原理图 其中 输入信号 ui经输入电阻 R 接入运放反向输入端 电容 C 接在负反馈回路中 与反向比例运算电路相比 只是将其中的反馈电阻用电容来代替 因此积分运算电路也 属于反向输入电路 运用理想运放反向输入时的 虚短 和 虚断 的概念 有 5 2 3 1 CR iR ii Rui 在 iC作用下电容 C 两端的电压 uC为 2 3 2 dtu RC dti C u iCC 11 由于输出电压即为电容两端电压 但电压极性相反 可得输出电压与输入电压的关 系为 dtu RC u io 1 2 3 3 可知输出信号与输入信号呈积分关系 积分时间常数 RC 由电路元件参数决定 积 分器除了可以进行数学运算外 在电子技术中常用作波形变换 若输入信号是一矩形波 其幅值为 Uim 频率为 f 则输出信号为一三角波 其幅值为 2 3 4 RC U fRC UT U imim om 2 1 2 在本文设计的简易信号发生器中 矩形波经过积分运算电路后即可输出三角波 2 2 42 4 LM324LM324 运算放大器运算放大器 LM324 集成芯片由四组运算放大器构成 其优点相较于标准运算放大器而言 电源 电压工作范围更宽 静态功耗更小 因此在生活中有着极为广泛的应用 LM324 的四组 运算放大器完全相同 除了共用工作电源外 四组器件完全独立 以其中一组运算放大 器为例分析 其内部电路共由两级电路构成 其耦合方式为电容耦合 这使得两级电路 的直流工作状态相互独立 互不影响 其管脚图如下 图 2 4 1 LM324 运算放大器管脚图 信号发生器是 LM324 运算放大器的典型应用 所以采用带有差动输入的四运算放大 器 LM324 为核心器件 通过 RC 桥式振荡电路产生正弦波 然后通过过零比较器产生 方波 再经过积分电路产生三角波就可以设计出信号发生器电路 其基本结构如图 2 4 2 所示 7 RC 桥式振荡电 路 过零比较器电路积分运算电路 图 2 4 2 信号发生器基本结构 6 第三章第三章 电路设计电路设计 3 13 1 正弦波发生模块正弦波发生模块 RC 桥式振荡电路仿真电路如图 3 1 1 所示 其中 电阻 R3 R8 R9 R11 和二极 管 D1 D2 构成负反馈网络和稳幅环节 调节 R3 可改变负反馈的反馈系数从而调整放 大电路的电压增益使之满足引起振荡的条件 6 图 3 1 1 RC 桥式振荡器仿真电路 鉴于信号频率调节跨度较大 因此采用 2 组各 2 只容量相差 10 倍的电容和 2 只同轴 电位器来调节输出信号频率 选用不同的电容实现振荡频率 f0的粗调 用同轴电位器实 现 f0的微调 33nF 电容对应 200Hz 2kHz 的输出频率 而 3 3nF 电容对应 2kHz 20kHz 的输出频率 3 23 2 矩形波发生模块矩形波发生模块 过零比较器电路仿真电路如图 3 2 1 所示 其电路相对比较简单 将运算放大器 LM324 的反相输入端接地 同相输入端接正弦波产生电路的输出端 便构成过零比较器 运算放大器的输出端输出矩形波 当输入的正弦信号在正负半周之间变化时 输出为幅 值固定且与正弦波同相的方波信号 图 3 2 1 过零比较器电路仿真电路 7 3 33 3 三角波发生模块三角波发生模块 积分运算电路仿真电路如图 3 3 1 所示 方波信号通过 R12 接运算放大器的反向输 入端 输出信号由 R12 C5 组成的 RC 电路进行积分变换产生三角波信号 同时电位器 R12 可以调节输出信号的幅度 为获得线性良好的三角波 采用电阻 R14 进行负反馈限 幅 图 3 3 1 积分运算电路仿真电路 第四章第四章 电路的仿真与调试电路的仿真与调试 在 Multisim 中画出上述各个模块的电路图 并将其连接在一起 组成简易函数信号 发生器 其总电路图如图 4 1 所示 其中 A 端红色输出端为正弦波 B 端蓝色输出端为 矩形波 C 端绿色输出端为三角波 输出信号的频率和幅值可以通过 R2 J1 和 R5 J2 来调节 矩形波和三角波输出信号的频率与正弦波相同 图 4 1 简易信号发生器仿真电路图 Multisim 中的仿真结果如图 4 2 所示 产生了三种较为标准的常见波形 并且其幅 值 频率均可通过改变电路参数来调整 8 图 4 2 仿真结果 在 RC 桥式振荡器产生正弦波的过程中 当振荡条件满足后 振荡器的振幅会不断 增大 直至输出幅度受到运算放大器最大输出电压的限制 而此时的输出波形可能会出 现严重的非线性失真 为了克服非线性失真 可利用二极管或稳压管的非线性特性 以 及场效应管的可变电阻特性来达到自动稳定振荡器的输出振幅 在这里 采用二极管的 非线性特性来达到稳幅的目的 用两只二极管反相并联 当振荡器的输出幅度在正半周 时 D2 导通 输出幅度在负半周时 D1 导通 二极管在小信号工作情况下 二极管的工 作状态将在直流工作点 Q 附近有较小的变动 二极管的微变电阻是在二极管特性曲 D r 线工作点 Q 附近电压的变化量与相应的电流变化量之比 即 4 1 D D D I U r 它的数值随着工作点电流的增大而减小 从而可以看 它的数值是不断变化的 这 时的 叫作二极管在 Q 点处的 动态电阻 在运算放大器的输出端 反相并联两只 D r 二极管 再并联一只电阻 R11 当输出振幅较小时 二极管内的电流较小 二极管的等 效电阻较大 而当输出振幅逐渐增大时 二极管内的电流也随着增大 而二极管内的电 阻则逐渐减小 因此 R11 两端的等效电阻 R 11 则为 4 2 D rRR 1111 R 11 将随着振幅的增大而减小 于是放大器的增益 AU也将随着振幅的增大而下降 从而就可以达到自动稳幅的目的 5 由于二极管具有非线性特性 在一个振荡周期中 稳幅二极管的正向电阻 是随 D r 着输出振幅的瞬时值不断地变化的 从平均值来看 它满足振荡器的振幅条件 但是 从一个振荡周期中的某一瞬间来看 它又不满足振荡器的振幅条件 所以 这种电路的 输出波形 总会有一定程度的失真 为了限制二级管的非线性所引起的输出波形失真 在二极管两端并一个与二极管正向电阻值相接近的电阻 R11 以改善电路的输出波形 在实际应用中 选取 R11 的电阻值为 2 7时 达到了比较满意的效果 k 第五章第五章 总结总结 信号发生器的应用领域较为广泛 可以满足各种波形的输出需要 以低成本的四运 算放大器 LM323 为核心器件设计的低频信号发生器具有电路简单 波形稳定 经济实 用 使用方便等优点 能够输出实验测试常用的正弦波 方波和三角波信号 而且信号 的频率和幅度均可以调节 该信号发生器可用于学校的教学实验演示和业余制作测试 也可以作为模拟电子技术课程设计或研究性学习课题 9 参考文献参考文献 1 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 M 第 4 版 北京 高等教育出版社 2006 2 路勇 模拟集成电路基础 M 北京 中国铁道出版社 2012 3 李来运 樊翠玲 用 Multisim 分析 RC 桥式振荡电路 J 天中学刊 2006 21 5 34 35 DOI 10 3969 j issn 1006 5261 2006 05 012 4 安培 振荡器在 Proteus 仿真中不易起振的原因与对策 J 电脑学习 2