集成运算放大器的应用实验报告

集成运算放大器的应用实验报告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 1 1 设计任务设计任务 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 0 5ms 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1k 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 112 10 oii uuu 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 1 i u 1o u 所以采用二阶的有源低通滤波器 电路仿真如下图 1o u 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 t e 0 CCCC UUUU 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 2 1ln 2 2 1 3 R R CRT 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 振荡周期为 0 5ms 电路振荡周期为 2 1ln 2 2 1 3 R R CRT 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 2 2 1 1 R u R u Ru ii fo 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 RC f 2 1 0 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 OM U RR R 21 1 则同相输入端的合成电压为 UH 上门限电压 7 REFOM U RR R U RR R U 21 2 21 1 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 OM U RR R 21 1 此时同相输入端的合成电压为 UL 下门限电压 REFOM U RR R U RR R U 21 2 21 1 理论波形如图所示 四 总结四 总结 此次实验过程中 主要遇到了以下几个问题 通过此次实验学习中 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