1、 共 15 页 第 1 页目 录第 1 章 摘要2第 2 章 基于运算放大器的锯齿波发生器设计2 2.1 设计要求及分析 22.2 电路设计 22.3 器件选择及介绍 32.4 相关参数确定及计算 7第 3 章 基于运算放大器的锯齿波发生器性能测试83.1 实测电路和 Multisim 仿真实验结果83.2 仿真结果分析 13第 4 章 心得体会 14参考文献 15共 15 页 第 2 页第 1 章 摘要本文介绍了一种基于运算放大器的锯齿波发生器的设计方案，简要的介绍了锯齿波发生器的工作原理与设计方案，并详细地介绍了该发生器的参数设计过程，通过multisim 的仿真与测试，记录和分析了该发生
2、器的工作特性与性能，给出了仿真数据。第 2 章 基于运算放大器的锯齿波发生器设计2.1 设计要求及分析本设计要求利用运算放大器产生最大幅值为 2.5V，频率在 100 到 1000HZ 的锯齿波。可知以恒定速率对一个电容器充电，然后利用一个开关让电容器快速放电，就可以产生一个锯齿波。根据设计要求，电容的驱动电流应由放大器提供。最大幅值为 2.5V，即电容充电至电压为 2.5V 时停止充电并快速放电，这个过程可由一个电压比较器的输出控制一个结型场效应管截止和关闭来实现。2.2 电路设计设计电路如图 1.1。共 15 页 第 3 页图 1.1 电压控制锯齿波振荡器原理图由图可知电容 的驱动电流由
3、OA 提供，而它是一个浮动负载 V-I 转换器。为使C以正斜率直线上升， 必须总是要求从求和节点流出，即 。电压阈值由 和STvIi 0Iv2R确定。当电源接通，电压比较器的输入是 和 ，这表明输出 BJT 处于饱和3RPvTN状态，且 。当门电压处于这个低电位时，结型场效应管截止，电容 C 开始15PULSEv充电， 线性上升。当 达到阈值电压 时，比较器输出的 BJT 截止， 被TSTvTVPULSEv电阻拉到地电位。由于由 提供的正反馈作用，所以状态的改变是瞬时发生的，k21C由于此时 ，结型场效应管开关关闭， 快速放电，将 降为 0V。由于 在V0GSv STv1C从 -15V 到 0
4、V 的变化过程中在其上累积电荷，比较器不能对 在上的这一变化PULE瞬时作出响应，有一短暂的持续时间 （与 成正比） ，确保 C 得以完全放电。经DT1R过这样一个短暂的时间后， 回到 ，比较器输出的 BJT 重新截止，C 再次重PULSEvV5新充电，此后循环重复产生锯齿波。2.3 器件选择及介绍一、运算放大器的选择对于 OA 的一种上佳选择是采用兼具低输入偏置电流与海的转换速率性能的 FET 输入级运算放大器。低输入偏置电流对于控制范围的低端十分关键，而优越的转换速率性能则对高端至关重要。通过查阅资料得知高阻型运算放大器符合上述要求。这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电
5、流非常小，一般（ ） ，偏置电流为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是idr1290利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用 FET 作输入级，不紧输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大，所以调零是必不可少的。常见的集成器件有LF356、 LF355、LF347 （四运放）及更高输入阻抗的 CA3130、CA3140 等。共 15 页 第 4 页由于 LF356 具有价格低廉、产品量大面广、其性能指标适合于一般性能使用等优点，因此本设计采用此运算放大器。其引脚顶视图如图 1.2。图 1.2 LF356 引脚顶视图由于
6、集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响,当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时,输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿,这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零,而对于没有内部调零端子的集成运放,要采用外部调零方法。由于 LF356 有外接调零端子，可按组件要求接入调零电位器，调零时，将输入端接地，细心调节，用直流电压表测量输出电压，使之为零。2、电压比较器的选择本设计需要的是单输入比较器，应查阅资料选择 LM311。LM311 是最早也是最常用的单输入比较器之一，它是晶体管结构，输出级是集电极开路结构，它具有失调电压平衡调
7、节端(或用作选通端） ，并且具有连接负载多样性及输出电流可达 50mA 的特点。该器件可工作于单电源 或 双电源，输入失调电压典型值为 2mV，输入失V30515调电流典型值为 1.7nA，输出偏置电流典型值为 45nA,响应时间典型值为 200ns，输入电压范围为14.7 13.8V。其简化电路框图如图 1.3。 共 15 页 第 5 页图 1.3 LM311 简化电路框输入级是由 pnp 型射级跟随器 和 组成的，用它来驱动差分对 。差分对的1Q2 43Q-输出依次被 对和 对进一步放大后，形成了一个驱动输出的晶体管 基65-87- O极的单端电流。电路的工作过程如下，当 时，电流由 流向
8、 的基极，使它NPv8O处于重度导通状态， 饱和，可以用源电压来建模如图 1.4（a）所示。一般源电压约OQ为 0.1V，所以， ；）（ logicEOVvNPv当 时，没有了基极激励，因此 处于截止状态，可以用图 1.4（b）的开路电Npv路建模，由于 的上拉作用，得CR，(logic)COHVvNpv）（ logicC ）（ logicCV共 15 页 第 6 页图 1.4（a） “低输出”状态的等效电路 图 1.4（b） “高输出”状态的等效电路上述方程表明输出逻辑电平受用户的控制，本设计是令 即 接V0logic(）CCR地，令 。V15logic(）E3、结型场效应管的选择结型场效应
9、管作为电容 C 充放电的开关，应具有低泄露和低 值，经查阅资料)(ondsr选择 N 沟道结型场效应管 2N4391。结型场效应管的代表符号如图 1.5 所示。图 1.5假设 =0，当 由零往负向增大时，在反偏电压 作用下，两个 PN 结的耗尽DSvGS GSv层（即耗尽区）将加宽，使导电沟道变窄，沟道电阻增大。当 进一步增大到某一定值时，两侧耗尽层在中间合拢，沟道全部被夹断，此时漏- 源极间的电阻将趋于无穷大。当 =0 和 =0 时，随着 的接入并逐渐增加，一方面沟道电场强度增大，有GSvDSDSv利于漏极电流增加；另一方面，有了 ，就在由源极经沟道到漏极组成的 N 型半导体区域中，产生了一
10、个沿沟道的电位梯度。若源极为零电位，漏极电位为+ ，沟道区的DSv电位差则从靠源端的零电位逐渐升高到靠近漏端的 。由于 N 沟道的电位从源端到漏DSv）（ logicEVOvCRPvN PvNCR）（ logicEOv共 15 页 第 7 页端是逐渐升高的，所以从源端到漏端的不同位置上，栅极与沟道之间的电位差是不相等的，离源极愈远，电位差愈大，加到该处 PN 结的反向电压也愈大，耗尽层也愈向 N 型半导体中心扩展，使靠近漏极处的导电沟道比靠近源极要窄，导电沟道呈楔形，但在较小时，导电沟道靠近漏端区域仍较宽，这时阻碍的因素是次要的，故漏极电流随DSv升高几乎成正比地增大。本设计就是利用结型场效应
11、管的这些特性作为一个开关实现对电容的充电和快速放电。2.4 相关参数确定及计算1、根据阈值电压确定相关参数和 确定了阈值为2R3)/1/(32RVCT根据设计任务书可知运算放大器产生的最大幅值为 2.5V，即 ,由公式可.5V2T得 。取 ， 。5/32Rk02k03R2、根据频率范围确定相关参数以恒定的电流 I 驱动电容 C，那么它将会以一个恒定的速率充电或放电，并且产生一个线性暂态或斜坡。设电容充（放电）达到一个给定的 所需时间为 ，则可以用vt用一个易于记忆的关系来描述这个斜坡tIv这样就可以将恒定的速率下变化的 所需的时间估算为vICt可求得充电时间 。利用 , 和 ， 为锯齿tTCH
12、CHtT/IRTV0f波频率，令 ，得到01/()Df共 15 页 第 8 页01(/)TIDfRCVv取 时 ，所以上式可以化简为pF2,k101CRDH=0ITvfRV这就表明 与控制电压 成线性关系。则 ，取0fIv0Ifk，代入数据得 。根据设计任务书要求锯9.,2.RkCnFHz/2齿波的频率在 100Hz 到 1000Hz 之间，改变输入电压 的值可使输出的锯齿波的频率在Iv100Hz 到 1000Hz 之间变化，经计算得 的变化范围为 0.05V 到 0.5V。取 的值为Iv 4R。k2第 3 章 基于运算放大器的锯齿波发生器性能测试3.1 实测电路和 Multisim 仿真实验
13、结果图 2.1 锯齿波发生器的实际仿真电路，参数如图中所示共 15 页 第 9 页图 2.1 锯齿波发生器实测电路经图 2.1 仿真电路仿真可得，当输入电压 在 0.05V 到 0.5V 之间发生变化时，由Iv示波器所得输入电压控制仿真锯齿波形和脉冲波形如下图所示。图 2.2.1 为 0.05V 时仿真所得的锯齿波与脉冲波Iv图 2.2.2 为 0.1V 时仿真所得的锯齿波与脉冲波 Iv图 2.2.3 为 0.2V 时仿真所得的锯齿波与脉冲波Iv通道 A：X 轴 5ms/Div,Y 轴 2v/Div；通道 B：X 轴 5ms/Div,Y 轴10v/Div通道 A：X 轴 5ms/Div,Y 轴
14、 2v/Div；通道 B：X 轴 5ms/Div,Y 轴10v/Div通道 A：X 轴 5ms/Div,Y 轴 2v/Div；通道 B：X 轴 5ms/Div,Y 轴10v/Div共 15 页 第 10 页通过记录仿真数据可得表 1.1 如下。通道 A：X 轴 2ms/Div,Y 轴 2v/Div；通道 B：X 轴 2ms/Div,Y 轴 10v/Di图 2.2.4 为 0.3V 时仿真所得的锯齿波与脉冲波Iv图 2.2.3 为 0.2V 时仿真所得的锯齿波与脉冲波I通道 A：X 轴 2ms/Div,Y 轴 2v/Div；通道 B：X 轴 2ms/Div,Y 轴10v/Div图 2.2.5 为
15、 0.4V 时仿真所得的锯齿波与脉冲波Iv通道 A：X 轴 2ms/Div,Y 轴 2v/Div；通道 B：X 轴 2ms/Div,Y 轴10v/Div图 2.2.6 为 0.5V 时仿真所得的锯齿波与脉冲波Iv共 15 页 第 11 页表 1.1 锯齿波发生器数据记录表输入电压(v)Iv0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5(v)maxST2.525 2.532 2.511 2.515 2.521 2.507(v)PULEv-14.894 -14.892 -14.888 -14.895 -14.894 -14.868(ms)010.075 5.052 2.501 1.674 1.2
16、56 1.007经计算可得，在输入不同电压 时，所得各参数值见下表。Iv表 3.2 锯齿波发生器数据理论值记录表输入电压 (v)Iv0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5(v)maxST2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5(v)PULEv-15 -15 -15 -15 -15 -15(ms)010 5 2.5 1.667 1.25 1由表 3.1 与 3.2 中 值可得不同输入电压 下不同频率的锯齿波，其频率值见表0TIv3.3。表 3.3 不同输入电压对应的频率值输入电压 (v)Iv0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5理论值 (Hz)0f100 200 400
17、 600 800 1000仿真值 (Hz) 99.26 197.94 399.84 597.38 796.18 993.05当改变电容 的值，令其等于 22nF 时，检测 和 LM311 输入端得电压波形，仿1CSTv真电路如图 2.3共 15 页 第 12 页图 2.3得到图 2.4 的波形图 2.4 锯齿波与电容 充放电波形1C共 15 页 第 13 页3.2 仿真结果及误差分析由设计要求可知，设计所得的锯齿波发生器产生的锯齿波最大幅值为 2.5V 频率在100 到 1000Hz 之内。结合仿真所得结果可知，实际仿真锯齿波最大幅值为 2.525V，频率为 99.26Hz 到 993.05H
18、z，比较仿真所得频率和理论频率，二者已十分接近，可以满足设计要求。分析图 2.4 可知 随着 值的增大而增大，确保了电容 放电完全，使波DT1CC形更清晰更规整，但此时的 就不能忽略了而且还影响振荡器的高频精度；电容 充1放电的波形出现尖峰是由于 瞬间改变而造成的。PULSEv产生误差的原因有很多。对于运算放大器而言，输入端电压由于虚短的作用为零，但实际不为零，这就造成电容 C 开始充电之前就有一个微小的电压值；输入偏置电流，输入失调电压还有噪声对仿真结果也有一定影响。对于电压比较器，当输入级由变为 ，LM311N 比较器需要一定的响应时间来对输入级的这一变化作出npvnpv响应，反之亦然。即
19、当 Vst 达到阈值电压后，比较器开始响应， 不会立即变为零，PULSEv电容 C 会继续充电，产生误差。对于电容 ，在电容 C 充电过程中也会有一定的电荷1积累，需要放电时间 ，而且在 变化时会出现尖峰，可能会影响锯齿波使之出DTPULSEv现毛刺。在计算频率 时将 直接省略，会对频率造成一定的影响，通过对 和0f 1R的选择可使 远小于 ，影响很小。另外电容 C 本身的自激震荡也会影响仿真波1CDCH形。共 15 页 第 14 页第四章 心得体会一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的理论知识还提高了我对专业知识综合运用和实践的能力以及独立思考和团队合作的能力。这次课程
20、设计，从一开始查找资料，设计电路图，计算参数，然后用 multisim 软件进行仿真。整个流程下来，真正的感受到了想和做的区别。光有想法还不够，想法的实现往往会遇到许多问题，实施的过程才是最困难的。通过这次的课程设计，我深深地体会到，做任何事情都必须耐心细致，高度负责，认真对待。但是这次课程设计也让我发现自己所掌握的知识是如此的贫乏，仅仅只是冰山一角，而且实际运用专业知识的能力是如此的不足。在这次结组课程设计中，我充分体会到了团队工作的优点和益处，同组同学的方案和建议，使得在设计和仿真中遇到的问题很快得到解决。另外，在这次的课程设计中，我还学会了应用 Multisim 软件绘制电路图以及进行模
21、拟仿真，这也是一个重要的收获。由于首次进行测控电路的课程设计，很多知识远未做到灵活的学以致用，以及本人设计能力有限，导致电路没有尽善尽美。在以后的学习和工作实践中，我会尽力总结和应用以前学过的知识，使自己的能力不断提升。最后感谢老师的耐心指导，您严谨细致、一丝不苟的作风会一直是我工作、学习中的榜样。 共 15 页 第 15 页参考文献1 赛尔吉欧弗朗哥著 刘树棠 朱茂林 容玫译 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 （第三版）.西安交通大学出版社2 康华光主编 电子技术基础-模拟部分 （第五版）.北京：高等教育出版社，20083 邱关源主编 电路 （第四版）.北京：高等教育出版社，20084 阎石主编 数字电子技术基础 （第五版）. 北京：高等教育出版社，2009
