1、0漳州师范学院模拟电子技术课程设计设计题目：简易函数型号发生器的设计 姓 名： 学 号 系 别：物理与电子信息工程系 专 业：电气工程及其自动化 年 级： 指导教师： 2012 年 5 月 9 日1目录摘要一 系统设计 41. 设计任务 42. 设计要求 4二 方案选择与比较 5三 电路设计原理 71 系统原理 72 方波-三角波发生电路 83 正弦波发生电路 94 Multisim 软件仿真 11四 PCB 布板 14五 实物安装与调试 151 实物图 15 2 测试的波形 1623 实验结果分析及与仿真对比 19六 设计总结 20七 原件清单 213摘要本方案采用 LM324 集成运放芯片
2、，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易函数信号发生器。LM324 集成运放放大器芯片中四个独立的运算放大器可分别构成滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路。通过滞回比较器产生方波，再由积分器将方波变换为三角波然后通过二阶有源低通滤波器电路将三角波转换为正弦波。这样就可以构成一个简易的函数信号发生器。关键词：LM324；滞回比较器；积分运算器；二阶有源低通滤波电路4一 系统设计1 设计任务利用集成运算放大器 LM324 设计一个简易函数信号发生器，要求能产生正弦波、方波和三角波三种波形。2 设计要求采用双电源供电形式：电源 Vcc=+12V、VEE=-12V；要求在2KW 输出信号满足
3、： （1）正弦波：Vpp10V；方波：Vpp14V；三角波：Vpp8V ；（2）频率范围：200Hz3KHz 范围内连续可调；（3）波形无明显失真。5二 方案选择与比较1 方案 1：采用 LM324 集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。LM324 是一种集成运算放大器芯片，它的内部有四个独立的运算放大器。根据所学的知识，运算放大器可以构成滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路，可以分别产生方波、三角波和正弦波。依靠这些电路的组合，就可以制作成简易波形发生器电路。该电路具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定等特点。而且 LM324 集成运放芯片价格低廉，又很容易
4、买到，可以降低电路的制作成本。系统框图方 波 三角波 正弦波 波二阶有源低通滤波器积分器滞回比较器电 源2 方案 2主要是应用集成运放 LM324，其芯片的内部结构是由 4 个集成运放所组成的,通过 RC 文氏电桥可产生正弦波，其特点是振幅和频率稳定且方便调节能够产生频率很低的正弦信号；然后通过过零比较器能调出方波,并再次通过 RC 积分电路就可以产生三角波，三种信号频率相同。此电路具有良好的正弦波和方波信号，但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。6系统框图3 方案 3也是利用 LM3
5、24 集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。产生方波和三角波的过程与方案 2 相同而正弦波则是通过折现法实现三角波到正弦波的转换。此方案优点是不受输入电压频率范围的限制，便于集成化，但是反馈网络中电阻的匹配比较困难。而且器件多、电路结构复杂从而造成 PCB 排版难度加大。由于方案 2 经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度，方案 3的器件多、电路结构复杂从而造成 PCB 排版难度加大。而方案 1 的电路具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定等特点。所以最终我选择方案 1。正弦波 方波积分电路RC 正弦波振荡电路 过零比较器三角波7三 电路设计原理1 系统原理系
6、统采用12V 双电源供电，主体部分由 LM324 集成运放芯片构成的滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路组成。它由滞回比较器产生方波信号，方波信号经过积分器后产生三角波信号。三角波信号一路反馈回滞回比较器，作为滞回比较器的 VREF ；另一路经二阶有源低通滤波器滤波以后产生正弦波信号。使用时可以在电路系统的不同输出点得到不同的波形信号。系统电路原理图82 方波三角波发生电路2.1 原理图2.2 参数选择及计算方波三角波发生电路由同向输入的滞回比较器和积分运算电路组成。积分运算电路既作为延迟环节又作为方波变三角波电路，滞回比较器和积分运算电路的输出互为另一个电路的输入。方波的输出电压幅度由
7、稳压管 D1、D2 共同决定。在设计中，D1、D2 均选用 5.1V 的稳压二极管，则他们的稳压幅度 Uz 为+Uz=5.1+0.7=5.8(V)其中，0.7V 为二极管 D1 正向导通的管压降。9-Uz=-（5.1+0.7）=-5.8(V)其中，0.7V 为二极管 D2 正向导通管压降。所以 Uo1=UZ5.8(V)电路的第二级是一个积分器，用于输出三角波。当电路的第一级输出的方波信号 U01 送入该级电路后，由该级电路对信号进行积分变换以后，产生三角波信号 U02。 U02 分成两路，一路输入第三级电路，另一路反馈回滞回比较器，作为滞回比较器的 VREF。根据设计要求方波：Vpp14V；三
8、角波：Vpp8V 可设 R1 为 12(k),R5 为 22 (k)。第二级电路的输出电压幅度为：+U02R 1/R5 UZ =6/11+ UZ=3.16（V）-U02R 1/R5 UZ =6/11- UZ=-3.16（V ）第一级电路和第二级电路的振荡周期相同，可以由以下的公式求得：T4 R1(R 10+RW1)C1/ R5Tmin41210 310000.1106 /(22103)Tmin0.218(ms)Tmax41210 3(1000+20000)0.1106 /(22103)Tmax=4.58(ms)则振荡频率为：fmax1/ Tmin1/0.21810 -3=4.5(KHz)fmi
9、n1/ Tmax1/4.5810 -3=218(Hz)调节 RW1 可使电路的频率在 200Hz3KHz 范围内连续可调，电路参数按此设定后其频率范围理论上近似满足设计要求。3 正弦波发生电路3.1 参数选择及计算第三级电路是二阶有源低通滤波器，用于对第二级电路送来的信号 U02 进10行滤波。U 02 经过第三级电路的滤波之后，变换成正弦波信号后由 U03 输出。U03 输出信号的周期与 U02 输出信号的周期相同。因为 R8=I.5 k,R9=5.1k，RW2=20 k 所以U03RW2/( R 8+ R9 )U02=20/6.6 U02=9.5(V)而第三级电路的上限截止频率为：fH1/
10、(2 RC)上述公式中，R=6.6kC0.01FfH1/(23.146.610 30.0110 6)2411(H Z)这说明，第三级电路将阻止频率高于 2411HZ 的信号通过。3.2 原理图114 Multisim 软件仿真4.1 仿真电路图4.2 仿真频率范围124.3 仿真波形方波三角波波形正弦波波形134.4 LM324 芯片简介LM324 带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点。该四放大器可以工作在低到 3.0V 或者高到 32V的电源下，静态电流较小。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。LM3
11、24 芯片的引脚排列如下图所示：14相关参数及描述运放类型:低功率； 放大器数目:4； 针脚数:14； 工作温度范围:0C to +70C； 增益带宽:1.2MHz； 工作温度最低:0C ； 工作温度最高:70C； 额定电源电压：+15V； 低偏置电流：最大 100nA； 短路保护输出； 真差动输入级； 具有内部补偿的功能； 输入端具有静电保护功能；电源范围：单电源 3V 至 32V 电源或双电源1.5V 至16V；四 PCB 布板15五 实物安装与调试161 实物图2 测试的波形172.1 测试的方波波形波形 测试值 频率(Hz) 峰-峰值（V）fmin=223.5 12.2方波fmax=3
12、.848K 12.22.2 测试的三角波波形18波形 测试值 频率（Hz） 峰-峰值（V）fmin=219.9 7.04三角波fmax=3.838k 10.72.3 测试的正弦波波形1920波形 测试值 频率（Hz） 峰-峰值(V)fmin=189.9 16.6fmax=3.546k 10.6正弦波f=1k 4.2821.03 实验结果分析及与仿真对比由测试结果可知实际值与理论值、仿真结果近似相等，而实际值相对于仿真情况更加符合设计要求。仿真频率范围为 209Hz2.9KHz 而实际频率在189HZ3.4KHz 内更符合要求的频率范围（200Hz3KHz 范围内连续可调） ；实际方波峰-峰值为
13、 12.2V，实际三角波峰-峰值为 6.8V10.8V,实际正弦波峰-峰值为 10.6V16.6V 满足设计要求的正弦波： Vpp10V；方波：Vpp14V ；三角波：Vpp8V。21六 设计总结在这次课程设计中，经过反反复复的设计电路图，在课本上找原理，运用仿真软件画图，仿真，验证电路是否正确，焊接实物电路，拆了重做，再验证再调试。我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。动手能力得到很大的提高。在制作电路的过程中更是学到了许多实践经验，如电路板的布线、元器件的识别和整机的调试等各方面的经验。从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的模电知识。在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。通过这种综合训练，我可以掌握电路设计的基本方法，提高动手组织实验的基本技能，培养分析解决电路问题的实际本领，为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。22七 原件清单器件类型 型号、参数 数量 备注100 1470 11 k12K 11.5K 15.1K 110 k112K 2电阻22K 1电位器 20K 2103 2瓷片电容104 1稳压二极管 5.1V 2集成芯片 LM324 1插槽 14 脚 123
