2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽綜合測評題論文報告

1、WORD格式放大器的應(yīng)用 摘要 集成運放裨上是一種高增益直流放大、直流放大器既能放大變化極其緩慢的直流信號， 下限頻率可到零； 又能放大交流信號， 上限頻率與普通放大器一樣，受限于電路中的電容或電感等電抗性元器件。 集成運放和外部反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相配置后，能夠在它的輸出和輸入之間建立起種種特定的函數(shù)關(guān)系， 故而稱它為“運算放大器。本課程設(shè)計的根本目標：使用一片通用四運放芯片LM324組成預(yù)設(shè)的電路，電路包括三角波產(chǎn)生器、加法器、濾波器、比擬器四個設(shè)計模塊，每個模塊均采用一個運放及一定數(shù)目的電容、電阻搭建， 通過理論計算分析， 最終實現(xiàn)規(guī)定的電路要求。 關(guān)鍵詞 運算放大器LM324、加法器、濾波器、比擬

2、器專業(yè)資料整理WORD格式目錄一、 設(shè)計任務(wù)3二、 設(shè)計方案及比擬41.三角波產(chǎn)生器42.加法器53.濾波器54.比擬器7三、 電路設(shè)計及理論分析7四、 電路仿真結(jié)果及分析121. Uo1端口122. Ui1端口133. Ui 2端口134. Uo 2端口145. Uo 3端口14五、 總結(jié)15專業(yè)資料整理WORD格式一、設(shè)計任務(wù)使用一片通用四運放芯片LM324 組成電路框圖見圖 1 a，實現(xiàn)下述功能：使用低頻信號源產(chǎn)生 u0.1sin 2f t V)fHz 的正弦波信號， 加至加法器i10 (0 500的輸入端，加法器的另一輸入端參加由自制振蕩器產(chǎn)生的信號uo1， uo1如圖 1 b所示 ,

3、 T1 =0.5ms，允許T1有± 5%的誤差。圖中要求加法器的輸出電壓 ui 2 10ui 1uo1。ui 2經(jīng)選頻濾波器濾除 uo1頻率分量，選出 f0信號為 uo 2 , uo 2為峰峰值等于 9V的正弦信號，用示波器觀察無明顯失真。 uo2信號再經(jīng)比擬器后在 1k負載上得到峰峰值為 2V 的輸出電壓 uo3。電源只能選用 +12V 和 +5V 兩種單電源，由穩(wěn)壓電源供應(yīng)。不得使用額外電源和其它型號運算放大器。要求預(yù)留 ui1、 ui 2、 uo 2、 uo2和 uo 3的測試端子。專業(yè)資料整理WORD格式二、設(shè)計方案及比擬設(shè)計有五個局部，其中低頻信號源使用信號發(fā)生器，其余四局

4、部設(shè)計方案如下：1. 三角波產(chǎn)生器初始方案 ：根據(jù)?模擬電子技術(shù)根底? 書上的方波發(fā)生器產(chǎn)生方波， 然后再采用微分電路對信號處理，輸出即為三角波。圖 1.1圖中：R1= 6.8k， 2= 10k， 3= 30k， 0= 3.9k， 4， 5= 20k，RRRR= 10k RC = 0.1 F， DZ1和 DZ2采用穩(wěn)壓管。運算放大器 A1與 R1、R2、R3及 R0、DZ1、DZ2組成電壓比擬器。當積分器的輸入為方波時， 輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波，比擬器與積分器首尾相連形成閉環(huán)電路， 能自動產(chǎn)生方波與三角波。 三角波或方波的頻率為：1R3f4R2 R4CT改良方案 ：由于 LM

5、324只有四個運算放大器， 如果三角波產(chǎn)生使用兩個， 那么后面的三個電路中有一個無法實現(xiàn)， 所以只能采用一個運算放大器產(chǎn)生。 同時由于器件不提供穩(wěn)壓二極管，所以電阻電容的參數(shù)必須設(shè)計合理，用直流電壓源代替穩(wěn)壓管。對方波放生電路進展分析發(fā)現(xiàn)， 如果將輸出端改接運放的負輸入端， 出來的波形近似為三角波。設(shè)計電路如圖 1.2專業(yè)資料整理WORD格式圖 1.22. 加法器方案：由于加法器輸出 ui 210ui1uo1，所以采用求和運算電路，計算電阻電容的參數(shù)值，電路見圖 2.1圖 2.1專業(yè)資料整理WORD格式3. 濾波器專業(yè)資料整理WORD格式初始方案 ：由于正弦波信號 ui1的頻率為 500Hz，

6、三角波 uo1的頻率為 2KHz，濾波器需要濾除uo1，所以采用二階的有緣低通濾波器。見電路圖3.1圖 3.1改良方案：根據(jù)仿真的波形看出電路對 2KHz 的信號衰減不大， 導(dǎo)致輸出信號中仍然殘留的有三角波成分， 波形失真較嚴重。 考慮要增大對三角波的衰減程度， 而且要三角波的頻率為 2KHz ，所以采用中心頻率為 2KHz 的帶阻濾波器。 電路見圖 3.2專業(yè)資料整理WORD格式圖 3.2專業(yè)資料整理WORD格式4. 比擬器初始方案：采用一般的單限比擬器，見電路圖4.1圖 4.1改良方案：在單限比擬器中， 輸入電壓在閥值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變，不管這種微小變化是來源于

7、輸入信號還是外部干擾，抗干擾能力差 .所以采用滯回比擬器。見圖 3.2圖 3.2三、電路設(shè)計及理論分析專業(yè)資料整理WORD格式1. 總電路圖專業(yè)資料整理WORD格式2. 三角波發(fā)生器根據(jù) RC 充放電過渡過程的分析，電容電壓編號應(yīng)符合下面公式- tU CUC( ) U C(0)U C ( ) e式中 UC初始電壓；UC( )充電終了電壓;充電時間常數(shù)。(0)解方程式可得T 2R3C ln(1 2R1 ) R2所以該電路振蕩周期有R3，C 和R1決定，改變這些元件參數(shù)可以調(diào)節(jié)方波的周R2期。由要求可知，電路的輸出波形應(yīng)為三角波，峰值為2V，振蕩周期為 0.5ms。電路振蕩周期為T 2R3 C l

8、n(12R1 )R2專業(yè)資料整理WORD格式經(jīng)過計算 R3=10K,R2=1.75K,R1=1K ,C=30.2nF 理論波形為專業(yè)資料整理WORD格式3. 加法器加法器輸入輸出滿足 ui 210ui1 uo1。根據(jù)“虛短和“虛斷的原那么，節(jié)點的電流方程為 ui1ui 2uo，所以輸出的表達式為R1R2RfuoR f ( ui1ui 2 )R1R2計算取 R1=1K，R2=10K ,Rf=10K .三角波和正弦波經(jīng)過加法電路后理論波形為專業(yè)資料整理WORD格式4. 帶阻濾波器因為需要濾去三角波成分，所以選取的帶阻濾波器的中心頻率f 0=2KHz。1中心頻率為f 0, 計算得 R=79.6,C=

9、1uF。2 RC理論上對于 2KHz的信號衰減程度最大，其他頻率幾乎不衰減。信號為 500Hz，5V 時專業(yè)資料整理WORD格式信號為 2KHz， 5V 時5. 滯回比擬器當集成運放的輸出為+U OM時，通過正反應(yīng)支路加到同相輸入端的電壓為：專業(yè)資料整理WORD格式R1U OM專業(yè)資料整理WORD格式R1R2那么同相輸入端的合成電壓為：R1U OMR2U REF= U H上門限電壓 7UR1R1 R2R2當 ui由小到大，到達或大于上門限電壓 UH的時刻，輸出電壓 uo才從 +U OM躍變到 UOM，并保持不變。此時，通過正反應(yīng)支路加到同相輸入端的電壓為：R1U OMR1R2此時同相輸入端的合

10、成電壓為：UR1U OMR2U REF= U L下門限電壓R1 R2R1R2理論波形為專業(yè)資料整理WORD格式四、電路仿真結(jié)果及分析仿真結(jié)果如下：1. U o1端口專業(yè)資料整理WORD格式由仿真圖可知，波形近似為三角波。Um=2V,T=2KHz ，波形穩(wěn)定。2. U i1端口因為由低頻信號源產(chǎn)生，所以波形無失真。Um=0.1V， T=500Hz3. U i 2 端口專業(yè)資料整理WORD格式與理論波形有一定的偏差，三角波與正弦波相加時，三角波波峰、波谷有失真。4. U o 2 端口理論應(yīng)為正弦波，可以看出經(jīng)過濾波后，波形的波峰、波谷有失真，高頻局部沒有濾掉。 Um=9.34V略大于 9V，T 約

11、為 500Hz。5. U o3 端口專業(yè)資料整理WORD格式可以看出近似為上下電平交替， 在跳變過程中波形有失真， 局部局部由于不穩(wěn)定信號產(chǎn)生毛刺。五、總結(jié)1.電源提供的電壓對波形的影響：波形幅度變化必須在電源提供的電壓X圍之內(nèi)， 假設(shè)不在，那么底部或頂部會出現(xiàn)失真，因此采用 +12V電源而不用 +5V。2.單電源和雙電源的區(qū)別及其對電路的影響：運放采用單電源供電時， 加法電路、濾波電路不能工作， 必須采用雙電源式供電，正極 4接+12V，負極 11反接 +12到地。模塊與模塊之間的存在相互影響。3、模塊與模塊之間的存在相互影響：雖然單個模塊運行仿真成功， 但是連接為整個的電路圖時， 各功能模塊的波形會受到其他模塊的影響， 失真交嚴重。處理方法是在各模塊之間參加耦合電容或電容電阻組成的低通網(wǎng)路作為接口電路。