北郵模電實(shí)驗(yàn)基于運(yùn)算放大器的彩燈顯示電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、電子電路綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：基于運(yùn)算放大器的彩燈顯示電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2016.4姓名：班級：學(xué)號：摘要：運(yùn)用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一個彩燈顯示電路，通過遲滯電壓比較器和反向積分器構(gòu)成方波三角波發(fā)生器，三角波送入比較器與一系列直流電平比較，比較器輸出端會分別輸出高電平和低電平，從而順序點(diǎn)亮或熄滅接在比較器輸出端的發(fā)光管。關(guān)鍵詞：彩燈顯示電路方波三角波發(fā)生器運(yùn)算放大器一、設(shè)計(jì)任務(wù)要求利用運(yùn)算放大器LM324設(shè)計(jì)一個彩燈顯示電路，讓排成一排的5個紅色發(fā)光二極管(R1R5)重復(fù)地依次點(diǎn)亮再依次熄滅(全滅一R1-R1R2-R1R2R3-R1R2R3R4R1R2R3R4R5R1R2R3R4-R1R2R3-R1R

2、2-R1全滅)，同時讓排成一排的6個綠色發(fā)光二極管(G1G6)單光點(diǎn)來回掃描點(diǎn)亮(G1G2G3G4G5G6G5G4G3G2G1)。要求彩燈的變化速度均勻且可以調(diào)節(jié),而且人眼能夠識別彩燈的變化，所擁有的供電條件為直流電源±12V。二、設(shè)計(jì)思路、總體結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)任務(wù)要求，可以設(shè)計(jì)一個如圖1所示的電路，圖中振蕩電路產(chǎn)生頻率可調(diào)的三角波信號，三角波信號被送入比較器電路與一系列直流電平比較，根據(jù)三角波信號瞬時值的大小不同，比較器的輸出端會分別輸出高電平或低電平，這些高、低電平可以按照任務(wù)要求的順序點(diǎn)亮或熄滅接在比較器輸出端的發(fā)光管，達(dá)到任務(wù)要求的彩燈顯示效果。圖1三、分塊電路和總體電路設(shè)計(jì)1、

3、方波三角波振蕩電路三角波振蕩電路由遲滯電壓比較器和反向輸入式積分器構(gòu)成。積分器的輸入電壓取自遲滯電壓比較器的輸出，遲滯電壓比較器的輸入信號來自積分器的反饋遲滯電壓比較器的輸出端接一穩(wěn)壓管，使其輸出為高電平Uolmax或低電平U01min。Uo1=±(Uz+Ud)，Uz和Ud分別為穩(wěn)壓管反向擊穿電壓和正向?qū)妷?。假設(shè)遲滯電壓比較器輸出Uo1為高電平，高電平經(jīng)過反向積分器得到線性下降的的輸出信號，此線性下降的輸出信號又反饋回遲滯電壓比較器的輸入端，當(dāng)其下降至比較器的下門限電壓Uth-時，遲滯電壓比較器的輸出跳變?yōu)榈碗娖経olmin,該低電平經(jīng)過積分器得到線性上升的輸出信號。當(dāng)輸出信號升

4、至比較器的上門限電壓Uth+時，遲滯電壓比較器的輸出再次跳變回高電平Uolmax。不斷重復(fù)上述過程，遲滯電壓比較器的輸出端得到方波信號，而反向積分器的輸出端得到三角波信號。由理論分析可知：方波信號的幅值為：Uo1=±(Uz+Ud)三角波信號的幅值為：Uo2=±R1/Rf(Uz+Ud)。電路的振蕩頻率為：f=Rf*Rp2/(4*R1*R2*C*Rp1)式中Rp2為電位器Rp動頭2端對地電阻，Rp1為動頭1端對地電阻。另，電路圖中元器件數(shù)值計(jì)算方法為：a) 設(shè)定三角波幅值Uo2(約為10V)。b) 查閱雙穩(wěn)壓管正向?qū)妷篣d和反向擊穿電壓Uz。計(jì)算穩(wěn)定電壓Uz+Ud(約為6-

5、6.5V)c) R1/Rf=Uo2/(Uz+Ud)，設(shè)定R1值，進(jìn)一步確定Rf。R3=R1/Rf。d) 雙穩(wěn)壓管最大工作電流為30mA。由此可確定Ro=(Uom-Uz-Ud)/I,(Uom=12V，I<=30mA).e) 設(shè)定頻率f,由f=Rf*Rp2/(4*R1*R2*C*Rp1)確定Rp1、Rp2、R2和C的值。f) R4=R2。如圖所示，電路圖底端6個電阻將±12V電壓分成五個等級，設(shè)6個電阻大小相等，則這5個電壓等級分別是-8V，-4V,0V,4V和8V，這5個等級的電壓分別作為5個電壓比較器的基準(zhǔn)電壓，分別接到這5個比較器的反相輸入端。三角波振蕩電路產(chǎn)生的三角波信號U

6、i同時加到這5個電壓比較器的同相輸入，與這5個基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。每個電壓比較器的輸出端都通過一個限流電阻對地接一個紅色發(fā)光二極管，而6個綠色的發(fā)光二極管則與6個限流電阻串聯(lián)構(gòu)成綠色發(fā)光二極管鏈，以如圖所示的結(jié)構(gòu)與5個電壓比較器的輸出端連接。當(dāng)Uiv-8V時，5個電壓比較器均輸出低電平，5個紅色發(fā)光二極管全不亮，綠色發(fā)光二極管只有LED6亮；當(dāng)-8VvUiv-4V時，電壓比較器U7A輸出為高電平，其余為低電平，紅色發(fā)光二極管只有LED9亮，綠色發(fā)光二極管只有LED5亮；當(dāng)-4VvUivOV時，電壓比較器U7A、U6A輸出為高電平，其余為低電平，紅色發(fā)光二極管LED8和LED9亮，綠色發(fā)光二極管只

7、有LED4亮；當(dāng)0V<Ui<4V時，電壓比較器U7A、U6A、U5A輸出為高電平，其余為低電平，紅色發(fā)光二極管LED8、LED9和LED7亮，綠色發(fā)光二極管只有LED3亮；當(dāng)4V<Ui<8V時，電壓比較器U7A、U6A、U5A、U3A輸出為高電平，其余為低電平，紅色發(fā)光二極管LED8、LED9、LED7、LED11亮，綠色發(fā)光二極管只有LED2亮；當(dāng)8V<Ui時，電壓比較器全部輸出為高電平，紅色發(fā)光二極管全亮，綠色發(fā)光二極管只有LED1亮。另，電路圖中元器件數(shù)值計(jì)算方法為：a）紅色發(fā)光二極管限流電阻R紅=（Uomax-Ur）/lr，（Uomax為運(yùn)放最大輸出12V

8、，Ur和lr為發(fā)光二極管正向飽和壓降和工作電流）b）綠色發(fā)光二極管限流電阻R綠=（Uomax-Uomin-Ur）/lr，（Uomin為運(yùn)放最小輸出-12V）c）將±12V電壓分成5個等級的6個電阻，阻值相等，阻值大小使運(yùn)放輸入電流合適即可。四、所實(shí)現(xiàn)功能說明1、基本功能三角波發(fā)生器輸出頻率為2HZ以內(nèi)（可調(diào)），幅值為土9.55V的三角波，使紅色LED燈依次點(diǎn)亮并熄滅，使綠色LED燈單點(diǎn)來回掃描點(diǎn)亮。彩燈變化速度均勻且可調(diào)（0.05HZT.6HZ），且人眼能識別彩燈的變化。2、測試數(shù)據(jù)頻率范圍方波三角波基準(zhǔn)電壓紅燈顯示綠燈顯示0.051.6HzVopp=10.8VVopp二土9.55V

9、-7.980V,-3.956V,0.009V,3.989V,7.985V駐點(diǎn)增減單點(diǎn)掃描3、測試方法將正負(fù)12V直流電源接入面包板正負(fù)極，觀察紅綠小燈閃爍情況并調(diào)節(jié)電位器，使之達(dá)到合適速度，人眼能清楚觀察到紅綠小燈變化勻速且紅燈駐點(diǎn)增減，綠燈單點(diǎn)掃描。然后接入示波器，測量方波和三角波幅值，并在示波器上讀出三角波頻率大小。繼續(xù)調(diào)節(jié)電位器，觀察三角波頻率可變范圍并記錄數(shù)據(jù)。五、故障及問題分析1、初次搭接面包板時發(fā)現(xiàn)線路過多，面包板上元件分布過于密集，容易引發(fā)短路，后重新搭接，通過另外引線降低了元件分布密集度，并修剪元件引腳，使之高低錯落有致。另外，增設(shè)一條地線，合理布局成功使電路簡化。2、初次加壓

10、調(diào)測時，發(fā)現(xiàn)方波輸出有誤，低電平過小，后檢查電路，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓二極管燒毀一半，重新更換二極管后電路顯示正常。3、彩燈顯示頻率過高，后通過修改電位器和地之間的電阻降低了頻率，使彩燈便與人眼識別。六、總結(jié)1、通過這次實(shí)驗(yàn)，我了解了彩燈顯示電路的原理。在設(shè)計(jì)電路、搭接面包板、調(diào)測更是增加了實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，對運(yùn)算放大器的運(yùn)用也增加了新的認(rèn)識，收獲滿滿。2、我覺得實(shí)驗(yàn)仍有不足，可以進(jìn)一步改進(jìn)。比如實(shí)驗(yàn)的提高部分，需要大量的元器件（運(yùn)放），8*8點(diǎn)陣也無法在提供的面包板上搭接，難以實(shí)現(xiàn)。再比如實(shí)驗(yàn)要求不夠明確。要求中不夠明確但在驗(yàn)收中要求的幾點(diǎn)有： 小燈速度均勻，每個小燈點(diǎn)亮?xí)r間接近。 頻率應(yīng)比要求中的2Hz更慢，實(shí)驗(yàn)中測得約0.1Hz以內(nèi) 為達(dá)到，三角波幅值應(yīng)盡可能接近10V而非考核表中的9V。 LM324運(yùn)算放大器中四個集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)使得很難將小燈列為一排，必須另加面包板或使用引線，容易使面包板線路復(fù)雜。能否采用單個運(yùn)放替代LM324？七、Multisim仿真原理圖mvrMirTh-=_I2¥VDC1-=_E¥VWlGDI'I1,XVlQL