北京郵電大學(xué)電路實驗報告小彩燈

./電子電路綜合實驗報告課題名稱：基于運算放大器的彩燈顯示電路的設(shè)計與實現(xiàn)姓名：班級：學(xué)號：一、摘要：運用運算放大器設(shè)計一個彩燈顯示電路,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,從而順序點亮或熄滅接在比較器輸出端的發(fā)光管。關(guān)鍵字：模擬電路,高低電平,運算放大器,振蕩,比較二、設(shè)計任務(wù)要求：利用運算放大器LM324設(shè)計一個彩燈顯示電路,讓排成一排的5個紅色發(fā)光二極管<R1～R5>重復(fù)地依次點亮再依次熄滅〔全滅→R1→R1R2→R1R2R3→R1R2R3R4→R1R2R3R4R5→R1R2R3R4→R1R2R3→R1R2→R1→全滅,同時讓排成一排的6個綠色發(fā)光二極管〔G1～G6單光點來回掃描點亮〔G1→G2→G3→G4→G5→G6→G5→G4→G3→G2→G1。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。三、設(shè)計思路,總體結(jié)構(gòu)框圖：根據(jù)任務(wù)要求,可以設(shè)計一個如圖2-27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。四、分塊電路和總體電路的設(shè)計：1、振蕩電路的設(shè)計：三角波振蕩電路可以采用如圖2-28所示電路,這是一種常見的由集成運算放大器構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生器電路,圖2-28中運放A1接成遲滯電壓比較器,A2接成反相輸入式積分器,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輸出。假設(shè)遲滯電壓比較器輸出Uo1初始值為高電平,該高電平經(jīng)過積分器在Uo2端得到線性下降的輸出信號,此線性下降的信號又反饋至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,比較器的輸出發(fā)生跳變,由高電平跳變?yōu)榈碗娖?該低電平經(jīng)過積分器在Uo2端得到線性上升的輸出信號,此線性上升的信號又反饋至遲滯電壓比較器的輸入端,當(dāng)其上升至比較器的上門限電壓Uth+時,比較器的輸出發(fā)生跳變,由低電平跳變?yōu)楦唠娖?此后,不斷重復(fù)上述過程,從而在遲滯電壓比較器的輸出端Uo1得到方波信號,在反向積分器的輸出端Uo2得到三角波信號。假設(shè)穩(wěn)壓管反向擊穿時的穩(wěn)定電壓為UZ,正向?qū)妷簽閁D,由理論分析可知,該電路方波和三角波的輸出幅度分別為：式〔5中RP2為電位器RP動頭2端對地電阻,RP1為電位器1端對地的電阻。由上述各式可知,該電路輸出方波的幅度由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值和正向?qū)妷簺Q定,三角波的輸出幅度決定于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值和正向?qū)妷阂约胺答伇萊1/Rf,而振蕩頻率與穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值和正向?qū)妷簾o關(guān),因此,通過調(diào)換具有不同穩(wěn)壓值和正向?qū)妷旱姆€(wěn)壓管可以成比例地改變方波和三角波的幅度而不改變振蕩頻率。電位器的滑動比RP2/RP1和積分器的積分時間常數(shù)R2C的改變只影響振蕩頻率而不影響振蕩幅度,而反饋比R1/Rf的改變會使振蕩頻率和振蕩幅度同時發(fā)生變化。因此,一般用改變積分時間常數(shù)的方法進(jìn)行頻段的轉(zhuǎn)換,用調(diào)節(jié)電位器滑動頭的位置來進(jìn)行頻段內(nèi)的頻率調(diào)節(jié)。2、比較電路與發(fā)光管的設(shè)計：如圖2-29所示電路中,由6個電阻R1、R2、R3、R4、R5和R6組成的電阻鏈將±12V電壓分成5個等級,設(shè)R1=R2=R3=R4=R5=R6=R,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〔U2D、U2C、U2B、U2A和U1D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〔用ui表示同時加到這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的發(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,與5個電壓比較器的輸出端連接。當(dāng)ui<-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LED11亮,當(dāng)-8V<ui<-4V時,電壓比較器U2D輸出為高電平,其余的電壓比較器輸出均為低電平,紅色發(fā)光二極管只有LED5亮,綠色發(fā)光二極管只有LED10亮,當(dāng)-4V<ui<0V時,電壓比較器U2D和U2C輸出為高電平,其余的電壓比較器輸出均為低電平,紅色發(fā)光二極管LED5和LED4亮,綠色發(fā)光二極管只有LED9亮,當(dāng)0V<ui<4V時,電壓比較器U2D、U2C和U2B輸出為高電平,其余的電壓比較器輸出均為低電平,紅色發(fā)光二極管LED5、LED4和LED3亮,綠色發(fā)光二極管只有LED8亮,當(dāng)4V<ui<8V時,電壓比較器U2D、U2C、U2B和U2A輸出為高電平,其余的電壓比較器輸出為低電平,紅色發(fā)光二極管LED5、LED4、LED3和LED2亮,綠色發(fā)光二極管只有LED7亮,當(dāng)8V<ui時,5個電壓比較器均輸出高電平,5個紅色發(fā)光二極管全亮,綠色發(fā)光二極管只有LED6亮。當(dāng)輸入的三角波信號在±10V的峰峰值范圍內(nèi)慢速〔2HZ以內(nèi)變化時,電壓比較器輸出端所接的紅綠發(fā)光二極管即可按照實驗任務(wù)要求的效果顯示。五、所實現(xiàn)功能說明：1、基本功能：排成一排的5個紅色發(fā)光二極管<R1～R5>重復(fù)地依次點亮再依次熄滅〔全滅→R1→R1R2→R1R2R3→R1R2R3R4→R1R2R3R4R5→R1R2R3R4→R1R2R3→R1R2→R1→全滅,同時排成一排的6個綠色發(fā)光二極管〔G1～G6單光點來回掃描點亮〔G1→G2→G3→G4→G5→G6→G5→G4→G3→G2→G1。同時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。2、主要測試數(shù)據(jù)：輸出信號變化的頻率范圍：0.118Hz—1.381Hz方波Vopp=12.6V三角波Vopp=±10.4V基準(zhǔn)電壓：-8.1V,-3.9V,0V,4.1V,8.1V3、必要的測試方法：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增減,綠燈單點掃描。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)。六、故障及問題分析：在實驗過程中,出現(xiàn)了幾次失敗的情況。第一次和第二次,均是由于電路設(shè)計的不好,導(dǎo)致導(dǎo)線和元器件分布過于密集,電路連接有錯。第三次是因為粗心而忘記了正負(fù)電源的接法,沒有接地。在經(jīng)過重新連接后,又出現(xiàn)了穩(wěn)壓源故障的問題,經(jīng)過檢查,是因為電流CURRENT調(diào)節(jié)的問題。七、總結(jié)和結(jié)論：通過本次實驗,我對電路的設(shè)計和元器件的位置安排有了新的認(rèn)識,電路設(shè)計的巧妙,連接出現(xiàn)的問題就會少很多,而且當(dāng)出現(xiàn)問題時方便查找,能節(jié)省不少時間,應(yīng)該在動手連接之前先進(jìn)行設(shè)計,這是整個實驗成功的第一步。另外,當(dāng)出現(xiàn)問題時,如何查找十分關(guān)鍵,有可能是電路連接的問題,還有可能是元器件損壞,或者沒有調(diào)試合適,這時,不能手忙腳亂的拆電路,重新連,而是要先分析出現(xiàn)故障可能的原因,逐一排除。應(yīng)該注意的是,實驗中出現(xiàn)的問題更多是因為粗心而把一些基礎(chǔ)的東西忘掉,例如正負(fù)電源如何接。同時,利用示波器等其他工具可以幫助我們更好的檢查問題。總體而言,本次實驗的難點在于對電路的設(shè)計與連接,實驗原理等方面還是較為簡單,這種實驗更加注重于實驗的基本操作,動手能力,以及查找問題,排除故障的能力。從知識層面講,本次實驗對于理解運算放大器的功能及其應(yīng)用有很大幫助,還有對于信號的積分,比較,放大,將運算放大器實際應(yīng)用于生活中,將使我們對它有更深層次的理解。八、Multisim仿真原理圖,波形圖：九、所用元器件及測試儀表清單：元器件名稱型號、規(guī)格數(shù)量運算放大器LM3242片雙穩(wěn)壓管2DW2321個〔材料箱內(nèi)發(fā)光二極管紅5個