漳州師范學(xué)院模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目：簡(jiǎn)易函數(shù)型號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 姓 名： 學(xué) 號(hào) 系 別：物理與電子信息工程系 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 年 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 2012年5月9日目錄摘要一 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 41. 設(shè)計(jì)任務(wù) 42. 設(shè)計(jì)要求 4二 方案選擇與比較 5三 電路設(shè)計(jì)原理 71 系統(tǒng)原理 72 方波-三角波發(fā)生電路 83 正弦波發(fā)生電路 94 Multisim軟件仿真 11四 PCB布板 14五 實(shí)物安裝與調(diào)試 151 實(shí)物圖 15 2 測(cè)試的波形 163 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及與仿真對(duì)比19六 設(shè)計(jì)總結(jié) 20七 原件清單 21摘要本方案采用LM324集成運(yùn)放芯片，外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波，構(gòu)成簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。LM324集成運(yùn)放放大器芯片中四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器可分別構(gòu)成滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路。通過(guò)滯回比較器產(chǎn)生方波，再由積分器將方波變換為三角波然后通過(guò)二階有源低通濾波器電路將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波。這樣就可以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)易的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。關(guān)鍵詞：LM324；滯回比較器；積分運(yùn)算器；二階有源低通濾波電路一 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)利用集成運(yùn)算放大器LM324設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，要求能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波三種波形。2 設(shè)計(jì)要求采用雙電源供電形式：電源Vcc=+12V、VEE=-12V；要求在2KW輸出信號(hào)滿足： （1）正弦波：Vpp10V；方波：Vpp14V；三角波：Vpp8V ；（2）頻率范圍：200Hz3KHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；（3）波形無(wú)明顯失真。 二 方案選擇與比較1方案1：采用LM324集成運(yùn)放芯片，外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波，構(gòu)成簡(jiǎn)易波形發(fā)生器。LM324是一種集成運(yùn)算放大器芯片，它的內(nèi)部有四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器。根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，運(yùn)算放大器可以構(gòu)成滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路，可以分別產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。依靠這些電路的組合，就可以制作成簡(jiǎn)易波形發(fā)生器電路。該電路具有效率高、體積小、重量輕，輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)。而且LM324集成運(yùn)放芯片價(jià)格低廉，又很容易買到，可以降低電路的制作成本。 系統(tǒng)框圖方 波三角波正弦波 波二階有源低通濾波器積分器滯回比較器電 源2方案2主要是應(yīng)用集成運(yùn)放LM324，其芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由4個(gè)集成運(yùn)放所組成的,通過(guò)RC文氏電橋可產(chǎn)生正弦波，其特點(diǎn)是振幅和頻率穩(wěn)定且方便調(diào)節(jié)能夠產(chǎn)生頻率很低的正弦信號(hào)；然后通過(guò)過(guò)零比較器能調(diào)出方波,并再次通過(guò)RC積分電路就可以產(chǎn)生三角波，三種信號(hào)頻率相同。此電路具有良好的正弦波和方波信號(hào)，但經(jīng)過(guò)積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號(hào)，存在難度。原因是積分器電路的積分時(shí)間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號(hào)頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時(shí)改變。系統(tǒng)框圖正弦波方波積分電路RC正弦波振蕩電路過(guò)零比較器三角波 3方案3也是利用LM324集成運(yùn)放芯片，外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波，構(gòu)成簡(jiǎn)易波形發(fā)生器。產(chǎn)生方波和三角波的過(guò)程與方案2相同而正弦波則是通過(guò)折現(xiàn)法實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換。此方案優(yōu)點(diǎn)是不受輸入電壓頻率范圍的限制，便于集成化，但是反饋網(wǎng)絡(luò)中電阻的匹配比較困難。而且器件多、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜從而造成PCB排版難度加大。 由于方案2經(jīng)過(guò)積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號(hào)，存在難度，方案3的器件多、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜從而造成PCB排版難度加大。而方案1的電路具有效率高、體積小、重量輕，輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)。所以最終我選擇方案1。 三 電路設(shè)計(jì)原理1系統(tǒng)原理系統(tǒng)采用12V雙電源供電，主體部分由LM324集成運(yùn)放芯片構(gòu)成的滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路組成。它由滯回比較器產(chǎn)生方波信號(hào)，方波信號(hào)經(jīng)過(guò)積分器后產(chǎn)生三角波信號(hào)。三角波信號(hào)一路反饋回滯回比較器，作為滯回比較器的VREF ；另一路經(jīng)二階有源低通濾波器濾波以后產(chǎn)生正弦波信號(hào)。使用時(shí)可以在電路系統(tǒng)的不同輸出點(diǎn)得到不同的波形信號(hào)。系統(tǒng)電路原理圖2方波三角波發(fā)生電路2.1原理圖2.2參數(shù)選擇及計(jì)算 方波三角波發(fā)生電路由同向輸入的滯回比較器和積分運(yùn)算電路組成。積分運(yùn)算電路既作為延遲環(huán)節(jié)又作為方波變?nèi)遣娐?，滯回比較器和積分運(yùn)算電路的輸出互為另一個(gè)電路的輸入。 方波的輸出電壓幅度由穩(wěn)壓管D1、D2共同決定。在設(shè)計(jì)中，D1、D2均選用5.1V的穩(wěn)壓二極管，則他們的穩(wěn)壓幅度Uz為+Uz=5.1+0.7=5.8(V) 其中，0.7V為二極管D1正向?qū)ǖ墓軌航怠?Uz=-（5.1+0.7）=-5.8(V)其中，0.7V為二極管D2正向?qū)ü軌航?。所?Uo1=UZ5.8(V)電路的第二級(jí)是一個(gè)積分器，用于輸出三角波。當(dāng)電路的第一級(jí)輸出的方波信號(hào)U01送入該級(jí)電路后，由該級(jí)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分變換以后，產(chǎn)生三角波信號(hào)U02。U02分成兩路，一路輸入第三級(jí)電路，另一路反饋回滯回比較器，作為滯回比較器的VREF。根據(jù)設(shè)計(jì)要求方波：Vpp14V；三角波：Vpp8V可設(shè)R1為12(k),R5為22 (k)。第二級(jí)電路的輸出電壓幅度為：+U02R1/R5 UZ =6/11+ UZ=3.16（V）-U02R1/R5 UZ =6/11- UZ=-3.16（V）第一級(jí)電路和第二級(jí)電路的振蕩周期相同，可以由以下的公式求得：T4R1(R 10+RW1)C1/ R5Tmin41210310000.1106/(22103)Tmin0.218(ms)Tmax412103(1000+20000)0.1106/(22103)Tmax=4.58(ms)則振蕩頻率為：fmax1/ Tmin1/0.21810-3=4.5(KHz)fmin1/ Tmax1/4.5810-3=218(Hz)調(diào)節(jié)RW1可使電路的頻率在200Hz3KHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，電路參數(shù)按此設(shè)定后其頻率范圍理論上近似滿足設(shè)計(jì)要求。3正弦波發(fā)生電路3.1參數(shù)選擇及計(jì)算第三級(jí)電路是二階有源低通濾波器，用于對(duì)第二級(jí)電路送來(lái)的信號(hào)U02進(jìn)行濾波。U02經(jīng)過(guò)第三級(jí)電路的濾波之后，變換成正弦波信號(hào)后由U03輸出。U03輸出信號(hào)的周期與U02輸出信號(hào)的周期相同。因?yàn)镽8=I.5 k,R9=5.1k，RW2=20 k所以U03RW2/( R8+ R9 )U02=20/6.6 U02=9.5(V)而第三級(jí)電路的上限截止頻率為：fH1/(2RC)上述公式中， R=6.6kC0.01FfH1/(23.146.61030.01106)2411(HZ)這說(shuō)明，第三級(jí)電路將阻止頻率高于2411HZ的信號(hào)通過(guò)。3.2原理圖4 Multisim軟件仿真4.1仿真電路圖4.2仿真頻率范圍4.3仿真波形方波三角波波形正弦波波形4.4 LM324芯片簡(jiǎn)介L(zhǎng)M324帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的電源下，靜態(tài)電流較小。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。LM324芯片的引腳排列如下圖所示：相關(guān)參數(shù)及描述運(yùn)放類型:低功率； 放大器數(shù)目:4； 針腳數(shù):14； 工作溫度范圍:0C to +70C； 增益帶寬:1.2MHz； 工作溫度最低:0C ； 工作溫度最高:70C； 額定電源電壓：+15V； 低偏置電流：最大100nA； 短路保護(hù)輸出； 真差動(dòng)輸入級(jí)； 具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ埽?輸入端具有靜電保護(hù)功能；電源范圍：?jiǎn)坞娫?V至32V電源或雙電源1.5V至16V；四 PCB布板五 實(shí)物安裝與調(diào)試1實(shí)物圖2測(cè)試的波形2.1測(cè)試的方波波形波形測(cè)試值頻率(Hz)峰-峰值（V）方波fmin=223.512.2fmax=3.848K12.22.2測(cè)試的三角波波形波形測(cè)試值頻率（Hz）峰-峰值（V）三角波fmin=219.97.04fmax=3.838k10.72.3測(cè)試的正弦波波形波形測(cè)試值頻率（Hz）峰-峰值(V)正弦波fmin=189.916.6fmax=3.546k10.6f=1k4.2821.03實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及與仿真對(duì)比由測(cè)試結(jié)果可知實(shí)際值與理論值、仿真結(jié)果近似相等，而實(shí)際值相對(duì)于仿真情況更加符合設(shè)計(jì)要求。仿真頻率范圍為209Hz2.9KHz而實(shí)際頻率在189HZ3.4KHz內(nèi)更符合要求的頻率范圍（200Hz3KHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)）；實(shí)際方波峰-峰值為12.2V，實(shí)際三角波峰-峰值為6.8V10.8V,實(shí)際正弦波峰-峰值為10.6V16.6V滿足設(shè)計(jì)要求的正弦波：Vpp10V；方波：Vpp14V；三角波：Vpp8V。六 設(shè)計(jì)總結(jié)在這次課程設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)反反復(fù)復(fù)的設(shè)計(jì)電路圖，在課本上找原理，運(yùn)用仿真軟件畫(huà)圖，仿真，驗(yàn)證電路是否正確，焊接實(shí)物電路，拆了重做，再驗(yàn)證再調(diào)試。我學(xué)會(huì)了怎樣去根據(jù)課題的要求去設(shè)計(jì)電路和調(diào)試電路。動(dòng)手能力得到很大的提高。在制作電路的過(guò)程中更是學(xué)到了許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如電路板的布線、元器件的識(shí)別和整機(jī)的調(diào)試等各方面的經(jīng)驗(yàn)。從中我發(fā)現(xiàn)自己并不能很好的熟練去使用我所學(xué)到的模電知識(shí)。在以后學(xué)習(xí)中我要加強(qiáng)對(duì)使用電路的設(shè)計(jì)和選用能力。通過(guò)這種綜合訓(xùn)練，我可以掌握電路設(shè)計(jì)的基本方法，提高動(dòng)手組織實(shí)驗(yàn)的基本技能，培養(yǎng)分析解決電路問(wèn)題的實(shí)際本領(lǐng)，為以后畢業(yè)設(shè)計(jì)和從事電子實(shí)驗(yàn)實(shí)際工作打下基礎(chǔ)。七 原件清單器件類型型號(hào)、參數(shù)數(shù)量備注電阻10014701112K11.5K15.1K110112K222K1電位器20K2瓷片電容10321041穩(wěn)壓二極管5.1V2集成芯片LM3241插槽14腳1