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采用ICL8038集成函数信号发生器芯片外加电阻、电容元件,构成波形发生电路。
ICL8038集成函数信号发生器芯片是一种多用途的波形发生器芯片,它可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。
它的振荡频率可以通过外加的直流电压进行调节,是一种压控集成函数信号发生器。
虽然ICL8038集成函数信号发生器的功能强大,但是它的价格昂贵,而且市面上也较难买到。
如果用ICL8038芯片来制作简易波形发生器系统,则会大大增加系统的制作成本。
1.2方案2
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,又很容易买到,可以降低电路的制作成本。
基于这种考虑,方案2被选用。
2系统设计
2.1LM324芯片简介
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装(DIP14),外形如图1所示:
图1LM324外型图片
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图2所示的符号来表示:
图2LM324内部的运放单元在电路中的符号
它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;
Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图3:
图3LM324引脚排列图
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。
2.2电路组成和工作原理
根据要实现的功能,设计的电路系统框图如下图所示:
图4系统框图
系统采用±
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。
2.3电路设计与计算
根据系统框图,设计的电路如下图所示:
图5系统电路原理图
(1)
图6系统电路原理图
(2)
由图6可以看出,电路分为三级,即由运算放大器构成的滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器。
UO1、UO2、UO3是电路的三个输出端,分别输出方波、三角波和正弦波。
电路的第一级是一个滞回比较器,用于输出方波。
它输出电压的幅度由稳压管ZD1、ZD2共同决定。
设计中,ZD1、ZD2均选用4.7V的稳压二极管,则它们的稳压幅度UZ为:
+UZ=4.7+0.7=5.4(V)
其中,0.7V为二极管ZD1正向导通时的管压降。
-UZ=-(4.7+0.7)=-5.4(V)
其中,0.7V为二极管ZD2正向导通时的管压降。
所以,
UO1=±
UZ=±
5.4(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UO1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UO2。
UO2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。
第二级电路的输出电压幅度为:
+UO2=R1/R2UZ=+UZ=5.4(V)
-UO2=-(R1/R2UZ)=-UZ=-5.4(V)
即第二级电路的输出电压幅度和第一级电路的输出电压幅度相同。
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:
T=4R1R4C1/R2
T=4×
20×
103×
12×
0.1×
10-6/(20×
103)
T=4.80(mS)
则振荡频率为:
f=1/T=1/4.8×
103=208.33(Hz)
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UO2进行滤波。
UO2经过第三级电路的滤波之后,变换成正弦波信号后由UO3输出。
UO3输出信号的周期与UO2输出信号的周期相同。
根据集成运算放大器的工作原理,集成运算放大器的两反向输入端“虚短”,即两反向输入端的电压相等。
所以在第三级电路中,运放的第9引脚和第10引脚的电位相等。
又因为R8、R9电阻的阻值相等,所以UO3的输出电压的幅度是UO2的两倍。
即:
UO3=2UO2=2UZ=±
10.8(V)
而第三级电路的上限截止频率为:
fH=1/(2πRC)
上述公式中,
R=R6=R7=3.9(kΩ)
C=C2=C3=0.1(μF)
fH=1/(2×
3.14×
3.9×
10-6)=408.30(HZ)
这说明,第三级电路将阻止频率高于408.30HZ的信号通过。
3系统测试
3.1测试工具
测试时所用到的工具如下表所示:
表1测试工具
序号
名称
型号
数量
1
万用表
GDM-8135
2
直流稳压电源
QJ3003S
3
数字示波器
EDU5022S
4
函数信号发生器/计数器
SP1641B
3.2数据测试与结果分析
将做好的电路系统的地线端接到电源的地电位端,正、负电源端分别接到电源的±
12V接线端上。
注意电源的极性不要接反。
将示波器调于2V/1mS和5V/1mS处,用示波器的探头分别测试电路的UO1、UO2、UO3处,观察电路的输出波形。
测得的数据如下表所示:
表2测试数据1
被测项目
峰-峰值VP-P(V)
周期T(mS)
频率f(Hz)
被测端口
理论值
实际值
UO1
10.80
4.80
4.50
208.30
222.20
UO2
UO3
21.60
21.80
根据示波器的测试波形如下图所示:
图7输出波形
在电路中断开LM324第七脚与R6的接线,观测二阶有源低通滤波器
的输出UO3,从而观测电路的上限截止频率fH。
表3测试数据2
输入电压幅度VIP-P(V)
输入电压频率f(Hz)
输出电压幅度VOP-P(V)
4.00
100.67
8.20
150.48
8.60
200.01
9.20
300.46
10.40
350.84
11.00
459.99
574.36
7.80
600.80
6.20
800.90
3.40
1000.00
2.20
从测试的结果可以得出电路的截止频率fH为574.36Hz,这与理论计算值408.3HZ相差较大。
由上述的测试数据可以看出,在未断开LM324第七脚与R6的接线时,输出电压和频率的理论计算值与实际测量值的误差不是很大。
这证明前两级电路的设计和制作基本上是成功的。
但在单独测量第三级二阶有源低通滤波电路时,测试得到的结果就与理论计算值相差较大。
分析其结果,可能是由这几个原因造成的:
电路中的电容使用的是瓷片电容,它的标称值与实际值误差较大;
电路中的电阻等其它器件可能也存在着一定的误差;
外界环境中存在着电磁干扰,也可能对测试结果产生一定的影响。
3.3测试结论
经测试,电路的前两级的设计基本上符合设计的要求,但电路的第三级的误差较大。
误差可能是由元器件的误差和外界的干扰引起的。
为了减少误差,可以在电路的设计时选用精度更高的器件,并对电路做电磁屏蔽处理,以进一步改善电路的性能,减小电路的误差。
4设计结论
本系统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。
该电路基本达到了竞赛题目中要求的各项任务和功能,并且具有一定的实用性。
通过本次设计,加强了自己的理论水平,提高了自己的动手能力。
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。
学到了许多课本上没有的知识,得到了很大的锻炼。
参考文献
1.康华光.电子技术基础(模拟部分).高等教育出版社,2003.03.
2.胡宴如.模拟电子技术.高等教育出版社,2000.08.
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