《集成运算放大器的应用》课程设计报告.docx
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《集成运算放大器的应用》
课程设计报告
专 业:
10通信工程
学 号:
100307012
姓 名:
指导教师:
日 期:
2012年6月6日
电子课程设计---集成运算放大器的应用
集成运放器是一种高增益直流放大、直流放大器既能放大变化极其缓慢的直流信号,下限频率可到零;又能放大交流信号,上限频率与普通放大器一样,受限于电路中的电容或电感等电抗性元器件。
集成运放和外部反馈网络相配置后,能够在它的输出和输入之间建立起种种特定的函数关系,故而称它为“运算”放大器。
本课程设计的基本目标:
使用一片通用四运放芯片LM324组成预设的电路,电路包括三角波产生器、加法器、滤波器、比较器四个设计模块,每个模块均采用一个运放及一定数目的电容、电阻搭建,通过理论计算分析,最终实现规定的电路要求。
目录
一、 设计任
务 4
1.三角波产生器 7
2.加法器 8
3.滤波器 9
4.比较器 9
5.正弦波产生器 10
二、电路设计及理论分析 10
三、电路仿真结果及分析 12
1.Uo1端口 12
2.Ui1端口 13
3.Ui2端口 13
4.Uo2端口 14
5.Uo3端口 14
四、实际波形 15
五、总结 17
1、设计任务
使用一片通用四运放芯片LM324组成电路框图见图1(a),实现下述功能:
使用低频信号源产生ui1=0.1sin2pf0t(V) f0=500Hz的正弦波信号,加至加法
器的输入端,加法器的另一输入端加入由自制振荡器产生的信号uo1,uo1 如
图1(b)所示,T1=0.5ms,允许T1有±5%的误差。
图中要求加法器的输出电压ui2=10ui1+uo1。
ui2经选频滤波器滤除uo1频率
分量,选出f0信号为uo2,uo2为峰峰值等于9V 的正弦信号,用示波器观察无明
显失真。
uo2信号再经比较器后在1kΩ负载上得到峰峰值为2V的输出电压uo3。
电源只能选用+12V和+5V两种单电源,由稳压电源供给。
不得使用额外电源和其它型号运算放大器。
要求预留ui1、ui2、uo2、uo2和uo3的测试端子。
正弦波信号源设计不受上面条件限制。
二、设计原理方案
LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM324的特点:
1、内部频率补偿
2、直流电压增益高(约100dB)
3、单位增益频带宽(约1MHz)
4、电源电压范围宽:
单电源(3—32V);
双电源(±1.5—±16V)
5、低功耗电流,适合于电池供电
6、低输入偏流
7、低输入失调电压和失调电流
8、共模输入电压范围宽,包括接地
9、差模输入电压范围宽,等于电源电压范围
10、输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)
LM324引脚图
LM324内部电路图
实验设备与器件
1、基本元件清单
LM324芯片、14脚插槽电阻47K 1个
0.56K 1个
10K 4个
100K 4
1K 5个
20K 1个
1M 1个
30k 2个
2k 1个
电位器 50K 1个
10K 5个
20K 1个
2K 3个
电容 10uF 6个
102 1个
104 4个
0.1uf 3个
10nf 2个
稳压管 in4732n 2个电路板1块
2、实验仪器
直流电源,双踪示波器,DDS函数信号发生器,数字万用表
1.三角波产生器
初始方案:
根据《模拟电子技术基础》书上的方波发生器产生方波,然后再采用微分电路
对信号处理,输出即为三角波。
图1.1
图中:
R1=6.8kW,R2=10kW,R3=30kW,R0=3.9kW,R4=10kW,R5=20kW,C=0.1mF,DZ1和DZ2采用稳压管。
运算放大器A1与R1、R2、R3及R0、DZ1、DZ2组成电压比较器。
当积分器的输入为方波时,输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波,比较器与积分器首尾相连形成闭环电路,能自动产生方波与三角波。
三角波(或方波)的频率为:
f=1=
T
R3
4R2R4C
改进方案:
由于LM324只有四个运算放大器,如果三角波产生使用两个,则后面的三个电
路中有一个无法实现,所以只能采用一个运算放大器产生。
同时由于器件不提供稳压二极管,所以电阻电容的参数必须设计合理,用直流电压源代替稳压管。
对方波放生电路进行分析发现,如果将输出端改接运放的负输入端,出来的波形近似为三角波。
设计电路如图1.2
图 1.2
2.加法器
方案:
由于加法器输出ui2=10ui1+uo1,所以采用求和运算电路,计算电阻电容的参数值,电路见图2.1
图 2.1
3.滤波器
由于正弦波信号ui1的频率为500Hz,三角波uo1的频率为2KHz,滤波器需要滤除
uo1,所以采用二阶的有缘带通滤波器。
见电路图3.1
4.比较器
图3.1
5.正弦波产生器
二、电路设计及理论分析
1.总电路图
2.三角波发生器
根据RC充放电过渡过程的分析,电容电压编号应符合下面公式
-Dt
et
UC=UC(¥)+[UC(0)-UC(¥)]
式中 UC(0)初始电压;UC(¥)充电终了电压;t充电时间常数。
解方程式可得
所以该电路振荡周期有R3
期。
T=2RC×ln(1+2R1)
R
3
2
,C和R1决定,改变这些元件参数可以调节方波的周
R2
由要求可知,电路的输出波形应为三角波,峰值为2V,振荡周期为0.5ms。
电路振荡周期为
3.加法器
T=2RCln(1+2R1)
R
3
2
加法器输入输出满足ui2=10ui1+uo1。
根据“虚短”和“虚断”的原则,节点的
电流方程为ui1+ui2=-uo
,所以输出的表达式为
R1 R2 Rf
u=-R
(ui1+ui2)
R
R
o f
1 2
4.滤波器
因为需要滤去三角波成分,所以选取的带通滤波器的中心频率f0=500Hz。
中心频率为f0
= 1 。
2pRC
5.滞回比较器
当集成运放的输出为+UOM时,通过正反馈支路加到同相输入端的电压为:
R1R1+R2
UOM
则同相输入端的合成电压为:
U+=
R1R1+R2
UOM
+ R2R1+R2
UREF
=UH(上门限电压) (7)
当ui由小到大,达到或大于上门限电压UH 的时刻,输出电压uo才从+UOM跃变到
-UOM,并保持不变。
此时,通过正反馈支路加到同相输入端的电压为:
- R1R1+R2
UOM
此时同相输入端的合成电压为:
U+=-
R1R1+R2
UOM
+ R2R1+R2
UREF
=UL(下门限电压)
6.正弦波发生器
R
3
由T=2RCln(1+2R1)
2
幅值利用电阻分压,和三角波发生电路相似。
三、电路仿真结果及分析
仿真结果如下:
1.Uo1端口
由仿真图可知,波形近似为三角波。
Um=2V,T=2KHz,波形稳定。
2.Ui1端口
因为由低频信号源产生,所以波形无失真。
Um=0.1V,T=500Hz
3.Ui2端口
与理论波形有一定的偏差,三角波与正弦波相加时,三角波波峰、波谷有失真。
4.Uo2端口
理论应为正弦波,可以看出经过滤波后,波形的波峰、波谷有失真,高频部分没有滤掉。
Um=9.34V略大于9V,T约为500Hz。
5.Uo3端口
可以看出近似为高低电平交替,在跳变过程中波形有失真。
四、实际波形
1.Uo1端口
2.Ui1端口
3.Ui2端口
4.Uo3端口
5.Uo2端口
五、总结
通过这次课程设计知道了理论与实际的差别,在理论上可以运行的东西到实际时要考虑的东西有很多,电路焊接要认真,元器件排列尽量整齐,杜绝虚焊,输出端将要接负载测试性能参数,所以也要制作好接口端,电路焊接时要注意用电安全,电烙铁通电时间长,发热大,要注意放置位置,不要被烫到身体。
通过这次课程设计,不仅对于模拟电子线路有了新的认识,对电子电路的专业知识得到了很大的提高,加深了理论与实际之间的联系,同时学习到了书本上没有的知识,如怎样运用软件搭建电路,如何结合理论计算的参数和实际仿真结果对电路的元件参数进行调整。
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