基于运放的信号发生器.docx
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基于运放的信号发生器.docx
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基于运放的信号发生器
目 录
前言……………………………………………………………………………….2
任务书…….……………………………………………………………………….3
一设计思路与解决方法…………………………………………………………3
二基本原理及设计…….………………………………………………………...4
2.1经典振荡器部分………..…………………………………………………….5
2.2方波发生器部分….……..……………………………………………………6
2.3三角波发生器部分..……………..……………………………………………7
三实验装调过程…….……………………….……….…………………………..8
四实验结论………………………………………..………….…………………14
五心得体会……….…………………………………………..…………………14
六附录……………….………………………………………..…………………15
6.1元器件清单……….……………………………………….…………………15
6.2器件管脚图………………………………………………..…………………15
七总体电路图……………………………………………………………………16
前 言
电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性环节。
是在我们学习了《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》等课程的基础上进行的综合性训练,我们组这次训练的课题是“压控阶梯波发生器的设计与制作。
此次课程设计的课题是针对我们学习《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》这两门课程的基础上,并在其辅助下完成的。
此次进行的综合性训练,不仅培养了我如何合理运用课本中所学到的理论知识与实践紧密结合,独立解决实际问题的能力。
通过此次“电子技术课程设计”我们应达到以下的基本要求:
首先,综合运用电子技术课程中所学到的理论知识来独立完成此次设计课题,培养我们查阅手册和文献资料的良好习惯,以及培养我们独立分析和解决实际问题的能力。
其次,在学习了理论知识的基础上进一步熟悉常用电子器件的类型和特征,并掌握合理选用的原则。
再次,就是学会电子电路的安装与调试技能,以及与同组的组员的团结合作的精神。
最后,为了满足学生对电工、电子技术课程的实践需求,学校特地给我们提供了为期四周的课程设计时间,这门课程将电子技术基础理论与实际操作有机地联系起来,意在加深我们对所学理论课程的理解。
通过让我们运用已基本掌握的具有不同功能的单元电路的设计、安装和调试方法,在单元电路设计的基础上,设计出具有各种不同用途的电子装置。
深化所学理论知识,培养综合运用能力,增强独立分析与解决问题的能力。
训练培养严肃认真的工作作风和科学态度。
同时,它也培养我们查阅资料的能力和学生的工艺素质,培养我们的团队精神以及综合设计和实践能力。
就是培养我们严肃认真的工作作风和严谨的科学态度以及学会撰写课程设计报告,为以后毕业论文打好基础。
任务书
【实验名称】基于运放的信号发生器设计
【设计任务】本课题要求使用集成运算放大器制作正弦波发生器,在没有外加输入信号的情况下,依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电路。
经过波形变换可以产生同频三角波、方波信号。
【设计要求】
1、采用经典振荡电路,产生正弦信号,频率范围100Hz~10kHz
2、双电源供电
3、信号经过放大、驱动电路,可在1KΩ负载条件下:
(1)正弦波最大峰-峰值3V,幅值可调,谐波失真3%
(2)三角波最大峰-峰值5V,幅值可调,非线性失真小于2%
(3)方波最大峰峰值15V,幅值可调,方波上升时间小于2μs
【参考元器件】
1、运算放大器μA741,LM324
4、稳压管二极管
5、电阻电容电位器同轴电位器
一设计思路与解决方法
产生正弦波、方波、三角波的方案很多,这里我们采取了先产生正弦波,再经由整形电路将正弦波转换为方波,方波再经由积分器变为三角波。
设计要求①:
采用经典振荡电路,产生正弦信号,频率范围100Hz~10kHz
解决方案:
使用运算放大器LM324,组成由基本放大电路,选频网络,正反馈网络构成的经典振荡电路,产生自激振荡的正弦波。
使用同轴电位器,对信号的频率范围进行调节,使其在100Hz~10kHz时可产生幅值不变的正弦波。
设计要求②:
双电源供电
解决方案:
选取数电箱的两个15V电压输出,将第一组的+15V端接在LM324的4管脚(即运放器的Vcc端);第一组的-15V接在第二组的+15V端,再将第二组的+15V端接地;第二组的-15V端接在LM324的11管脚(即运放器的GND端)
设计要求③:
信号经过放大、驱动电路,可在1KΩ负载条件下:
(1)正弦波最大峰-峰值3V,幅值可调,谐波失真3%
(2)三角波最大峰-峰值5V,幅值可调,非线性失真小于2%
(3)方波最大峰峰值15V,幅值可调,方波上升时间小于2μs
解决方案:
(1)在正弦波发生器输出端加一电位器,调节反馈电阻的阻值,使正弦波的峰-峰值在3V
(2)在方波的输出端加一电位器,调节阻值,以其分压作用调节方波的峰-峰值。
同时对三角波的峰-峰值也有调节作用。
综上所述,电路应分为经典振荡器部分、方波转换波分和三角波转换部分。
选取的运算放大器为:
LM324
二.基本原理
原理框图如下:
2.1经典振荡器部分
经典振荡器部分由基本放大电路,选频网络,正反馈网络组成。
其中,基本放大电路作用:
使电路获得一定幅值的输出量;选频网络作用:
确定电路的振荡频率,保证电路产生正弦波振荡;正反馈网络作用:
在振荡电路中,当没有输入信号的情况下,输入正反馈信号作为输入信号。
一.实验原理
振荡电路有RC正弦波振荡电路、桥式振荡电路、移相式振荡电路和双T网络式振荡电路等多种形式。
其中应用最广泛的是RC桥式振荡电路,电路如图
1.电路分析
RC桥式振荡电路由RC串并联选频网络和同相放大电路组成,图中RC选频网络形成正反馈电路,决定振荡频率
、
、
形成负反馈回路,决定起振的幅值条件,
该电路的振荡频率,D1、D2为稳压管。
=
①
起振幅值条件
②
式中
,
为二极管的正向动态电阻
2.电路参数确定
(1)确定R、C值
根据设计所要求的振荡频率
,由式①先确定RC之积,即
RC=
③
为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻
和输出电阻
的影响,应使R满足下列关系式:
>>R>>
一般
约为几百千欧以上,而
仅为几百欧以下,初步选定R之后,由式③算出电容C的值,然后再算出R取值能否满足振荡频率的要求
(2)确定
、
电阻
和
应由起振的幅值条件来确定,由式②可知
≥2
通常取
=(2.1~2.5)
,这样既能保证起振,也不致产生严重的波形失真。
此外,为了减小输入失调电流和漂移的影响,电路还应满足直流平衡条件,即:
R=
//
(3)确定稳幅电路
通常的稳幅方法是利用
随输出电压振幅上升而下降的自动调节作用实现稳幅。
图①中稳幅电路由两只正反向并联的二极管
、
和电阻
并联组成,利用二极管正向动态电阻的非线性以实现稳幅,为了减小因二极管特性的非线性而引起的波形失真,在二极管两端并联小电阻
。
实验证明,取
≈
时,效果最佳。
2.2方波发生器部分
首先,我们应了解什么事积分电路和其作用。
积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。
积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波,还可将三角波转换为正弦波。
电路原理很简单,都是基于电容的冲放电原理。
电路的时间常数R*C,构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。
输出信号与输入信号的积分成正比的电路,称为积分电路。
原理:
从图得,Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时,Uc=Oo.随后C充电,由于RC≥Tk,充电
很慢,所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故
Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫Uidt
这就是输出Uo正比于输入Ui的积分(∫Uidt)电路的积分条件:
RC≥Tk
2.3三角波发生器部分
原理图如下:
三.实验装调过程
Multisim2001仿真电路图:
然后按照电路原理图连线。
对每个模块可以分别连线然后分别检查。
确定各个模块功能无误之后再对各模块连接以检查模块间的匹配问题。
(1)经典振荡电路实际出来的正弦波:
由于理论与实际的差别,实际的波形实践起来效果并不理想,比如振荡频率不高及停振等,尤其是在使用LM324制作振荡器时波形出现严重失真。
所以在接连电路前,我们组查阅资料,整理出了常见的正弦波失真问题及解决方法:
1削波失真:
该种失真的明显特点是波形顶部变得平直。
波形的幅度很大,接近电源电压。
造成这种失真的原因,大多是反馈电阻值过大,使电路的增益过大,致使输出电压峰值太大,严重时会随着反馈电阻值的增大,输出波形将变得极像方波。
解决这种失真的方法:
减小反馈网络的总电阻而过分地减小又将使电路不能起振,因此它的大小非常关键,在不确定电阻值大小的情况下,可先使用电位器代替,通过细调电位器,将波形调到一个最好效果即可。
2停振现象:
在实际制作中,由于元器件本身的质量和精度问题,也会使振荡器的制作效果大打折扣在电路中,我们需要调节同轴双联电位器来改变输出正弦波的频率。
顾名思义,双联同轴电位器是由两个电位器组成,通过调节同一个轴达到同步调节两个电阻值的目的器件。
但在实际中,我们发现,双联同轴电位器的两个电阻值并不能时刻保持相等,而是有一个差值,有时候这个差值很大,可达数干欧姆。
差值的存在造成了振荡器在高频时出现停振现象,也就是说。
振荡器的输出信号不能达到较高的频率。
在这种情况下,我们当然可以更换精度和质量更好的双联同轴电位器来解决。
但为节省成本,我们在实践中发现,如果用两个小、电阻分别与双联同轴电位器的两个可变电阻串联,停振问趣即可得蓟狼好的解决,从而使得振荡器的频率得到显著提高。
③“刺突状”失真:
这种失真是在使用集成运放LM324制作正弦波振荡器时无法避免的棘手问题。
一个简单有效的解决办法是,用一只适当阻值的电阻连接在输出端与负电源v之间,这样可以改善输出端波形的失真,而且随着频率的改变信号的幅度基本稳定。
④稳幅:
由于Uo与Uf具有良好的线性关系,所以为了稳定输出电压的幅度。
一般在电路中加入非线性环节。
这里.在回路串联两个反向并联的二极管,利用电流增大时二极管动态电阻减少的特点。
加入非线性环节。
从而使输出电压稳定。
正弦波实际输出波形:
减小TIME/DIV可看见有明显的“刺突失真”
我们在输出端与负电源v之间用一只1kΩ阻值的电阻连接,得到了有效的改善。
如图:
峰-峰值为2.86V,且幅值可调。
(2)正弦波经积分器后出来的方波:
峰-峰值为12V,幅值可调。
(3)方波经积分器后出来的三角波:
峰-峰值为4.96V,且幅值可调
我们发现调节同轴电位器时,正弦波的幅值可以保持不变,但频率范围在303.67Hz~10.887kHz。
由于f=1/(2πRC),电容增大可以达到小频率。
于是我们采用了分段变频的方法:
100Hz~300Hz段,经典振荡器部分的两个电容选取104—100nF
300Hz~10kHz段,经典振荡器部分的两个电容选取103—10nF
事实验证,改善后的电路可以达到要求的频率范围:
正弦波:
99.46Hz
正弦波:
10.539kHz
四.实验结论
一、频率为725.56Hz时:
正弦波达到最大峰-峰值为3.00V。
方波最大峰-峰值为13.56V
三角波最大峰-峰值为4.96V
二、10nF电容下频率调节范围:
298.54Hz~10.988kHz
100nF电容下频率调节范围:
78.33Hz~334.44Hz
五.心得体会
此处省略n个字
六.附录
6.1元器件清单
数电试验箱1个
面包板1个
二极管2参数为:
运算放大器3个:
LM324一个。
μA741两个(LM324为四集单运放,本来一片LM324就足够了,但是我们的LM324由于操作不慎管脚折了几根,只剩下一组运放可是使用,故用μA741代替)
电容:
5个10nF×2、100nF×2、300nF×1
电阻8个:
10kΩ×3、4.7kΩ×2、100kΩ×1、9.1kΩ×1、2kΩ×1
电位器3个:
50kΩ电位器×2、同轴电位器×1
6.2器件管脚图
LM324管脚图μA741管脚图
七.总体电路
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