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2011年全国大学生电子设计竞赛综合测评题论文报告


放大器的应用

[摘要]集成运放裨上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。

[关键词]运算放大器 LM324、加法器、滤波器、比较器

目录
一、 设计任务........................................................................................... 3 二、 设计方案及比较 .............................................................................. 4 1. 三角波产生器 ................................................................................ 4 2. 加法器............................................................................................. 5 3. 滤波器............................................................................................. 5 4. 比较器............................................................................................. 7 三、 电路设计及理论分析 ...................................................................... 7 四、 电路仿真结果及分析 .................................................................... 12 1. Uo1 端口 ........................................................................................... 12 2. U i1 端口 ............................................................................................ 13 3. Ui 2 端口 ........................................................................................... 13 4. Uo2 端口 ........................................................................................... 14 5. Uo3 端口 ........................................................................................... 14 五、 总结................................................................................................. 15

一、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 ? 0.1sin2?f0t (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 ui 2 ? 10ui1 ? uo1 。ui 2 经选频滤波器滤除 uo1 频率分 量,选出 f 0 信号为 uo 2 , uo 2 为峰峰值等于9V 的正弦信号,用示波器观察无明显失 真。 uo 2 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 u i1 、 ui 2 、 uo 2 、 uo 2 和 uo3 的测试端子。

二、设计方案及比较
设计有五个部分,其中低频信号源使用信号发生器,其余四部分设计方案如下:

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: 1 = 6.8k?, 2 = 10k?, 3 = 30k?, 0 = 3.9k?, 4 = 10k?, 5 = 20k?, R R R R R R C = 0.1?F, 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 ?

R3 1 ? T 4R2 R4 C

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 ui 2 ? 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

初始方案: 由于正弦波信号 u i1 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低通滤波器。见电路图 3.1

图 3.1

改进方案: 根据仿真的波形看出电路对 2KHz 的信号衰减不大, 导致输出信号中仍然残留的 有三角波成分,波形失真较严重。考虑要增大对三角波的衰减程度,而且要已知 三角波的频率为 2KHz, 所以采用中心频率为 2KHz 的带阻滤波器。 电路见图 3.2

图 3.2

4.比较器 初始方案: 采用一般的单限比较器,见电路图 4.1

图 4.1

改进方案: 在单限比较器中, 输入电压在阀值电压附近的任何微小变化,都将引起输出电压 的跃变,不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰,抗干扰能力差.所 以采用滞回比较器。见图 3.2

图 3.2

三、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
U C ? U C (?) ? [U C (0) ? U C (?)]e
?t

?

式中 UC(0)初始电压; UC (?) 充电终了电压; ? 充电时间常数。 解方程式可得
T ? 2 R3C ? ln(1 ? 2 R1 ) R2

所以该电路振荡周期有 R3 ,C 和

R1 决定,改变这些元件参数可以调节方波的周 R2

期。 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
T ? 2 R 3 C ln(1 ? 2 R1 ) R2

经过计算 R3=10KΩ ,R2=1.75KΩ ,R1=1KΩ ,C=30.2nF 理论波形为

3.加法器 加法器输入输出满足 ui 2 ? 10ui1 ? uo1 。根据“虚短”和“虚断”的原则,节点的 电流方程为

ui1 ui 2 u ? ? ? o ,所以输出的表达式为 R1 R2 Rf
uo ? ? R f ( ui1 ui 2 ? ) R1 R2

计算取 R1=1KΩ ,R2=10KΩ ,Rf=10KΩ . 三角波和正弦波经过加法电路后理论波形为

4.带阻滤波器 因为需要滤去三角波成分,所以选取的带阻滤波器的中心频率 f0=2KHz。 1 中心频率为 f 0 ? ,计算得 R=79.6Ω ,C=1uF。 2?RC 理论上对于 2KHz 的信号衰减程度最大,其他频率几乎不衰减。 信号为 500Hz,5V 时

信号为 2KHz,5V 时

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:

R1 U OM R1 ? R2
则同相输入端的合成电压为:

U? ?

R1 R2 U OM ? U REF = UH(上门限电压) R1 ? R2 R1 ? R2

(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:

?

R1 U OM R1 ? R2

此时同相输入端的合成电压为:

U? ? ?
理论波形为

R1 R2 U OM ? U REF = UL(下门限电压) R1 ? R2 R1 ? R2

四、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. U i1 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. Ui 2 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,部分部分由于不稳定 信号产生毛刺。

五、总结
1.电源提供的电压对波形的影响: 波形幅度变化必须在电源提供的电压范围之内,若不在,则底部或顶部会出现失 真,因此采用+12V电源而不用+5V。 2.单电源和双电源的区别及其对电路的影响: 运放采用单电源供电时, 加法电路、 滤波电路不能工作, 必须采用双电源式供电, 正极4接+12V,负极11反接+12到地。 模块与模块之间的链接存在相互影响。 3、模块与模块之间的链接存在相互影响: 虽然单个模块运行仿真成功, 但是连接为整个的电路图时,各功能模块的波形会 受到其他模块的影响, 失真交严重。处理办法是在各模块之间加入耦合电容或电 容电阻组成的低通网路作为接口电路。 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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