簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

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)；然后通過過零比較器能調(diào)出方波,并再次通過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程與方案2相同而正弦波則是通過折現(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)這說明，第三級(jí)電路將阻止頻率高于2411HZ的信號(hào)通過。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