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1、大連海事大學(xué)電子線路課程設(shè)計題目:函數(shù)波形發(fā)生器專業(yè)班級:電子信息工程四班姓名:褚明笛學(xué)號:2220132198指導(dǎo)老師:張雅楠時間:基于LM324的簡易波形發(fā)生器在電子系統(tǒng)中,經(jīng)常要使用到方波、三角波等波形的波形信號產(chǎn)生電路,常用于產(chǎn)生各種電子信號,完成電子系統(tǒng)間的通信以及自動測量和自動控制等系統(tǒng)中。本系統(tǒng)采用LM324集成運放芯片,外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波,構(gòu)成簡易波形發(fā)生器。該波形發(fā)生器具有效率高、體積小、重量輕,輸出穩(wěn)定,能產(chǎn)生方波、三角波和正弦波等電子信號,可以作為其它電子系統(tǒng)的信號發(fā)生模塊電路。目錄1 方案設(shè)計與論證11.1 方案111.2 方案212 系統(tǒng)設(shè)計12.1 L
2、M324芯片簡介12.2 電路組成和工作原理22.3 電路設(shè)計與計算33 系統(tǒng)測試53.1 測試工具53.2數(shù)據(jù)測試與結(jié)果分析53.3 測試結(jié)論54 設(shè)計結(jié)論7參考文獻(xiàn)7II1 方案設(shè)計與論證1.1 方案1采用ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片外加電阻、電容元件,構(gòu)成波形發(fā)生電路。ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片是一種多用途的波形發(fā)生器芯片,它可以用來產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波。它的振蕩頻率可以通過外加的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),是一種壓控集成函數(shù)信號發(fā)生器。雖然ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器的功能強(qiáng)大,但是它的價格昂貴,而且市面上也較難買到。如果用ICL8038芯片來制作簡易波形發(fā)生器
3、系統(tǒng),則會大大增加系統(tǒng)的制作成本。1.2 方案2采用LM324集成運放芯片,外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波,構(gòu)成簡易波形發(fā)生器。LM324是一種集成運算放大器芯片,它的內(nèi)部有四個獨立的運算放大器。根據(jù)所學(xué)的知識,運算放大器可以構(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。而且LM324集成運放芯片價格低廉,又很容易買到,可以降低電路的制作成本?;谶@種考慮,方案2被選用。2 系統(tǒng)設(shè)計2.1 LM324芯片簡介LM324是四運放集成電路,它采用14腳雙列直插
4、塑料封裝(DIP14),外形如圖1所示:圖1 LM324外型圖片它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器,除電源共用外,四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖2所示的符號來表示:圖2 LM324內(nèi)部的運放單元在電路中的符號它有5 個引出腳,其中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端,“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-(-)為反相輸入端,表示運放輸出端Vo 的信號與該輸入端的相位相反;Vi+(+)為同相輸入端,表示運放輸出端Vo 的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖3:圖3 LM324引腳排列圖由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功
5、耗小,可單電源使用,價格低廉等優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。2.2 電路組成和工作原理根據(jù)要實現(xiàn)的功能,設(shè)計的電路系統(tǒng)框圖如下圖所示:電 源滯回比較器積分器二階有源低通濾波器方 波三角波正弦波 波圖4 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)采用12V雙電源供電,主體部分由LM324集成運放芯片構(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,方波信號經(jīng)過積分器后產(chǎn)生三角波信號。三角波信號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。使用時可以在電路系統(tǒng)的不同輸出點得到不同的波形信號。2.3 電路設(shè)計與計算根據(jù)系統(tǒng)框圖,設(shè)計的電路如
6、下圖所示:圖5 系統(tǒng)電路原理圖(1)圖6 系統(tǒng)電路原理圖(2)由圖6可以看出,電路分為三級,即由運算放大器構(gòu)成的滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器。UO1、UO2、UO3是電路的三個輸出端,分別輸出方波、三角波和正弦波。電路的第一級是一個滯回比較器,用于輸出方波。它輸出電壓的幅度由穩(wěn)壓管ZD1、ZD2共同決定。設(shè)計中,ZD1、ZD2均選用4.7V的穩(wěn)壓二極管,則它們的穩(wěn)壓幅度UZ為: +UZ 4.70.75.4(V)其中,0.7V為二極管ZD1正向?qū)〞r的管壓降。-UZ -(4.70.7)-5.4(V)其中,0.7V為二極管ZD2正向?qū)〞r的管壓降。所以,UO1UZ5.4(V)電路的第二級
7、是一個積分器,用于輸出三角波。當(dāng)電路的第一級輸出的方波信號UO1送入該級電路后,由該級電路對信號進(jìn)行積分變換以后,產(chǎn)生三角波信號UO2。UO2分成兩路,一路輸入第三級電路,另一路反饋回滯回比較器,作為滯回比較器的VREF。第二級電路的輸出電壓幅度為:+UO2R1/R2UZ+ UZ5.4(V)-UO2-(R1/R2UZ)- UZ-5.4(V)即第二級電路的輸出電壓幅度和第一級電路的輸出電壓幅度相同。第一級電路和第二級電路的振蕩周期相同,可以由以下的公式求得:T4R1R4C1/ R2T420103121030.1106/(20103) T4.80(mS)則振蕩頻率為:f1/T1/4.8103208
8、.33(Hz)第三級電路是二階有源低通濾波器,用于對第二級電路送來的信號UO2進(jìn)行濾波。UO2經(jīng)過第三級電路的濾波之后,變換成正弦波信號后由UO3輸出。UO3輸出信號的周期與UO2輸出信號的周期相同。根據(jù)集成運算放大器的工作原理,集成運算放大器的兩反向輸入端“虛短”,即兩反向輸入端的電壓相等。所以在第三級電路中,運放的第9引腳和第10引腳的電位相等。又因為R8、R9電阻的阻值相等,所以UO3的輸出電壓的幅度是UO2的兩倍。即:UO32UO22UZ10.8(V)而第三級電路的上限截止頻率為:fH1/(2RC)上述公式中,RR6R73.9(k)CC2C30.1(F)fH1/(23.143.9103
9、0.1106)408.30(HZ)這說明,第三級電路將阻止頻率高于408.30HZ的信號通過。3 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)測試與結(jié)果分析 將做好的電路系統(tǒng)的地線端接到電源的地電位端,正、負(fù)電源端分別接到電源的12V接線端上。注意電源的極性不要接反。將示波器調(diào)于2V/1mS和5V/1mS處,用示波器的探頭分別測試電路的UO1、UO2、UO3處,觀察電路的輸出波形。測得的數(shù)據(jù)如下表所示:表2 測試數(shù)據(jù)1被測項目峰-峰值VP-P(V)周期T(mS)頻率f(Hz)被測端口理論值實際值理論值實際值理論值實際值UO110.8010.804.804.50208.30222.20UO210.8010.804.804.50
10、208.30222.20UO321.6021.804.804.50208.30222.20根據(jù)示波器的測試波形如下圖所示:圖7 輸出波形在電路中斷開LM324第七腳與R6的接線,觀測二階有源低通濾波器的輸出UO3,從而觀測電路的上限截止頻率fH。測得的數(shù)據(jù)如下表所示:表3 測試數(shù)據(jù)2輸入電壓幅度VIP-P(V)輸入電壓頻率f(Hz)輸出電壓幅度VOP-P(V)4.00100.678.20150.488.60200.019.20300.4610.40350.8411.00459.9910.40574.367.80600.806.20800.903.401000.002.20從測試的結(jié)果可以得出電路的截止頻率fH為574.36Hz,這與理論計算值408.3HZ相差較大。由上述的測試數(shù)據(jù)可以看出,在未斷開LM324第七腳與R6的接線時,輸出電壓和頻率的理論計算值與實際測量值的誤差不是很大。這證明前兩級電路的設(shè)計和制作基本上是成功的。但在單獨測量第三級二階有源低通濾波電路時,測試得到的結(jié)果就與理論計算值相差較大。分析其結(jié)果,可能是由這幾個原因造成的:電路中的電容使用的是瓷片電容,它的標(biāo)稱值與實際值誤差較大;電路中的電阻等
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