2011年全国大学生电子设计竞赛综合测评题报告

《电子线路设计》课程设计报告集成运算放大器设计专业班级14通信工程1班学生姓名廖俊亮学生学号201430110008序号4集成运算放大器设计[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................................................................................................................1二、设计方案................................................................................................................22.加法器.................................................................................................................33.滤波器.................................................................................................................44.比较器.................................................................................................................6三、电路设计及理论分析............................................................................................71.三角波发生器.....................................................................................................72.加法器.................................................................................................................93.低通滤波器.......................................................................................................104.滞回比较器.......................................................................................................11四、电路实际结果及分析..........................................................................................121.三角波发生器...................................................................................................122.加法器...............................................................................................................123.滤波器...............................................................................................................134.比较器...............................................................................................................135.电路整体图.......................................................................................................14五、总结......................................................................................................................151.心得...................................................................................................................15六、参考文献..............................................................................................................161一、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)(2sin1.001VtfuiπHzf5000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1ou,1ou如图1（b）所示,1T=0.5ms，允许1T有±5%的误差。图图中要求加法器的输出电压11210oiiuuu;2iu经选频滤波器滤除1ou频率分量，选出of信号为2ou,2ou为峰峰值等于9V的正弦信号，用示波器观察无明显失真。2ou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3ou。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2iu、2ou、1ou和3ou的测试端子。2二、设计方案设计有五个部分，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①RP1与R1构成滞回比较器门限为±UT=Uo[R1/(R1+RP1)]=±2V来限定三角波的幅值；②RP2与C1构成RC充电电路，利用RC充电电路时间常数τ=RP1·C1，再利用一阶RC电路的三要素法就可以求得，三角波发生电路的振荡周期T=2RP2·C1ln(1+2R1/RP1);注：从振荡周期T中可以看出调节幅度会影响频率，而调节频率不会影响幅度，所以我们是先调节幅度后再调节频率；32.加法器①此电路为反相求和电路Ui2=-R4(Uo1/R2+Ui1/R3)代入电路参数Ui2=-(10Ui1+Uo1)②R5和R6构成补偿电阻。40000(0)22()(0)22TAAttTxtTAAttT≤≤≤≤3.滤波器①三角波的傅里叶级数在()xt的一个周期中，()xt可表示为由于()xt为偶函数，故正弦分量-T0/2T0/2Atx(t)5幅值0nb，常值分量而余弦分量幅值为000/2/200/200002222222222()cosd2()cosd41,3,5,24(cos1)sin202,4,6,TTnTAaxtnttAtnttTTTAnnAAnnnnnLL展开式为000222411()(coscos3cos5)235AAxttttL因为题目要求产生的是ω=2πf=4kπ也就是说2kHz的三角波小于2k处没有频率分量，我们可以用500Hz的低通滤波器也可以用500Hz的带通滤波器；②滤波器的设计设计指标：500Hz的放大倍数为（1V→4.5V）4.5倍，过渡带的斜率（我们这里用的是二阶低通滤波器）-40dB/十倍频，也就是说在2k处是衰减到原来的1/40；我们采用压控电压源型滤波器（VCVS）在500Hz处引入正反馈，使电压可以放00/200/200111()22TTAaxtdtTATT6大，电压的放大倍数由RP3控制。4.比较器①如果不用滞回比较器，就会出现左图的情况，出现窄脉冲；②用了±3V的滞回比较器后窄脉冲消失7三、电路设计及理论分析1.三角波发生器根据RC充放电过渡过程的分析，电容电压编号应符合下面公式(三要素法)teCCCCUUUU)()0()(式中)0(CU初始电压；)(CU充电终了电压；充电时间常数。解方程式可得)21ln(2213RRCRT所以该电路振荡周期有3R，C和21RR决定，改变这些元件参数可以调节方波的周期。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)21ln(2213RRCRT在电路中2R是1RP，我们取1R=10k，峰值为2V，Vcc=6V，TU=1/3Vcc所以1RP=0~50k就可以了。C我们选104(0.1nF)，振荡周期为0.5ms，根据)21ln(2213RRCRT，取2R=30k，可以算去3R=0~5K。8理论波形为92.加法器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foiiRuRuRu2211，所以输出的表达式为)(2211RuRuRUiifo计算取R3=1KΩ，R2=10KΩ,Rf=10KΩ，补偿电阻为R2//R3三角波和正弦波经过加法电路后理论波形为103.低通滤波器低通滤波器的截止上限频率of=500Hz，根据压控电压型低通滤波器的设计参数可得R8，R7=75K，C2=103，C3=102；R9=10k，RP3为电压(500Hz处)的放大倍数。114.滞回比较器门限设置为3V，比较取来是是一个不等脉宽的方波。12四、电路实际结果及分析1.三角波发生器2.加法器133.滤波器4.比较器145.电路整体图15五、总结1.心得在本次课设中，我主要负责电路图的仿真以及元件参数的检测，也有作为辅助参与到前期焊接过程中。这次电子线路设计为期一周，但由于我们知识上存有短板，效率不够高，所以出成品的时间一拖再拖，在此表示诚挚的歉意。电子线路设计是在几周前开课的，课程设计是函数发生器。上课时，我们发现，滤波器是一大难点。由于电路基础不过关，一开始并不能看懂电路。另一方面，对巴特沃斯、切比雪夫等滤波器类型，我们也是一窍不通的，只是简单理解它是低通的。在仿真时，我们选了102、103、104电容，后来由于当时材料限制，部分电容没有按仿真图去设置电容值，这多少对我们的调试结果造成影响。另外一个让我大开眼界的就是单电源转双电源，通过设置GND参考点从而使+12V转成正负6V，这是电路课讲结点时提到过的，然而真正实践还是第一次，第一次做这个尝试，感觉还是挺新鲜的。虽然最后仍因为材料不足而停留在仿真成功阶段，但能通过电路仿真巩固电路旧知识，何尝不是一种收获？回想上一年，也是挺巧的。上一年，我们小组做的也是函数发生器，不过那时候，我们设计的电路并没有滤波功