集成运算放大器的应用实验报告

集成运算放大器的应用实验报告【摘要】：本题目关于放大器设计的基本目标：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。【关键字】：运算放大器LM324、三角波信号发生器、加法器、滤波器、比较器一、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，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。（a）（b）图中要求加法器的输出电压ui2=10ui1+uo1。ui2经选频滤波器滤除uo1频率分量，选出f0信号为uo2，uo2为峰峰值等于9V的正弦信号，用示波器观察无明显失真。uo2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ui1、ui2、uo1、uo2和uo3的测试端子。二、设计方案1、三角波发生器由于用方波发生器产生方波，再经过积分电路电路产生三角波需要运用两个运算放大器，而LM324只有四个运算放大器，每个电路运用一个，所以只能用一个运算放大器产生三角波。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。电路仿真如下图所示：2、加法器由于加法器输出11210oiiuuu，根据《模拟电子技术》书上内容采用求和电路，电路如下所示：3、滤波器由于正弦波信号1iu的频率为500Hz，三角波1ou的频率为2KHz，滤波器需要滤除1ou，所以采用二阶的有源低通滤波器。电路仿真如下图：4、比较器由于单门限电压比较器的抗干扰能力差，所以采用迟滞比较器，电路仿真如图所示：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t-e)]()0([)(CCCCUUUU式中UC(0)初始电压；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，C和决定，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3、加法器：加法器输入输出满足。根据“虚短”和“虚断”的原则，节点的电流方程为，所以输出的表达式为)(2211RuRuRuiifo正弦波和三角波经过加法器后的理论波形如图所示：另外，本实验采用单电源供电，故用电阻分压：4、滤波器：需要滤除高频率的三角波，得到低频率的正弦波，设计的低通滤波器的截止频率RCf210。经过计算，电路仿真图中的阻值和容值为最佳匹配。仿真结果如下：5、电压比较器：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：OMURRR211则同相输入端的合成电压为：REFOMURRRURRRU212211=UH（上门限电压）（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：OMURRR211此时同相输入端的合成电压为：REFOMURRRURRRU212211=UL（下门限电压）理论波形如图所示：四、总结此次实验过程中，主要遇到了以下几个问题，通过此次实验学习中，受益匪浅。此次实验难点在于题目中只许用+12v和+5v，只能进行单电源给LM324供电，而非双电源，所以采用分压电路方式，将双电源供电改为单电源供电。开始进行三角波信号发生器电路选择时，原始方案选择电容充放电产生三角波，但电容充放电时间难以控制，产生三角波达不到题目中要求，故改变方案。改变后的方案，连接完电路后，没有输出，仔细检查发现线路连接有错误，重新连接完，三角波产生，连接线路要仔细。进行加法器电路选择时，我们在输入前和输出后都加上电容，滤掉交流部分，这样可以减少其他干扰，使电路更加完善。实验中示波器中显示如下，其中黄色显示是三角波输出，蓝色显示是加法器中三角波和正弦波的加输出：在进行滤波电路选择时，由于开始选择的电容电阻不恰当，将三角波没有滤干净，使电路所含三角波部分太多，进行多次改变阻值，考虑理论与连接电路之间的差距，在仿真中反馈电阻采用78k欧姆电阻，但在实际连接电路时，反馈电阻采用78k欧姆和24k欧姆电阻串联，才可产生振幅为9V的正弦波，将仿真中78k欧姆电阻换成102k欧姆电阻时，仿真出现如图问题：此问题即为仿真与实际之间的差距导致。最后将滤波电路连接完成。实验中示波器中显示如下，其中黄色为滤波后的输出，蓝色是比较器中三角波河滤完波后的正弦波输出。