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基于四运放LM324的模拟电子设计综合训练2013年12月17日低频信号源三角波产生器加法器滤波器比较器Ui1=0.1sin(2πf0t)Vf0=500HzUi1Uo1Ui2Uo2VPP=9VT1=0.5msUo3VPP=2VUo1/Vt2-2综合训练题目：使用一片四运放芯片LM324组成电路框图，实现下述功能：使用低频率信号源10.1sin2ioUftV，500fHz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自制振荡器产生的信号1oU，10.5Tms，允许1T有5%的误差。要求加法器的输出电压21110iioUUU。2iU经过选频滤波器滤除1oU的频率分量，选出of信号为2oU，2oU的峰峰值等于9V的正弦信号，用示波器观察无明显失真，2oU信号再经比较器在1k负载上得到峰峰值为2V的输出电压3oU。电源只能使用12V和5V两种单电源，有稳压电源供给。不得使用额外电源和其它型号的运算放大器。要求预留1iU、2iU、1oU、2oU和3oU的测试端子。从题目所给框图和要求可以看出，实际电路由四个模块构成，每个模块仅能用一个运算放大器。题目分析与LM324简介：LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。LM324有相位补偿电路，电路功耗很小，工作电压范围宽，可用正电源3~30V，或正负电源±1.5~±15V工作。输入电压可以低到地电位，而输出电压范围为0~Vcc。每一组运算放大器可用右图所示符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见右图。其特点为：短跑保护输出；真差动输入级；可单电源工作：3V~32V；低偏置电流：最大100nA；每封装含四个运算放大器；具有内部补偿的功能。AV+V-VoVi-Vi+反相输入端同相输入端输出端LM324内部运放单元电路LM324引脚排列图设计方案：1.单运放三角波产生电路按照很多教材中的介绍，矩形波经积分电路就可产生三角波（如下图所示），其中C1为同相输入迟滞比较器，A2为充放电时间常数相等的积分器。但此电路往往需要使用两个运放，如果这里使用2个运放，那么会导致整个电路有一个功能模块无法正常实现。C1A2R1R2R3R4R5R6Cu0根据《电子技术基础（模拟部分）》上介绍的方波产生电路，如果将反相输入端的信号引出作为信号Uo1，这时的Uo1波形近似为三角波。采用这种思路设计三角波产生器，只需一个运放，但只能得到近似三角波。根据我们的调试及计算，产生近似三角波电路如图所示。电路中，R3、R4对+12V单电源进行分压，让第4、11引脚分别为+6V、-6V，C2、C3起滤波的作用。Uo1的周期为2112ln12fRTRCR，若取Rf=R1=3kΩ，C1=0.1μF，R2=2kΩ，有3363221023100.110ln10.5310Tms，满足题目的要求。U1ALM324N321141R31kΩR41kΩC2100µFC3100µFV112V0C1100nF0Rf3kΩ2R13kΩR22kΩ148045Uo1三角波产生电路图三角波Uo1波形2.单运放加法器电路加法器电路图加法器输出信号Ui2波形题目要求加法器的输出电压Ui2=10Ui1+Uo1，可直接按照《电子技术基础（模拟部分）》提供的求和电路来实现。根据我们的分析、调试与计算，单运放加法器电路如图所示。由于7721165iioRRUUURR，按照题目要求，取R5=R7=10kΩ，R6=1kΩ，输出信号Ui2波形如图，Ui2中含有500Hz、2kHz两种信号。R31kΩR41kΩC2100µFC3100µFV112VU1BLM324N5611470R510kΩR61kΩR710kΩ6Ui10.2Vpk500Hz0°017085Uo1Ui243.单运放滤波器电路根据题目要求，为了得到较好的效果，根据多路反馈带通滤波器电路，我们选用如图所示的由单运放构建的多路反馈带通滤波器。相关参数计算：取C0=C4=C5=0.01μF，品质因数ofQBW，当f0=500Hz时，Q=10，增益Au=4.5，则基准电阻131.832oooRkfC，870.7ouQRRkA，91.622ouRRkQAQ，102636.6oRQRk。输出信号Uo2波形如图。R31kΩR41kΩC2100µFC3100µFV112VU1CLM324N1091148R870.7kΩR10636.6kΩC410nFC510nFR91.6kΩ309001145Ui2Uo2滤波器电路图滤波器输出信号Uo2波形4.单运放比较器电路比较器的原理比较简单，采用过零比较器（此时参考电压VREF≠0）就可以了，我们选用如图所示电路进行仿真和构建实际电路。根据电阻串联分压的特点，电路的R11=4.7kΩ，其中R12=1kΩ为题目所要求的负载，实际电路中输出信号Uo3波形如图。R31kΩR41kΩC2100µFC3100µFV112VU1DLM324N121311414R114.7kΩ0R121kΩ0101245Uo2Uo1Uo3比较器电路图比较器输出信号Uo3波形实际电路搭建完成之后，我们可选用四通道的示波器直接观察4个信号的输出波形，其中CH1通道显示信号Uo1，CH2通道显示信号Ui2，CH3通道显示信号Uo2，CH4通道显示信号Uo3。