lm324波形发生器

LM324波形发生器组员：*****基于LM324的简易波形发生器摘要：各种各样的信号是通信领域的重要组成部分，其中锯齿波，正弦波，三角波和方波等是较为常见的信号。在科学研究及教学实验中常常需要这几种信号的发生装置。为了实验研究的方便，研制一种使用方法的信号源是十分必要的。本系统采用LM324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。该波形发生器具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定，能产生方波、三角波和正弦波等电子信号，可以作为其它电子系统的信号发生模块电路。目录1方案设计与论证1.1方案1…………………………………………21.2方案2…………………………………………31.3方案3…………………………………………32系统设计…………………………………………32.1LM324芯片简介………………………………42.2电路组成和工作原理…………………………42.3电路设计与计算……………………………………43系统测试………………………………………………63.1测试工具…………………………………………83.2数据测试与结果分析………………………………83.3测试结论…………………………………………94设计结论………………………………………………101方案设计与论证1.1方案1通过芯片IC145152，使用锁相频率合成方法。压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。缺点：此方案，电路复杂，干扰因素多，不易实现。1.2方案2采用ICL8038集成函数信号发生器芯片外加电阻、电容元件，构成波形发生电路。ICL8038集成函数信号发生器芯片是一种多用途的波形发生器芯片，它可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。它的振荡频率可以通过外加的直流电压进行调节，是一种压控集成函数信号发生器。虽然ICL8038集成函数信号发生器的功能强大，但是它的价格昂贵，而且市面上也较难买到。如果用ICL8038芯片来制作简易波形发生器系统，则会大大增加系统的制作成本。1.3方案3采用LM324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。LM324是一种集成运算放大器芯片，它的内部有四个独立的运算放大器。根据所学的知识，运算放大器可以构成滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路，可以分别产生方波、三角波和正弦波。依靠这些电路的组合，就可以制作成简易波形发生器电路。该电路具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定等特点。而且LM324集成运放芯片价格低廉，又很容易买到，可以降低电路的制作成本。综上论证分析第三种方案最适合，故选用第三种方案，用LM324集成芯片。2系统设计2.1电路组成和工作原理根据电路所实现的功能，下图是设计的电路系统框图：系统采用±12V双电源供电，主体部分由LM324集成运放芯片构成的滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路组成。它由滞回比较器产生方波信号，方波信号经过积分器后产生三角波信号。三角波信号一路反馈回滞回比较器，作为滞回比较器的VREF；另一路经二阶有源低通滤波器滤波以后产生正弦波信号。使用时可以在电路系统的不同输出点得到不同的波形信号。2.1LM324芯片简介LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装和管脚排列，如图示：电源滞回比较器积分器二阶有源低通滤波器方波三角波正弦波波Lm324外形图和管脚标号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。每一组运算放大器可用图2所示的符号来表示：Lm324内部运放单元在电路中的的符号；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。2.3电路设计与计算根据系统框图，设计的电路如下图所示：图5系统电路原理图图6系统电路原理图由图6可以看出，电路分为三级，即由运算放大器构成的滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器。UO1、UO2、UO3是电路的三个输出端，分别输出方波、三角波和正弦波。电路的第一级是一个滞回比较器，用于输出方波。它输出电压的幅度由稳压管ZD1、ZD2共同决定。设计中，ZD1、ZD2均选用4.7V的稳压二极管，则它们的稳压幅度UZ为：+UZ＝4.7＋0.7＝5.4(V)其中，0.7V为二极管ZD1正向导通时的管压降。-UZ＝-(4.7＋0.7)＝-5.4(V)其中，0.7V为二极管ZD2正向导通时的管压降。所以，UO1＝±UZ＝±5.4(V)电路的第二级是一个积分器，用于输出三角波。当电路的第一级输出的方波信号UO1送入该级电路后，由该级电路对信号进行积分变换以后，产生三角波信号UO2。UO2分成两路，一路输入第三级电路，另一路反馈回滞回比较器，作为滞回比较器的VREF。第二级电路的输出电压幅度为：+UO2＝R1/R2UZ＝+UZ＝5.4(V)-UO2＝-(R1/R2UZ)＝-UZ＝-5.4(V)即第二级电路的输出电压幅度和第一级电路的输出电压幅度相同。第一级电路和第二级电路的振荡周期相同，可以由以下的公式求得：T＝4R1R4C1/R2T＝4×20×103×12×103×0.1×10－6/(20×103)T＝4.80(mS)则振荡频率为：f＝1/T＝1/4.8×103＝208.33(Hz)第三级电路是二阶有源低通滤波器，用于对第二级电路送来的信号UO2进行滤波。UO2经过第三级电路的滤波之后，变换成正弦波信号后由UO3输出。UO3输出信号的周期与UO2输出信号的周期相同。根据集成运算放大器的工作原理，集成运算放大器的两反向输入端“虚短”，即两反向输入端的电压相等。所以在第三级电路中，运放的第9引脚和第10引脚的电位相等。又因为R8、R9电阻的阻值相等，所以UO3的输出电压的幅度是UO2的两倍。即：UO3＝2UO2＝2UZ＝±10.8(V)而第三级电路的上限截止频率为：fH＝1/(2πRC)上述公式中，R＝R6＝R7＝3.9(kΩ)C＝C2＝C3＝0.1(μF)fH＝1/(2×3.14×3.9×103×0.1×10－6)＝408.30(HZ)这说明，第三级电路将阻止频率高于408.30HZ的信号通过。3系统测试数据测试与结果分析将做好的电路系统的地线端接到电源的地电位端，正、负电源端分别接到电源的±12V接线端上。注意电源的极性不要接反。将示波器调于2V/1mS和5V/1mS处，用示波器的探头分别测试电路的UO1、UO2、UO3处，观察电路的输出波形。测得的数据如下表所示：表2测试数据1被测项目峰-峰值VP-P（V）周期T（mS）频率f（Hz）被测端口理论值实际值理论值实际值理论值实际值UO110.8010.804.804.50208.30222.20UO210.8010.804.804.50208.30222.20UO321.6021.804.804.50208.30222.20根据以上数据在模拟示波器中得到的仿真波形如下图；以上分别是矩形波，三角波，正弦波仿真。实验时波形；从以上的方针和实验波形对照可以看出实验波形不太标准，而这需要考虑很多外界因素。比如焊接虚焊，线路之间的干扰等。在电路中断开LM324第七脚与R6的接线，观测二阶有源低通滤波器的输出UO3，从而观测电路的上限截止频率fH。测得的数据如下表所示：表3测试数据2输入电压幅度VIP-P（V）输入电压频率f（Hz）输出电压幅度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从测试的结果可以得出电路的截止频率fH为574.36Hz，这与理论计算值408.3HZ相差较大。由上述的测试数据可以看出，在未断开LM324第七脚与R6的接线时，输出电压和频率的理论计算值与实际测量值的误差不是很大。这证明前两级电路的设计和制作基本上是成功的。但在单独测量第三级二阶有源低通滤波电路时，测试得到的结果就与理论计算值相差较大。分析其结果，可能是由这几个原因造成的：电路中的电容使用的是瓷片电容，它的标称值与实际值误差较大；电路中的电阻等其它器件可能也存在着一定的误差；外界环境中存在着电磁干扰，也可能对测试结果产生一定的影响.实物图；测试总结与反思：基本说来，我们这次还算是较好的完成了老师布置的任务，各项指标都基本正常，在做的过程中没出现什么大的问题。有就是团队不细心，在焊板子的时候把芯片的引脚接反了，虚焊，漏焊现象还是有的，或者是把一些重要的地方的线接错了，要么就是一些线没接而导致出现的问题。这就提醒我们在焊板子和连线的时候一定要有次序，分清主次，不要有遗漏，不然会给你以后的调试带来很大的麻烦。但是一个现象应该值得我们引以为鉴。那就是由于自己的团队合作不好，执行力不行，基本就是两个人在做全队的任务，其他人完全就没把实验当回事。同时，通过这次试验我们也对LM324波形发生器工作原理有了更深层次的认识为我们以后再做这类的电路积累了经验。