北邮模电实验基于运算放大器的彩灯显示电路的设计与实现

电子电路综合实验报告实验名称：基于运算放大器的彩灯显示电路的设计与实现2016.4姓名：班级：学号：摘要：运用运算放大器设计一个彩灯显示电路，通过迟滞电压比较器和反向积分器构成方波—三角波发生器，三角波送入比较器与一系列直流电平比较，比较器输出端会分别输出高电平和低电平，从而顺序点亮或熄灭接在比较器输出端的发光管。关键词：彩灯显示电路方波—三角波发生器运算放大器一、设计任务要求利用运算放大器LM324设计一个彩灯显示电路，让排成一排的5个红色发光二极管(R1～R5)重复地依次点亮再依次熄灭（全灭→R1→R1R2→R1R2R3→R1R2R3R4→R1R2R3R4R5→R1R2R3R4→R1R2R3→R1R2→R1→全灭），同时让排成一排的6个绿色发光二极管（G1～G6）单光点来回扫描点亮（G1→G2→G3→G4→G5→G6→G5→G4→G3→G2→G1）。要求彩灯的变化速度均匀且可以调节,而且人眼能够识别彩灯的变化，所拥有的供电条件为直流电源±12V。二、设计思路、总体结构框图根据任务要求，可以设计一个如图1所示的电路，图中振荡电路产生频率可调的三角波信号，三角波信号被送入比较器电路与一系列直流电平比较，根据三角波信号瞬时值的大小不同，比较器的输出端会分别输出高电平或低电平，这些高、低电平可以按照任务要求的顺序点亮或熄灭接在比较器输出端的发光管，达到任务要求的彩灯显示效果。图1三、分块电路和总体电路设计1、方波—三角波振荡电路三角波振荡电路由迟滞电压比较器和反向输入式积分器构成。积分器的输入电压取自迟滞电压比较器的输出，迟滞电压比较器的输入信号来自积分器的反馈。迟滞电压比较器的输出端接一稳压管，使其输出为高电平Uo1max或低电平U01min。Uo1=±（Uz+Ud），Uz和Ud分别为稳压管反向击穿电压和正向导通电压。假设迟滞电压比较器输出Uo1为高电平，高电平经过反向积分器得到线性下降的的输出信号，此线性下降的输出信号又反馈回迟滞电压比较器的输入端，当其下降至比较器的下门限电压Uth-时，迟滞电压比较器的输出跳变为低电平Uo1min，该低电平经过积分器得到线性上升的输出信号。当输出信号升至比较器的上门限电压Uth+时，迟滞电压比较器的输出再次跳变回高电平Uo1max。不断重复上述过程，迟滞电压比较器的输出端得到方波信号，而反向积分器的输出端得到三角波信号。由理论分析可知：方波信号的幅值为：Uo1=±（Uz+Ud）三角波信号的幅值为：Uo2=±R1/Rf（Uz+Ud）。电路的振荡频率为：f=Rf*Rp2/(4*R1*R2*C*Rp1)式中Rp2为电位器Rp动头2端对地电阻，Rp1为动头1端对地电阻。另，电路图中元器件数值计算方法为：a)设定三角波幅值Uo2（约为10V）。b)查阅双稳压管正向导通电压Ud和反向击穿电压Uz。计算稳定电压Uz+Ud（约为6-6.5V）c)R1/Rf=Uo2/(Uz+Ud)，设定R1值，进一步确定Rf。R3=R1//Rf。d)双稳压管最大工作电流为30mA。由此可确定Ro=（Uom-Uz-Ud）/I,(Uom=12V，I=30mA).e)设定频率f，由f=Rf*Rp2/(4*R1*R2*C*Rp1)确定Rp1、Rp2、R2和C的值。f)R4=R2。2、彩灯显示比较器电路如图所示，电路图底端6个电阻将±12V电压分成五个等级，设6个电阻大小相等，则这5个电压等级分别是-8V，-4V,0V,4V和8V，这5个等级的电压分别作为5个电压比较器的基准电压，分别接到这5个比较器的反相输入端。三角波振荡电路产生的三角波信号Ui同时加到这5个电压比较器的同相输入，与这5个基准电压进行比较。每个电压比较器的输出端都通过一个限流电阻对地接一个红色发光二极管，而6个绿色的发光二极管则与6个限流电阻串联构成绿色发光二极管链，以如图所示的结构与5个电压比较器的输出端连接。当Ui-8V时，5个电压比较器均输出低电平，5个红色发光二极管全不亮，绿色发光二极管只有LED6亮；当-8VUi-4V时，电压比较器U7A输出为高电平，其余为低电平，红色发光二极管只有LED9亮，绿色发光二极管只有LED5亮；当-4VUi0V时，电压比较器U7A、U6A输出为高电平，其余为低电平，红色发光二极管LED8和LED9亮，绿色发光二极管只有LED4亮；当0VUi4V时，电压比较器U7A、U6A、U5A输出为高电平，其余为低电平，红色发光二极管LED8、LED9和LED7亮，绿色发光二极管只有LED3亮；当4VUi8V时，电压比较器U7A、U6A、U5A、U3A输出为高电平，其余为低电平，红色发光二极管LED8、LED9、LED7、LED11亮，绿色发光二极管只有LED2亮；当8VUi时，电压比较器全部输出为高电平，红色发光二极管全亮，绿色发光二极管只有LED1亮。另，电路图中元器件数值计算方法为：a)红色发光二极管限流电阻R红=(Uomax-Ur)/Ir，(Uomax为运放最大输出12V，Ur和Ir为发光二极管正向饱和压降和工作电流)b)绿色发光二极管限流电阻R绿=（Uomax-Uomin-Ur）/Ir，(Uomin为运放最小输出-12V)c)将±12V电压分成5个等级的6个电阻，阻值相等，阻值大小使运放输入电流合适即可。四、所实现功能说明1、基本功能三角波发生器输出频率为2HZ以内（可调），幅值为±9.55V的三角波，使红色LED灯依次点亮并熄灭，使绿色LED灯单点来回扫描点亮。彩灯变化速度均匀且可调（0.05HZ~1.6Hz），且人眼能识别彩灯的变化。2、测试数据频率范围方波三角波基准电压红灯显示绿灯显示0.05~1.6HzVopp=10.8VVopp=±9.55V-7.980V,-3.956V,0.009V,3.989V,7.985V驻点增减单点扫描3、测试方法将正负12V直流电源接入面包板正负极，观察红绿小灯闪烁情况并调节电位器，使之达到合适速度，人眼能清楚观察到红绿小灯变化匀速且红灯驻点增减，绿灯单点扫描。然后接入示波器，测量方波和三角波幅值，并在示波器上读出三角波频率大小。继续调节电位器，观察三角波频率可变范围并记录数据。五、故障及问题分析1、初次搭接面包板时发现线路过多，面包板上元件分布过于密集，容易引发短路，后重新搭接，通过另外引线降低了元件分布密集度，并修剪元件引脚，使之高低错落有致。另外，增设一条地线，合理布局成功使电路简化。2、初次加压调测时，发现方波输出有误，低电平过小，后检查电路，发现稳压二极管烧毁一半，重新更换二极管后电路显示正常。3、彩灯显示频率过高，后通过修改电位器和地之间的电阻降低了频率，使彩灯便与人眼识别。六、总结1、通过这次实验，我了解了彩灯显示电路的原理。在设计电路、搭接面包板、调测更是增加了实战经验，对运算放大器的运用也增加了新的认识，收获满满。2、我觉得实验仍有不足，可以进一步改进。比如实验的提高部分，需要大量的元器件（运放），8*8点阵也无法在提供的面包板上搭接，难以实现。再比如实验要求不够明确。要求中不够明确但在验收中要求的几点有：①小灯速度均匀，每个小灯点亮时间接近。②频率应比要求中的2Hz更慢，实验中测得约0.1Hz以内③为达到①，三角波幅值应尽可能接近10V而非考核表中的9V。④LM324运算放大器中四个集成运放的结构使得很难将小灯列为一排，必须另加面包板或使用引线，容易使面包板线路复杂。能否采用单个运放替代LM324？七、Multisim仿真原理图八、元器件及仪器清单1、元器件清单元器件数量LM3242双稳压管2DW2321250kΩ电位器1红色发光二极管5绿色发光二极管620kΩ电阻62kΩ电阻61kΩ电阻610kΩ电阻3680Ω电阻16.2kΩ电阻15kΩ电阻10μF电容1导线若干2、仪器清单直流稳压源万用表示波器九、参考文献《2016模拟综合实验讲义》十、附表：