基于LM324信号发生器报告

1常熟理工学院电气与自动化工程学院课程设计说明书课程名称：电子技术课程设计设计题目：信号发生器_____班级：姓名：学号：指导老师：设计时间：2014-7-102电气与自动化工程学院课程设计评分表课程设计题目：班级：学号：姓名：项目评分比例得分课程设计出勤10%课程设计态度20%课程设计报告40%课程设计答辩30%课程设计总成绩100指导老师：年月日3目录一、课程设计任务书……………………………………………………4二、主要元器件介绍……………………………………………………52.1LM324N…………………………………………………………62.2电位器…………………………………………………………72.3电容器…………………………………………………………72.4稳压管…………………………………………………………8三、设计总体方案……………………………………………………93.1比较器的特点与功能……………………………………………93.2积分运算电路的特点及其相关功能………………………………113.3比例运算电路的特点及其相关功能………………………………123.4.实验方案介绍…………………………………………………143.5.电路各组成部分的工作原理……………………………………18四、电路调试总结及分析………………………………………………24五、总结收获体会………………………………………………………274课程设计任务书一、设计目的根据常用的电子技术知识，以及可获得的技术书籍与电子文档，初步形成电子设计过程中收集、阅读及应用技术资料的能力；熟悉电子系统设计的一般流程；掌握分析电路原理、工程计算及对主要技术性能进行测试的常见方法；最终，完成从设计图纸到实物搭建的整个过程，并调试作品。二、任务与要求1、熟悉信号发生器的组成和基本原理，了解单片集成信号发生器的功能特点；2、掌握信号波形参数的调节和测试方法的应用；3、电路能够产生正弦波、方波、锯齿波；4、掌握信号发生器的设计测试方法；5、工作电源为+5～+15V连续可调。参考方案：图1、ICL8038原理框图参考原理：ICL8030内部由恒流源I1、I2、电压比较器A和B、触发器、缓冲器和三角波变正弦波变换电路组成。外接电容C经过两个恒流源进行充放电，电压比较器A、B的参考电压分别为电源电压（UCC+UCE）的2/3和1/3。恒流源的恒流源I1、I2的大小可通过外接电阻调节，5但必须I2I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，I1给电容充电，其两端电压UC随时间上升，当UC上升到电源电压的2/3时，电压比较器A的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2I1（设I2=2I1），恒流源I2加到C上反充电，相当于C由一个净电流I1放电，C两端电压UC转为直线下降，当下降到电源电压1/3时，电压比较器B的输出电压发生跳变，使触发器的输出由高电平变为原来的低电平，恒流源I2断开，I1对C充电，如此重复，产生振荡信号。若通过调节外接电阻使得I2=2I1，触发器的输出为方波，反向缓冲后由9脚输出；C上的电压UC，上升与下降时间相等，为三角波，经电压跟随器由3脚输出；三角波经变换电路后由2脚输出正弦波。三、课程设计报告要求1．封面2．目录3．正文（1）课程设计任务书；（2）总体方案框图设计（3）单元电路具体设计（4）计算器件参数值（5）选择相关元器件（6）画出总体设计电路图（7）实际电路调试，对调试过程中出现的问题给出定性的分析，最终能实现预计的效果。4．课程设计中的收获和体会5．参考文献模拟电子技术基础--第五版--闫石，数字电子技术--第五版—康华光6二、主要元器件介绍2.1LM324N（四运放）LM324M又称四运算放大器。LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM324的封装形式为塑封14引线双列直插式。特点：★内部频率补偿★直流电压增益高(约100dB)★单位增益频带宽(约1MHz)★电源电压范围宽：单电源(3—32V)；双电源(±1.5—±16V)★低功耗电流，适合于电池供电★低输入偏流★低输入失调电压和失调电流★共模输入电压范围宽，包括接地★差模输入电压范围宽，等于电源电压范围★输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)内部电路图：72.2电位器电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值或电压。电位器既可作三端元件使用也可作二端元件使用。后者可视作一可变电阻器。电位器实物图：2.3电容器电容器，通常简称其容纳电荷的本领为电容，用字母C表示。定义1：电容器，顾名思义，是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件。英文名称：capacitor。电容器是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于电路中的隔直通交，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制等方面。定义2：电容器，任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体（包括导线）间都构成一个电容器。电容器实物图：82.4稳压管稳压二极管（又叫齐纳二极管）是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。二极管实物图：9三、设计总体方案本次设计采用lm324集成运放实现简易函数波发生器功能。Lm324器件为带有差动输入的四运算放大器。与但电源应用场合的标准运算放大器相比，该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流大致为mc1741的静态电流的五分之一（对于每个放大器而言）。共模输入范围包括负电源，因而取消了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。输出电压范围也包含负电源电压。每个放大器都有内部电压稳压器提供偏置电压。稳压器的温度系数低，因此，每个放大器就有良好的温度特性以及优异的电源抑制。采用lm324来产生方波，三角波，矩形波，锯齿波来实现简易函数波发生器功能的方案有多种，如先产生方波，然后通过积分电路将方波变换成三角波，再由比例运算电路三角波变成锯齿波；也可以先产生三角波—方波，再将三角波变成矩形波或将方波变成锯齿波。本设计介绍产生方波—三角波—矩形波—锯齿波的电路设计方法。其电路组成框图如图1所示：具体实验中可有几种不同方案，我将所有方案归结为两类：有反馈和没有反馈。由于反馈各方案思路大致相同，现取一种方案来代表反馈方案并将其分为第一类方案，没有反馈的即为此次设计方案，为第二类方案。3.1比较器的特点与相关功能：电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。一般分为单限比较器，滞回比较器，窗口比较器。其中滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而具有一定的抗干扰能力。从反相输入端输入的滞回比较器电路如图示，滞回滞回比较器电路引入了正反馈。从集成运放输出端的限幅电路可以看出，zoUU。集成运放反相输入端电位iNUU，同相输入端电位10令PNUU,求出的iU就是阈值电压，因此得出ZTURRRU211滞回比较器及其电压传输特性（a）电路（b）电压传输特性若IU＜—TU，则NU＜PU，0U＝+ZU。此时PU＝ZU，增大IU，直至TU，再增大，0U才从ZU跃变为ZU。若IU＞+TU，则NU＞PU，0U＝ZU。0U此时PU＝ZU，减小IU，直至－TU，再减小，0U才从ZU跃变为+ZU。从电压传输特性曲线上可以看出，当–TUiU+TU时，0U可能是，+ZU也可能是-ZU。如果iU是从小于—TU的值逐渐增大到—TUiU+TU,那么0U应为+ZU；如果iU是从大于+UT的值逐渐减小到–TUiU+,TU那么0U应为ZU；曲线具有方向性，如图b中所标注。实际上，由于集成运放的开环差模增益不是无穷大，只有当它的差模输入电压足够大时，输出电压0U才为ZU。0U在从+ZU变为-ZU或从-ZU变为+ZU的过程中，随着IU的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。滞回比较器中引入了正反馈，加快了0U的转换速度。从而获得较为理想的电压传输特性。113.2积分运算电路的特点及其相关功能：如图示，由于集成运放的同相输入端通过'R接地，0NPUU,为虚地。电路中，电路中，电容C中电流等于电阻R中电流RuiiIRC，输出电压与电容上电压的关系为：cuu0。而电容上电压等于其电流的积分，故dtuRCuI10，在求解1t到2t100211tudtuRCuttI上式中10tu为积分起始时刻的输出电压，即积分运算的起始值，积分的终值是2t时刻的输出电压。当1u为常量时有：101201tuttuRCuI当输入信号为方波时输出波形如下图所示：123.3比例运算电路的特点及其相关功能：比例运算电路分为反相比例运算电路和同相比例运算电路两种。3.3.1反向比例运算电路：反相比例运算电路如图示.输入电压1u通过电阻R作用于集成运放的反相输入端，故输出电压0u与1u反相。电阻fR跨接在集成运放的输出端和反相输入端，引入了电压并联负反馈。同相输入端通过电阻'R接地，'R为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性其值为iu=0时反相输入端总等效电阻，即各支路电阻的并联，所以'R的阻值应该等于R与fR的等效电阻。由于理想运放的净输入电压和净输入电流均为零，故'R中电流为零，所以130pNuu011..NP上式表明，集成运放两个输入端的电位均为零，但由于他们并没有接地，故称之为“虚地”。节点N的电流方程为;FR..110UUUUNNIFRR由于N点为虚地，整理得出：IfURRU03.3.2同相比例运算：将图中的输入端与接地端互换，就得到同相比例运算电路，如图示。电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。即使考虑集成运放参数的影响，输入电阻也是一个非常大的数值。根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零，即：IpNuuu说明集成运放有共模输入电压。净输入电流为零，因而FRii,即fFNRuuRu00pfNfuRRuRRu110由上式得出：IfuRRu10143.4.实验方案介绍3.4.1第一类方案：有反馈方案电路组成：如图示电路中运算放大器A1与321,,RRR组成的一个迟滞比较放大器，C为翻转加速电容。迟滞比较器的Ui（被比信号）取自积分器的输出，通过2R接运放的同相输入端，1R称为平衡电阻。1OU通过4R接至运放A2的反相输入端。迟滞比较器输入1OU的高电平约等于正电源电压CCV，低电平电压约等于负电源电压EEV-.当时，输入1OU从高电平CCV跳到低电平-EEV-；当时，输出1OU从低电平跳到高电平CCV图（a)方波---三角波产生电路图(b)锯齿波发生电路15工作原理简要分析：图示为三角波发生电路，左边为同相输入滞回比较器，右边为积分运算电路。图中滞回比较器的输出电压ZOUU1,它的输入电压是积分电路的输出电压UO，根据叠加原理，集成运放A1同相输入端的电位:11111121212POOOZRRRRUUUUURRRRRRRR令011NPUU，则阈值电压:12TZRUUR积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压1OU，而且1OU不是+UZ，就是-UZ，所以输出电压的表达式为：1131()(