2014版全国大学生电子设计竞赛集成运放综合题最新论文

2011年全国大学生电子设计竞赛综合测评题
第七组论文
参赛题目：集成运算放大器的应用
参赛学校：山东大学
参赛学院：信息科学与工程学院
参赛队员及联系方式：王伟行
集成运放的应用
【摘要】集成运放是一种高增益直流放大、直流放大器既能放大变化极其缓慢的直流信号，下限频率可到零；又能放大交流信号，上限频率与普通放大器一样，受限于电路中的电容或电感等电抗性元器件。

集成运放和外部反馈网络相配置后，能够在它的输出和输入之间建立起种种特定的函数关系，故而称它为“运算”放大器。

本电路设计的基本目标：使用一片通用四运放芯片TL084组成预设的电路，电路包括三角波发生器、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。

【关键词】运算放大器TL084、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TL084组成电路框图，实现下述功能:
使用低频信号源产生u i1=0.1sin2πf0t(V)，f0=500Hz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u o1，u o1如图1(b)所示，T1=0.5ms，允许T1有±5%的误差。

加法器要求输出电压u i2=10u i1+u o1。

u i2经过选频滤波器滤除u o1频率分量，选出f0信号为u o2,u o2为峰峰值9V的正弦信号，用示波器观察无明显失真。

u o2信号再经过比较器后在1k?电阻负载上得到峰峰值为2V的输出电压u o3。

电源要求只能选择+12V、+5V两种单电源，由稳压电源供给。

不得用额外电源和其他型号的运算放大器。

要求预留u i1、u i2、u o1、u o2和u o3的测试端子。

二、设计方案
1.单、双电源转换电路：
2.三角波发生器:
根据《模拟电子电路》中单运放张弛振荡器设计电路，实现输出三角波频率为2kHz，幅值为2V。

电阻电容参数值如上图所示。

3.加法器：
使用反相比例放大器构成反相相加器，加法器输出u i2=10u i1+u o1，相关电阻电容参数如上图所示。

4.滤波器：
设计有源带通滤波器，相关电阻电容参数如上图所示。

5.比较器：
设计迟滞比较器，相关电阻电容参数如上图所示。

三、电路设计及理论分析
1.总电路图:
2.三角波发生器:
由要求可知，电路的输出波形应为三角波，幅值为2V ，振荡周期为0.5ms 。

电路振荡频率为 )21ln(21
34
350R R C R f +=
经过计算KΩ=51.25R ,3R =KΩ2,KΩ=51.14R ,nF C 1003=
3.加法器：
加法器输入输出满足11210o i i u u u +=。

根据“虚短”和“虚断”的原则，节点的电流方程为f
o i i R u R u R u -=+9261,所以输出的表达式为)(9261R u R u R u i i f o +-= 计算得KΩ=106R ,KΩ=19R ,KΩ==107R R f
4.带通滤波器：
中心角频率：)11(11
1311120R R R C
w += （54C C C ==) 取2R <<1R ,有1312011
R R C w ≈，中心频率增益1112121102)/(2/(1)(R R C R CR w A -=-=） -3dB 带宽C
R Q w BW 1202== 因为需要滤去三角波成分，所以选取的带通滤波器的中心频率f 0=500Hz ，中心频率增益为9V ，-3dB 带宽为50Hz 。

计算得
5.滞回比较器：
当集成运放的输出为+U OM 时，通过正反馈支路加到同相输入端的电压为： 则同相输入端的合成电压为：
REF OM U R R R U R R R U 15
1615151616+++=+ = U H （上门限电压） （7） 当u i 由小到大，达到或大于上门限电压U H 的时刻，输出电压u o 才从+U OM
跃变到?U OM ，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： 此时同相输入端的合成电压为：
REF OM U R R R U R R R U 15
1615151616+++-=+ = U L （下门限电压） 四、电路仿真结果及分析
使用Multisim 仿真结果如下：
1.1o U 端口：由上图可知，波形为三角波。

Um=1.9V ，f=
2.05KHz ，在±5%误差范围内，且波形稳定，满足实验要求。

2.2i U 端口
由上图可知，三角波与正弦波相加时，无明显失真，与理论波形基本一致。

Vpp=5.61V ，f=2.09kHz 。

3.2o U 端口
由上图可知，根据Multisim 仿真经过带通滤波器后为正弦波，峰峰值为8.83V 略小于9V 理论值，频率为500Hz 。

4.3o U 端口
由上图可知，由Multisim 仿真得，经比较器后在1k?负载上输出为峰峰值为2.1V ，频率为504Hz 的方波。

五、电路实测结果及分析
1.1o U 端口：
如上图所示，三角波发生器产生输出波形为三角波。

Vpp=3.92V ，f=1.923KHz ，在±5%误差范围内，且波形稳定，满足设计要求。

2.2i U 端口：
如上图所示，加法器输出端实测与仿真波形基本一致。

Vpp=5.92V, f=1.818kHz 。

3.2o U 端口：
带通滤波器输出实测波形近似正弦波，Vpp=8.80V ，f=500Hz ，满足实验要求。

4.3o U 端口：
如上图所示，实测波形为方波，Vpp=2.16V ，f=500Hz ，满足实验要求。

六、总结
1、单电源转换成双电源
由于题目要求使用单电源供电，然而简单的采用单电源供电将会导致相关运放模块无法正常工作，因此需要将其以一定方式转换为双电源进行供电。

2、模块与模块之间的相互影响
虽然单个模块运行成功，但是连接为整个的电路图时，各功能模块的波形会受到其他模块的影响，可在各模块之间加入耦合电容作为处理方法。

3、仿真与实测之间存在一定偏差
在电路测试的过程中发现，仿真结果与实际结果有一定的偏差，在设计电路时要充分考虑这一点，根据测试结果对设计电路进行一定修改，使实际结果更加符合电路设计要求。