基于LM324的简易波形发生器

设

计

报

告

作品名称：基于LM324的简易波形发生器*者：***

洪文娟

吴丽萍

基于LM324的简易波形发生器

摘要

在电子系统中，经常要使用到方波、三角波等波形的波形信号产生电路，常用于产生各种电子信号，完成电子系统间的通信以及自动测量和自动控制等系统中。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。

关键词LM324 简易波形发生器

目录

1 方案设计与论证 (1)

1.1 方案1 (1)

1.2 方案2 (1)

2 系统设计 (1)

2.1 LM324芯片简介 (1)

2.2 电路组成和工作原理 (2)

2.3 电路设计与计算 (3)

3 系统测试 (5)

3.1 测试工具 (5)

3.2数据测试与结果分析 (5)

3.3 测试结论 (5)

4 设计结论 (7)

参考文献 (7)

1 方案设计与论证

1.1 方案1

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。

1.2 方案2

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。

基于这种考虑，方案2被选用。

2 系统设计

2.1 LM324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（DIP14），外形如图1所示：

图1 LM324外型图片

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：

图2 LM 324内部的运放单元在电路中的符号

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，“V o ”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V o 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V o 的信号与该输入端的相位相同。LM 324的引脚排列见图3：

图3 LM 324引脚排列图

由于LM 324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

2.2 电路组成和工作原理

根据要实现的功能，设计的电路系统框图如下图所示：

图4 系统框图

系统采用±12V 双电源供电，主体部分由LM 324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，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

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V REF ；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。

2.3 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（1）

图6 系统电路原理图（2）

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。U O1、U O2、U O3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U Z为：

+U Z＝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。

-U Z＝-(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，

U O1＝±U Z＝±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U O1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U O2。U O2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V REF。第二级电路的输出电压幅度为：

+U O2＝R1/R2U Z＝+ U Z＝5.4(V)

-U O2＝-(R1/R2U Z)＝- U Z＝-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/ R2

T＝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U O2进行滤波。U O2经过第三级电路的滤波之后，变换成正弦波信号后由U O3输出。U O3输出信号的周期与U O2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U O3的输出电压的幅度是U O2的两倍。即：

U O3＝2U O2＝2U Z＝±10.8(V)

而第三级电路的上限截止频率为：

f H＝1/(2πRC)

上述公式中，

R＝R6＝R7＝3.9(kΩ)