集成运算放大器的应用实验报告

集成运算放大器的应用实验报告

【摘要】：本题目关于放大器设计的基本目标：使用一片通用四运放芯片LM324组成预设的电路，电路包括三角波产生器、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。

【关键字】：运算放大器LM324、三角波信号发生器、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LM324 组成电路框图见图1（a），实现下述功能：

使用低频信号源产生，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uo1， uo1 如图1（b）所示， T1=0.5ms，允许T1有±5%的误差。

（a）

（b）

图中要求加法器的输出电压ui2=10ui1+uo1。ui2 经选频滤波器滤除uo1 频率分量，选出f0 信号为uo2，uo2 为峰峰值等于9V 的正弦信号，用示波器观察无明显失真。uo2 信号再经比较器后在1kΩ 负载上得到峰峰值为2V 的输出电压uo3。电源只能选用+12V 和+5V 两种单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源和其它型号运算放大器。

要求预留ui1、ui2、uo1、uo2 和uo3 的测试端子。

二、设计方案

1、三角波发生器

由于用方波发生器产生方波，再经过积分电路电路产生三角波需要运用两个运算放大器，而LM324只有四个运算放大器，每个电路运用一个，所以只能用一个运算放大器产生三角波。同时由于器件不提供稳压二极管，所以电阻电容的参数必须设计合理，用直流电压源代替稳压管。对方波放生电路进行分析发现，如果将输出端改接运放的负输入端，出来的波形近似为三角波。电路仿真如下图所示：

2、 加法器

由于加法器输出11210o i i u u u += ，根据《模拟电子技术》书上内容采用求和电路，电路如下所示：

3、 滤波器

由于正弦波信号1i u 的频率为500Hz ，三角波1o u 的频率为2KHz ，滤波器需要滤除

u，所以采用二阶的有源低通滤波器。电路仿真如下图：

1o

4、比较器

由于单门限电压比较器的抗干扰能力差，所以采用迟滞比较器，电路仿真如图所示：

三、电路设计及理论分析:

1、总电路图:

2、 三角波发生器：

根据RC 充放电过渡过程的分析，电容电压编号应符合下面公式 τ

t

-e

)]

()0([)(∆∞-+∞=C C C C U U U U

式中 UC(0)初始电压； 充电终了电压; 充电时间常数。 解方程式可得

)21ln(22

1

3R R C R T +

⋅= 所以该电路振荡周期有 ，C 和 决定，改变这些元件参数可以调节方波的周期。 由要求可知，电路的输出波形应为三角波，峰值为2V ，振荡周期为0.5ms 。 电路振荡周期为

)21ln(22

1

3R R C R T +

=

3、 加法器：

加法器输入输出满足 。根据“虚短”和“虚断”的原则，节点的电流方程为 ，所以输出的表达式为

)(

2

2

11R u R u R u i i f o +-=

正弦波和三角波经过加法器后的理论波形如图所示：

另外，本实验采用单电源供电，故用电阻分压：

4、 滤波器：

需要滤除高频率的三角波，得到低频率的正弦波，设计的低通滤波器的截止频率

RC

f π210=。

经过计算，电路仿真图中的阻值和容值为最佳匹配。 仿真结果如下：

5、 电压比较器：

当集成运放的输出为+UOM 时，通过正反馈支路加到同相输入端的电压为：

OM U R R R 2

11

+

则同相输入端的合成电压为： REF OM U R R R U R R R U 2

12

211+++=

+= UH （上门限电压） （7）

当ui 由小到大，达到或大于上门限电压UH 的时刻，输出电压uo 才从+UOM

跃变到UOM ，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： OM U R R R 2

11

+-

此时同相输入端的合成电压为： REF OM U R R R U R R R U 2

12

211+++-

=+= UL （下门限电压）

理论波形如图所示：

四、总结

此次实验过程中，主要遇到了以下几个问题，通过此次实验学习中，受益匪浅。此次实验难点在于题目中只许用+12v和+5v，只能进行单电源给LM324供电，而非双电源，所以采用分压电路方式，将双电源供电改为单电源供电。

开始进行三角波信号发生器电路选择时，原始方案选择电容充放电产生三角波，但电容充放电时间难以控制，产生三角波达不到题目中要求，故改变方案。改变后的方案，连接完电路后，没有输出，仔细检查发现线路连接有错误，重新连接完，三角波产生，连接线路要仔细。

进行加法器电路选择时，我们在输入前和输出后都加上电容，滤掉交流部分，这样可以减少其他干扰，使电路更加完善。实验中示波器中显示如下，其中黄色显示是三角波输出，蓝色显示是加法器中三角波和正弦波的加输出：

在进行滤波电路选择时，由于开始选择的电容电阻不恰当，将三角波没有滤干净，使电路所含三角波部分太多，进行多次改变阻值，考虑理论与连接电路之间的差距，在仿真中反馈电阻采用78k欧姆电阻，但在实际连接电路时，反馈电阻采用78k欧姆和24k欧姆电阻串联，才可产生振幅为9V的正弦波，将仿真中78k欧姆电阻换成102k欧姆电阻时，仿真出现如图问题：

此问题即为仿真与实际之间的差距导致。最后将滤波电路连接完成。实验中示波器中显示如下，其中黄色为滤波后的输出，蓝色是比较器中三角波河滤完波后的正弦波输出。