集成运算放大器的应用实验报告.doc

集成运算放大器的应用实验报告
【摘要】： 此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
集成运算放大器的应用实验报告
【摘要】： 此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
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，，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，由稳压电源供应。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。电路仿真如下列图所示：
2、 加法器
由于加法器输出 ，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
由于正弦波信号的频率为500Hz，三角波的频率为2KHz，滤波器需要滤除
，所以采用二阶的有源低通滤波器。电路仿真如下列图：
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，电路仿真如下图：
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

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

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，。
电路振荡周期为

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

正弦波和三角波经过加法器后的理论波形如下图：
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。
经过计算，电路仿真图中的阻值和容值为最正确匹配。
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：

则同相输入端的合成电压为：
= UH〔上门限电压〕 〔7〕
当ui由小到大，到达或大于上门限电压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：

此时同相输入端的合成电压为：
= UL〔下门限电压〕
理论波形如下图：
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