集成运算放大器的应用.docx
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集成运算放大器的应用
基于LM324芯片信号运算于设计
1题目要求
2方案设计与论证
2.1方案设计
设计围绕使用一片通用的四运放芯片LM324展开，先后利用LM324产生三角波，满足幅值和频率的设计要求；再设计加法器，将函数信号发生器产生的正弦信号与三角波信号相加；设计滤波器将三角波信号滤除。
四运放芯片使用范围较广，使用能够合理的运用于各个电路，实现设计要求。
图2.1是方案设计的基本原理框图。
图2.1方案的基本原理框图
2.1.1三角波产生器
使用一片通用的四运放芯片LM324制作产生三角波信号，达到设计要求，利用函数信号发生产生正弦信号。
2.1.2加法器
利用LM324芯片设计加法器电路，将三角波信号与函数信号发生器产生的正弦信号相加。
2.1.3滤波器
设计制作滤波电路，将通过加法器的信号滤除三角波产生的信号，达到设计要求。
2.1.4比较器
设计制作比较器电路，通过滤波器的信号与三角波产生的信号做比较，最后在负载上产生的信号达到设计要求。
2.2方案论证
根据设计要求明确设计标准与设计方案，题中要求使用一片通用的四运放芯片制作产生三角波信号，使幅值与频率都能够达到设计要求。
由于LM324四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。
通过收集查阅资料发现四运放芯片与外围电路的设计能够产生三角波，故使用LM324芯片制作，使用次方案能够大大节约成本，并且使用简单，外围电路的控制方便。
使用LM324芯片能够运用于三角波、加法器、比较器的制作设计，并且简单实用。
因此使用四运放芯片能够完成设计，达到设计要求。
3电路设计
3.1三角波模块设计
产生方波、三角波的方案有多种，本次实验主要采用用电压比较器和积分器同时产生方波和三角波。
其中电压比较器产生方波，对其输出波形进行一次积分产生三角波。
根据模拟电路理论，方波—三角波发生电路主要参数为：
方波的幅度：
（式3.1）
三角波的幅度：
（式3.2）
方波、三角波的频率：
（式3.3）
从式3.2和式3.3可以看出，调节电位器Rw1可改变三角波的幅度，但会影响方波、三角波的频率。
调节电位器Rw2可改变方波、三角波的频率，但不会影响方波、三角波的幅度。
由以上公式可以计算出：
Uz取值为3.3V的稳压二极管，R2取值为20K的电阻，R1取值为10K的电阻，R取值为2.5K的电阻，C取值为0.1uF的电容可达到设计要求。
本设计在实现上述基本电路的基础上，还提出了新的要求。
有下列4个量：
三角波和方波共有的频率、共有的占空比、三角波的幅度、方波的幅度，其中每个量都由一个独立的电位器控制，当调节某个量时，其它3个量不能发生变化。
这就是独立可调的要求。
如图3.1所示，由于积分器可将方波变为三角波，而比较器的输入又正好为三角波，因此可定性判断出，电路的输出电压uo1为方波，uo2为三角波。
图3.1方波——三角波发生器原理图
如图3.2所示，下面分析其振荡周期，积分器输出电压从-Uth增加到+Uth所需的时间为振荡周期T的一半。
由积分器关系式：
（式3.4）
或：
（式3.5）
则振荡频率为：
（式3.6）
图3.2方波——三角波发生器的输出波形图
3.2加法器模块设计
如图3.3所示为同相加法器运算电路，它是利用同相比例运算电路实现的。
图中输入信号u1、u2均加至同相输入端，为使直流电阻平衡，
要求：
R
//R3//R4=R1//Rf（式3.7）
图3.3同相输入加法运算原理图
利用迭加原理求出
及
（式3.9）
（式3.10）
因为：
U_=U+
所以：
（式3.11）
当两输入端外电路平衡时，有
当
时。
实现两信号相加，且运算同相，相比较而言，从反相输入端输入加量的运算简单的多。
根据以上公式可以计算出R1，R2，R3的取值为10K，R的取值为1K，反馈电阻Rf的取值为20K，可达到设计要求。
3.3滤波器模块设计
电容器是一个储存电能的仓库，在电路中当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。
充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。
电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。
这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。
在模拟电路，由Rc组成的无源滤波电路中，如图3.4滤波电路原理图。
图3.4滤波电路原理图
在图3.4滤波电路原理图中，跟积分电路有些相似（电容C都是并在输出端），但他们是应用在不同的电路功能上。
积分电路主要是利用电容C充电时的积分作用，在输入方波情形下，来产生周期性的锯齿波（三角波）。
因此电容C及电阻R是根据方波的Tw来选取，设计中利用Rc滤波来滤除三角波信号，和按照设计要求滤除高频信号。
根据公式：
f=1/2πRc（式3.12）
确定Rc的参数值，达到设计要求。
计算出电容C1的取值为0.1uF，电阻R1的取值约为2K，电容的参数值是参照低频点的数值来确定，对于电源的滤波电路，理论上C值愈大愈好。
3.4比较器模块设计
比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。
由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。
电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高。
另外有电源V+及地（这是个单电源比较器），同相端输入电压Va，反相端输入Vb。
Va>Vb时，Vout输出高电平（饱和输出）；Vb>Va时，Vout输出低电平。
输出电平变化与Va、Vb的输入端有关。
图3.5比较器电路原理图
图3.5是由运算放大器组成的比较器电路，如果输入电压Va经分压器R2、R3分压后接在同相端，那么Vb通过输入电阻R1接在反相端，Rf为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与Va、Vb及4个电阻的关系式为：
Vout=（1+Rf/R1）·R3/（R2+R3）Va-（Rf/R1）Vb。
如当R1=R2=0（相当于R1、R2短路），R3=Rf=∞（相当于R3、Rf开路）时，Vout=∞。
增益将成为无穷大，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。
根据公式可以计算出R1，R2的取值都为20K，反馈电阻Rf为5.1K，R3取1K，由于元件的误差实际的取值有较小的变动。
实际上运放是处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。
4电路的验证与分析
从仿真软件（附录1.1、1.2）中观察到，在方案一中尽管输出波形符合要求，但是由于三角波失真，从而放弃原有的三角波发生器改变电路，修改参数后达到要求（附录2.1、2.2），改变原有焊接电路，由于在方案一中和方案二中没有稳压管出现部分失真，导致比较器的输出端得到较小幅值的波形，未能达到理想结果！
焊接使用的方法是：
首先先看原理图，考虑好后把中心元件LM324摆放好，分块焊接，先焊三角波部分、加法器部分、滤波部分和比较器部分，为了能让电路少走弯路，我先把元器件按原理图先在板子上笔画着，如果出现电路无法走线了，我是将引脚错开位焊接，也有利于后面电路好走线，在这过程中，我发现一种可以利用的走线，就是电阻两引脚之间的空隙，我的接地线就是从中引出来的，在焊接中用到了铁丝，有助于拖锡。
尽量避免跨线，周线等，还有一定要留出电路5个波形测试点。
最后，整合各模块电路。
保证每块的接点对应连上。
调试方法：
首先用信号发生器把要求的正弦波调好，因为要求是500HZ，试验台上我们应该用2K档位的，峰峰值用幅度旋钮调节到0.20V，将示波器探头接到留好的测试端口，先调节周期，用TIME按钮，再调节幅度，用VOLTS按钮，使输出波形看着没有明显失真就行，最后观察是否满足要求，如果不符合从复以上操作，满足要求为止。
在调试三角波测试中，如果出现毛刺现象，我们可以增大电容容值进行滤波，情况好多了，周期没有达到要求，我们进行电位器调节，来改变周期以达到要求，加上正弦波后，输出端输出的是三角波，依然出现毛刺，我们还是用10uF电容进行替代的，换上大点电容后幅度下降了，这是需要改进的。
如果波形有失真。
经过对直流源和电位器的调节，失真可以降到最小。
波幅和周期不够准确。
通过示波器上的电压和周期旋钮调节结合电路的调整，解决了问题。
如果加法器输出的Ui2,只见屏幕上波形重叠，微闪，后经过滤波器调节电容参再
测时可以得到较为稳定的正弦信号。
5总结
通过三天的共同努力，互相帮助，解决了很多我们认为不可能完成的任务，非常感谢张争明同学放弃了中午睡觉的时间焊接电路，制作的电路波形基本符合要求，由于电路出现失真较大，在优化后的电路图中，非常感谢孙洋同学为了赶时间延长工作时间，最后也能达到预计试题的要求。
我自己通过模拟仿真制作，在设计和调试的过程中，在焊接的过程中协助他们修改参数，反复的验证逐渐的接近要求。
虽然最后电路与题目要求出现一定偏差。
但是通过模拟仿真软件仿真却是正确的，以后在焊接电路过程中，电路布线应尽可能降低接地的阻抗而引起的附加噪声，尽可能地缩短走线长度；避免输入与输出之间有害的耦合。
只有这样才会得到良好的测试结果。
非常感谢在设计过程中老师和同学的帮助。
，
附录
附录方案一
1.1原理图
1.2模拟仿真图
附录方案二
2.1原理图
2.2模拟仿真图
2.3电路模拟仿真图
2.4电路图
2.5焊接电路电路图
附录2LM324内部结构图
附录3元件清单
名称
型号
数量
备注
示波器
通用
1
函数信号发生器
通用
1
万用表
数字式
1
稳压二极管
1N4728A
2
电阻
20K
2
电阻
10K
5
电阻
1K
5
电阻
2.5K
2
电阻
5.1K
1
电容
0.1uF
2
可调电阻
50K
1
供电电源供电电源
+15V电源
1
电解电容
100uF
2
四运放芯片
LM324N
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