基于LM324的简易波形发生器word文档良心出品.docx
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基于LM324的简易波形发生器word文档良心出品
设
计
报
告
作品名称：
基于LM324的简易波形发生器
作者：
何其洪
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
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
2.1LM324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1LM324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2LM324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，“Vo”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Vo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Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图3：
图3LM324引脚排列图
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。
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LM324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，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VREF；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。
UO1、UO2、UO3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UZ为：
+UZ＝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。
-UZ＝-（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，
UO1＝±UZ＝±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UO1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UO2。
UO2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VREF。
第二级电路的输出电压幅度为：
+UO2＝R1/R2UZ＝+UZ＝5.4（V）
-UO2＝-（R1/R2UZ）＝-UZ＝-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UO2进行滤波。
UO2经过第三级电路的滤波之后，变换成正弦波信号后由UO3输出。
UO3输出信号的周期与UO2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UO3的输出电压的幅度是UO2的两倍。
即：
UO3＝2UO2＝2UZ＝±10.8（V）
而第三级电路的上限截止频率为：
fH＝1/（2πRC）
上述公式中，
R＝R6＝R7＝3.9（kΩ）
C＝C2＝C3＝0.1（μF）
fH＝1/（2×3.14×3.9×103×0.1×10－6）＝408.30（HZ）
这说明，第三级电路将阻止频率高于408.30HZ的信号通过。
3系统测试
3.1测试工具
测试时所用到的工具如下表所示：
表1测试工具
序号
名称
型号
数量
1
万用表
GDM-8135
1
2
直流稳压电源
QJ3003S
1
3
数字示波器
EDU5022S
1
4
函数信号发生器/计数器
SP1641B
1
3.2数据测试与结果分析
将做好的电路系统的地线端接到电源的地电位端，正、负电源端分别接到电源的±12V接线端上。
注意电源的极性不要接反。
将示波器调于2V/1mS和5V/1mS处，用示波器的探头分别测试电路的UO1、UO2、UO3处，观察电路的输出波形。
测得的数据如下表所示：
表2测试数据1
被测项目
峰-峰值VP-P（V）
周期T（mS）
频率f（Hz）
被测端口
理论值
实际值
理论值
实际值
理论值
实际值
UO1
10.80
10.80
4.80
4.50
208.30
222.20
UO2
10.80
10.80
4.80
4.50
208.30
222.20
UO3
21.60
21.80
4.80
4.50
208.30
222.20
根据示波器的测试波形如下图所示：
图7输出波形
在电路中断开LM324第七脚与R6的接线，观测二阶有源低通滤波器
的输出UO3，从而观测电路的上限截止频率fH。
测得的数据如下表所示：
表3测试数据2
输入电压幅度VIP-P（V）
输入电压频率f（Hz）
输出电压幅度VOP-P（V）
4.00
100.67
8.20
150.48
8.60
200.01
9.20
300.46
10.40
350.84
11.00
459.99
10.40
574.36
7.80
600.80
6.20
800.90
3.40
1000.00
2.20
从测试的结果可以得出电路的截止频率fH为574.36Hz，这与理论计算值408.3HZ相差较大。
由上述的测试数据可以看出，在未断开LM324第七脚与R6的接线时，输出电压和频率的理论计算值与实际测量值的误差不是很大。
这证明前两级电路的设计和制作基本上是成功的。
但在单独测量第三级二阶有源低通滤波电路时，测试得到的结果就与理论计算值相差较大。
分析其结果，可能是由这几个原因造成的：
电路中的电容使用的是瓷片电容，它的标称值与实际值误差较大；电路中的电阻等其它器件可能也存在着一定的误差；外界环境中存在着电磁干扰，也可能对测试结果产生一定的影响。
3.3测试结论
经测试，电路的前两级的设计基本上符合设计的要求，但电路的第三级的误差较大。
误差可能是由元器件的误差和外界的干扰引起的。
为了减少误差，可以在电路的设计时选用精度更高的器件，并对电路做电磁屏蔽处理，以进一步改善电路的性能，减小电路的误差。
4设计结论
本系统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。
该电路基本达到了竞赛题目中要求的各项任务和功能，并且具有一定的实用性。
通过本次设计，加强了自己的理论水平，提高了自己的动手能力。
在制作电路的过程中更是学到了许多实践经验，如电路板的布线、元器件的识别和整机的调试等各方面的经验。
学到了许多课本上没有的知识，得到了很大的锻炼。
参考文献
1.康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，2003.03.
2.胡宴如.模拟电子技术.高等教育出版社，2000.08.
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