放大器实现三角波.docx

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放大器实现三角波

课程设计（论文）说明书

题目：

放大器实现三角波

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摘要

利用集成运算放大器的优良特性，接上少量的外部元件，可以方便的构成三角波发生器电路。

由于集成运算放大器本身高频特性的限制，一般只能构成频率较低的RC振荡器，在电压比较器电路中引入正反馈，构成迟滞比较器，就能产生三角波了。

为实现目标，我选用OP07芯片。

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

关键词：

三角波；OP07运放；Multisim；AltiumDesignerWinter09。

Abstract

Usingthegoodcharacteristicsofanintegratedoperationalamplifierandconnectedtoasmallnumberofexternalcomponents,youcaneasilycreateatriangularwavegeneratorcircuit.Sincethehigh-frequencycharacteristicslimitofintegratedoperationalamplifier,itcanonlybeformedaRCoscillatorwithlowfrequency.Byintroducingapositivefeedbackinthevoltagecomparatorcircuit,atriangularwavecanbegenerated.

Toachievethegoal,IchooseOP07chip.The0P07isaprecisionoperationalamplifierwithverylowinputoffsetvoltage（10μVtyp，25uvmax．fortheOP07A）,inputoffsetdriftof02μV/℃andlowinputbiascurrentOfO7nA.Thewideinputcommonmoderangeof±14VcombinedwithhighCMRRof110dBminimum（OP07A）,plushighinputimpedanceandhighopen-loopgainmakethesedevicesparticularlyusefulforhigh-gaininstrumentationapplications.Theexcellentlinearityandgainaccuracyaremaintainedathighopen-loopgains,overbothtimeandtemperature．The0P07hasbecomeanindustrystandardandMaxim'sreliabilityandqualityareaddedadvantages．

Keywords:

triangularwave;OP07operationalamplifier;Multisim;AltiumDesignerWinter09

引言

学习了模拟电子电路及其他许多课程的理论知识后，可以通过一次三角波发生器电路的课程设计来巩固及提高。

本次课设使用两块OP07芯片作为核心器件。

电路由迟滞比较器及积分电路共同组成。

选用相应的电阻、容及稳压管后组成电路，实现三角波输出。

1系统简介

1.1OP07芯片介绍：

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

●特点：

超低偏移：

150μV最大

 低输入偏置电流：

1.8nA

 低失调电压漂移：

0.5μV/℃

 超稳定时间：

2μV/month最大

 高电源电压范围：

±3V至±22V

图1OP07外型图片

●OP07芯片引脚功能说明：

1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+

OP07管脚图

1.2电路元件配置

OP07运算放大器两个

1MΩ滑动变阻器一个

100nF电容一个

2kΩ电阻一个

3kΩ电阻两个

4.7kΩ电阻两个

10kΩ电阻一个

2硬件电路设计及原理

2.1电路设计及原理

2.1.1电压比较器

电压比较器是集成运放的一类基本应用电路，其功能是对两个输入电压的

幅度进行比较，结果以高电平和低电平两种状态输出。

电压比较器常常在测量电

路、自动控制系统等电路中作A/D转换单元，另外，在信号处理和波形发生电路

中也有广泛使用。

电压比较器可以由通用集成运放组成，也可以采用专用的集成电压比较器。

通用的集成运放响应速度慢，输出电平较高，为适应TTL逻辑电平的要求，运放

输出端还需加限幅措施；集成电压比较器的响应速度快，精度高，可以直接驱动

TTL等数字集成电路。

在下图迟滞电压比较器中，当输出电压为正饱和值+时，加在同相端的电压为：

当输出电压为负饱和值-时，加在同相端的电压为：

迟滞比较器

因此u+作为比较电压有两个可能取值和，究竟取哪一个值决定于输入电压

的大小和变化方向。

如下图所示。

假定开始较低，因此＝+，这时，而且只要＜，便维持+不变。

若上升并超过，也就是加在反相端上的电压开始超过同相端电压，因此将翻转成-，发生负向跳变，这一变化加在同相端上因而引起正反馈，加速的负向翻转速度，使其波形边沿变陡。

这时也发生相应的负向突变，由变成。

此后只要＞，输出便保持在-值。

若又下降开始低于（即加在反相端电压低于同相端电压），因此又将由-变到+，使也由变到。

这一正反馈过程同样能加速输出的翻转，形成正向跳变。

此后只要

＜，输出便又维持在+。

2.1.2积分器

输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。

在这个课设中，积分器要使比较器输出的方波转换为三角波。

由于前级电路的影响，这里选用反向积分器。

电路如下图所示

反向积分器

2.1.3三角波电路

三角波发生器电路由迟滞电压比较器与积分电路构成。

如下图所示。

图中，运放和电阻、构成迟滞电压比较器，为的平衡电阻，其输出电压幅度被稳压管限制在±，电阻为稳压管的限流电阻；运放和电阻R、电容C构成反向积分器，同相输入端所接电阻为平衡电阻。

反向积分器的输出电压经送回到迟滞比较器的同相输入端，与门限值电压比较，从而控制比较器状态的翻转。

三角波发生器原理图

当迟滞电压比较器的输出为高电平时，由于为反向积分器，则对积分，使按线性规律逐渐下降，直至降到迟滞比较器的门限电压，此时，迟滞比较器的状态发声翻转，输出电压由高电平跳变到低电平，=-。

由于与呈反向积分关系。

则开始按线性规律上升，一直持续到的幅度升至门限值电平，使迟滞电压比较器的输出状态又一次改变，周而复始，形成震荡。

由于积分电路输出电压的上升时间与下降时间相同，且其斜率绝对值也相同，故可以产生三角波信号。

设电容C的初始电压为零，并且t=0时，迟滞电压比较器输出为高电平，即,而此时同相输入端的电压与及的输出电压有关，由叠加定理可以求得

由于迟滞电压比较器反相输入端电压为零，根据集成运放的“虚短”特性，可以得到迟滞电压比较器输出电压状态发生翻转在处，此时积分器输出的最大值（即三角波的最大输出幅度）用表示，则

可求出三角波的输出幅度为

另外，的输出与为积分关系，若从开始积分，到的状态翻转为，也由负最大值上升至正最大值时，所经历的时间为半个周期。

因此，输出电压的表达式为;

即，可得三角波的震荡周期为

……………………………………………①

由①式可以看出，三角波的幅度与迟滞电压比较器的电阻比值和稳压管的稳压电压有关，改变和，可以改变三角波幅度大小；三角波的震荡周期也与有关，而且还与积分电路的时间常数有关，通过改变和，可以调整三角波的振荡周期。

通过公式①，设定f=的值，进而通过比例计算出的值（R、C提前固定下来）。

则分别与两个运算放大器的同相端等效阻抗相等。

因此，通过计算选定为3kΩ，为4.7kΩ；为3kΩ、为2kΩ；为10kΩ。

3Multisim10仿真

3.1Multisim10简介

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim10具有以下优点：

●通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路

●通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为

●借助高级电路分析,理解基本设计特征

●通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试

●通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间

3.2Multisim10仿真

根据前面的原理图及计算出的相关阻值，就可以利用Multisim电子设计软件进行仿真了。

Multisim10仿真主要有两个步骤，下面将以OP07CP为例说明。

3.2.1取用元器件

1.从菜单（或右键）取用

Place/PlaceComponent命令打开SelectaComponent窗口。

2.选中相应的元器件

按顺序在Database项卡中选择MasterDatabass；Grop中选择Analog；在Family中选则OPAMP；在右边的Component中找到OP07CP点击OK，在编辑界面左键放下即可。

3.2.2将元器件连接成电路

在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后，用鼠标就可以方便地将器件连接起来。

方法是：

用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点。

在Multisim中连线的起点和终点不能悬空。

连线完成后的原理图为：

仿真图如下：

另外需要说明的是，Multisim的仿真结果与实际有时会有很大出入。

因此，其结果有一定参考意义，但不可作为具体依据。

4AltiumDesignerWinter09工程设计

根据实验目标，在网上或是图书馆查找相关资料，寻找最适合自己开发板的电路原理图，有必要的话，还可以根据实际需要，对其加以修改，以满足电路功能的需要。

在确定好所要使用的电路原理图之后，便可以用相关的电子设计软件在电脑上绘制出它的总体原理图以及相应的PCB图形。

在本次课程设计中，采用Multism电子设计软件来绘制原理图，仿真成功后利用AltiumDesignerWinter09绘制相应的PCB图。

4.1AltiumDesignerWinter09功能简述

AltiumDesignerWinter09主要用于电路原理图设计、电路板设计等，它不仅在绘制原理图、PCB板布局布线等方面功能更加完善，而且为用户提供了功能强大，使用方便的电路仿真器，它可对所设计的电路原理图进行模拟、分析、验证，即时的反映所设计电路的性能。

它基于Windows环境，功能强大，人机界面友好，能让人们在具有最完整的功能环境下，提升设计上的品质和效率。

按照系统功能来划分，其主要有以下六个功能模块。

它们分别为电路原理图设计部分、印刷电路板设计系统、自动布线系统、电路模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统以及高级信号完整性分析系统。

AltiumDesignerWinter09作为一种电路图绘制工具,能够对所设计的电路在电脑上进行布线。

它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。

由于其功能如此强大，我们可以用它来完成课设电路设计。

4.2电路原理图设计

打开AltiumDesignerWinter09设计软件，新建一个工程。

在此工程下，建立一个以.schdoc为后缀的原理图文件，将要求设计的各个电路功能模块整理后，合理地绘制到同一个新建原理图文件中。

电路原理图的设计一般有以下几个步骤，它们依次为：

（1）启动AltiumDesignerWinter09电路原理图编辑器：

单击Windows任务栏的“开始”图标，在“程序”菜单中选择AltiumDesignerWinter09命令，便启动了AltiumDesignerWinter09。

（2）设置电路图纸尺寸以及版面：

用户可以设置图纸的尺寸、方向、网格大小以及标题栏等。

（3）在图纸上放置设计需要的元器件：

用户根据实际电路的需要，从元器件库里取出所需元器件放置到工作平面上，并对元器件的位置进行调整、修改。

（4）对所放置的元器件进行布局布线：

将工作平面上的器件用有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的电路原理图。

（5）对布局布线后的元器件进行调整：

为了保证原理图的美观和正确，就需要对元件位置进行重新调整。

导线位置进行删除、移动、更改图形尺寸、属性及排列等。

遵循以上原则，画出的原理图为：

4.3PCB板图的设计

虽然此次实验较为简单，但对于PCB的布局和布线，仍需要一定的经验和技巧。

4.3.1PCB元件布局

当电路原理图编辑好之后，新建一个PCB文档，将电路原理图导入到PCB文档中。

若有错误，查看错误提示，直至修改至正确为止。

进行PCB设计前应仔细审阅电原理图中及器件库提供的元件型号、规格，特别是外形尺寸、封装形式、引脚、管脚排列顺序，从整体上考虑元件的安装与布局。

因为原理图中芯片的管脚排列很可能与实际的管脚排列顺序不一样，导致原理图正确但实际做出来却出不了波形，甚至烧坏器件。

在电路原理图定型之后，便开始考虑PCB排版设计了。

PCB设计过程中，布局是一个重要的环节。

布局结果的好坏将直接影响布线的效果。

对系统布局完毕以后，要对PCB图进行审查，看系统的布局是否合理，是否能够达到最优的效果。

布线时，应注意线的宽度不应过小，大于1mm以上比较合适，否则，腐蚀时容易断线，导致后期补锡过多，影响板子美观及电路质量。

另外，布线不能过密，过密的地方稍微拉开一点，否则容易导致焊锡困难。

遵照布线规则，再对比原理图，决定了电路板的布局：

将两个重要部件—OP07芯片放在板子中间，中间夹着滑动变阻器；在板子下部，对比原理图的布局，按顺序将电阻及两个稳压管放好；在板子上部放置方波、三角波输出信号接口，及±12V电源输入管脚；在板子右边放置电容及GND接口；空出的左边用来写姓名及学号。

4.3.2PCB的布线

由于本实验所用元器件数量较少，布线较为容易。

也可以利用Protel09的自动布线功能进行自动布线，然后在其基础上进行修改，美化。

PCB的设计步骤可以总结成下面的流程图：

图17PCB板的设计流程

根据总体设计，采用Protel09进行硬件电路的设计，在遵守布局和布线规则的前提下，保证电路的安全可靠，还要兼顾电路的美观。

进行总体综合布局布线，最后生成的PCB板图如图所示：

电路PCB图

4.4电路板的制造与测试

PCB图设计好以后，就进入了电路板的实体制造与测试阶段。

电路板的制造质量及对其的测试、改进，对最终的波形质量都起很大影响。

因此，这个阶段也很重要。

4.4.1电路板的制造

打印好PCB图纸后，将其押压在打磨好的铜板上并固定好。

然后送入压印机至少压印两次。

待冷却后，拆开纸。

如果断线很少或没有，则用碳素笔将可能断的地方描一遍，后开始腐蚀；否则，则擦除重印。

腐蚀时，应注意，在拨动板子的时候，避免碰到墨线；否则容易断线，导致腐蚀失败。

腐蚀成功后，则开始焊接原件。

在焊接前，应使用万用表再测试一次电路连通性，确认无误后，对照PCB原理图，开使焊接元件。

焊接时，注意不要碰到旁边的线路。

不慎碰到，用吸锡器吸除。

焊好后，用万用表再测试一次电路，确保焊接无误。

4.4.2电路板的测试

焊接成功后，则开始对电路板进行测试。

测试时，应特别注意电源的接法，因为接反极易烧坏芯片。

最好在板子上标上标号，以防接错。

接好电源及示波器后，观察波形。

若没有波形，则仔细观察板子，看焊接有没有出问题，若发现问题，则修改，再测试。

若看不出问题，则从原理图开始检查问题。

一般这样一轮下来，都可以解决问题，显示波形。

波形出来以后，调节滑动变阻器，观察频率变化范围，记录数据。

若对波形及频率变化范围不满意，则同过改变相关电阻阻值，或者使用其他运放芯片再测试一次。

而后再记录数据。

4.4.3数据记录

通过多次测试，记录的数据为：

可调频率范围：

5.61～1.53K（HZ）

结论

通过本次课设，我对电路板的整个设计、制造、测试过程有了更清楚的认识。

同时，更加熟悉了对Multisim、AltiumDesignerWinter09等电子设计软件的使用。

通过对三角波发生器原理的复习，也进一步复习了模电等课程的相关知识。

使自己的理论水平及动手能力有了新的提高。

另外，通过这个过程，体会到其中的辛苦。

特别是当调试不断失败，甚至芯片烧坏时，体会到内心的郁闷及懊悔。

同时，也感受到了波形出现在示波器中时，心中的喜悦。

通过这段经历，也使我在面对困难时能够以更坦然的心态去面对。

谢辞

参考资料

[1]王卫东.模拟电子电路基础[M].西安:

西安电子科技大学出版社,2006.2.

[2]韩国栋,赵月飞,娄建.AltiumDesignerWinter09电路设计入门与提高[M].北京:

化学工业出版社,2010.

[3]张新喜.Multisim10电路仿真及应用[M].北京：

机械工业出版社，2010.

附录

Multisim原理图：

PCB原理图：

PCB图：