集成运算放大器的应用.doc

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。函数信号发生器比较器滤波器加法器三角波产生器图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=1\*Arabic\*MERGEFORMAT1//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3.8)(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