简易函数信号发生器的设计报告 - 图文

漳州师范学院

《模拟电子技术》课程设计

设计题目：简易函数型号发生器的设计

姓 名： 学 号

系 别：物理与电子信息工程系 专 业：电气工程及其自动化 年 级： 指导教师：

2012年5月9日

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目录

摘要

一 系统设计 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 4

1. 设计任务 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 4 2. 设计要求 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 4

二 方案选择与比较 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 5 三 电路设计原理 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 7

1． 系统原理 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 7 2． 方波--三角波发生电路 ┄┄┄┄┄┄┄ 8 3． 正弦波发生电路 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 9 4． Multisim软件仿真 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 11

四 PCB布板 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 14 五 实物安装与调试 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 15

1． 实物图 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 15 2． 测试的波形 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 16

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3． 实验结果分析及与仿真对比┄┄┄┄┄┄ 19

六 设计总结 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 20 七 原件清单 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 21

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摘要

本方案采用LM324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易函数信号发生器。LM324集成运放放大器芯片中四个独立的运算放大器可分别构成滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路。通过滞回比较器产生方波，再由积分器将方波变换为三角波然后通过二阶有源低通滤波器电路将三角波转换为正弦波。这样就可以构成一个简易的函数信号发生器。

关键词：LM324；滞回比较器；积分运算器；二阶有源低通滤波电路

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一 系统设计

1 设计任务

利用集成运算放大器LM324设计一个简易函数信号发生器，要求能产生正弦波、方波和三角波三种波形。

2 设计要求

采用双电源供电形式：电源Vcc=+12V、VEE=-12V；要求在2KW输出信号满足：

（1）正弦波：Vpp≥10V；方波：Vpp≤14V；三角波：Vpp≤8V ； （2）频率范围：200Hz～3KHz范围内连续可调； （3）波形无明显失真。

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二 方案选择与比较

1方案1：

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。

系统框图

方 波 三角波 正弦波 电 源 滞回比较器 积分器 二阶有源低通滤波器 2方案2

主要是应用集成运放LM324，其芯片的内部结构是由4个集成运放所组成的,通过RC文氏电桥可产生正弦波，其特点是振幅和频率稳定且方便调节能够产生频率很低的正弦信号；然后通过过零比较器能调出方波,并再次通过RC积分电路就可以产生三角波，三种信号频率相同。此电路具有良好的正弦波和方波信号，但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。

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系统框图

正弦波 方波 三角波 正弦波振荡电路 RC

过零比较器 积分电路

3方案3

也是利用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。产生方波和三角波的过程与方案2相同而正弦波则是通过折现法实现三角波到正弦波的转换。此方案优点是不受输入电压频率范围的限制，便于集成化，但是反馈网络中电阻的匹配比较困难。而且器件多、电路结构复杂从而造成PCB排版难度加大。

由于方案2经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度，方案3的器件多、电路结构复杂从而造成PCB排版难度加大。而方案1的电路具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定等特点。所以最终我选择方案1。

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三 电路设计原理

1系统原理

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。

系统电路原理图

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2方波——三角波发生电路

2.1原理图

2.2参数选择及计算

方波三角波发生电路由同向输入的滞回比较器和积分运算电路组成。积分运算电路既作为延迟环节又作为方波变三角波电路，滞回比较器和积分运算电路的输出互为另一个电路的输入。

方波的输出电压幅度由稳压管D1、D2共同决定。在设计中，D1、D2均选用5.1V的稳压二极管，则他们的稳压幅度Uz为

+Uz=5.1+0.7=5.8(V)

其中，0.7V为二极管D1正向导通的管压降。

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-Uz=-（5.1+0.7）=-5.8(V)

其中，0.7V为二极管D2正向导通管压降。 所以

Uo1=±UZ＝±5.8(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U01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U02。U02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。根据设计要求方波：Vpp≤14V；三角波：Vpp≤8V可设R1为12(kΩ),R5为22 (kΩ)。

第二级电路的输出电压幅度为：

+U02＝R1/R5 UZ =6/11+ UZ=3.16（V） -U02＝R1/R5 UZ =6/11- UZ=-3.16（V）

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＝4R1(R 10+RW1)C1/ R5

Tmin＝4×12×103×1000×0.1×10－6/(22×103)

Tmin＝0.218(ms)

Tmax＝4×12×103×(1000+20000)×0.1×10－6/(22×103)

Tmax=4.58(ms)

则振荡频率为：

fmax＝1/ Tmin＝1/0.218×10-3=4.5(KHz) fmin＝1/ Tmax＝1/4.58×10-3=218(Hz)

调节RW1可使电路的频率在200Hz～3KHz范围内连续可调，电路参数按此设定后其频率范围理论上近似满足设计要求。

3正弦波发生电路

3.1参数选择及计算

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U02进行滤波。U02经过第三级电路的滤波之后，变换成正弦波信号后由U03输出。U03

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输出信号的周期与U02输出信号的周期相同。因为R8=I.5 kΩ,R9=5.1kΩ，RW2=20 kΩ所以

U03＝RW2/( R8+ R9 )U02=20/6.6 U02=9.5(V)

而第三级电路的上限截止频率为：

fH＝1/(2πRC)

上述公式中，

R=6.6kΩ

C＝0.01μF

fH＝1/(2×3.14×6.6×103×0.01×10－6)＝2411(HZ)

这说明，第三级电路将阻止频率高于2411HZ的信号通过。

3.2原理图

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4 Multisim软件仿真

4.1仿真电路图

4.2仿真频率范围

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4.3仿真波形

方波——三角波波形

正弦波波形

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4.4 LM324芯片简介

LM324带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点。该四放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的电源下，静态电流较小。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。 LM324芯片的引脚排列如下图所示：

相关参数及描述

运放类型:低功率； 放大器数目:4； 针脚数:14； 工作温度范围:0°C to +70°C；

增益带宽:1.2MHz； 工作温度最低:0°C ； 工作温度最高:70°C； 额定电源电压：+15V； 低偏置电流：最大100nA； 短路保护输出； 真差动输入级； 具有内部补偿的功能； 输入端具有静电保护功能；

电源范围：单电源3V至32V电源或双电源±1.5V至±16V；

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四 PCB布板

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五 实物安装与调试

1实物图

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2测试的波形

2.1测试的方波波形

波形 测试值 频率(Hz) 峰-峰值（V） 12.2 12.2 方波

fmin=223.5 fmax=3.848K 16

2.2测试的三角波波形

波形 测试值 频率（Hz） fmin=219.9 fmax=3.838k 峰-峰值（V） 7.04 10.7 三角波

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2.3测试的正弦波波形

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波形 测试值 频率（Hz） fmin=189.9 峰-峰值(V) 16.6 10.6 正弦波 fmax=3.546k f=1k 4.28~21.0 3实验结果分析及与仿真对比

由测试结果可知实际值与理论值、仿真结果近似相等，而实际值相对于仿真情况更加符合设计要求。仿真频率范围为209Hz~2.9KHz而实际频率在189HZ~3.4KHz内更符合要求的频率范围（200Hz～3KHz范围内连续可调）；实际方波峰-峰值为12.2V，实际三角波峰-峰值为6.8V~10.8V,实际正弦波峰-峰值为10.6V~16.6V满足设计要求的正弦波：Vpp≥10V；方波：Vpp≤14V；三角波：Vpp≤8V。

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六 设计总结

在这次课程设计中，经过反反复复的设计电路图，在课本上找原理，运用仿真软件画图，仿真，验证电路是否正确，焊接实物电路，拆了重做，再验证再调试。我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。动手能力得到很大的提高。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。从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的模电知识。在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。通过这种综合训练，我可以掌握电路设计的基本方法，提高动手组织实验的基本技能，培养分析解决电路问题的实际本领，为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。

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七 原件清单

器件类型 电阻 型号、参数 100Ω 470Ω 1k? 2KΩ 1.5KΩ 5.1KΩ 10k? 12KΩ 22KΩ 数量 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2 2 1 2 1 1 备注 电位器 瓷片电容 20KΩ 103 104 稳压二极管 集成芯片 插槽

5.1V LM324 14脚 21

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