集成运算放大器应用报告书.doc

韶 关 学 院

课程设计说明书（论文）

设计题目： 集成运算放大器应用
课程名称： 电子技术课程设计
学生姓名： 周沛纯
学 号： 13101072056
院 系： 物理与机电工程学院
专业班级： 13电子2班
指导教师姓名及职称：罗欢 助教
陈锦儒 助理实验师
起止时间： 2015 年 3 月 — 2015年 6 月
课程设计评分：
（教务处制）

摘 要
波形发生器的设计
摘要：各种电器设备要正常工作，常常需要各种波形信号的支持。电器设备中常用的信号有正弦波、矩形波、三角波等。在电器设备中，这些信号是由波形产生和变换电路来提供的。这种能够产生多种波形，如三角波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器产生的各种波形能满足现代 测量、通信、自动控制和热加工、音视频设备及数字系统等对各种信号源的需求。在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
本设计采用先产生方波，三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计，利用集成运放构成的比较器和电容的充放电，可以实现集成运放的周期性翻转，进而在输出端产生一个方波。再通过积分器产生三角波，最后通过正弦波转换电路形成正弦波。
关键字：正弦波，锯齿波，方波，函数信号发生器。
The design of the waveform generator
Abstract:A variety of electrical equipment to work properly, which often need the support from a variety of wave form signals. Electrical equipment commonly used in signal sine wave, square wave, triangle wave. In electrical equipment, these signals are generated by the waveform and the conversion circuit to provide. This can produce a variety of waveforms such as triangular wave, rectangular wave (including square), the sine wave signal generator circuit is called a function. Function generator for a variety of waveforms to meet the modern measurement, communications, automatic control and thermal processing, audio and video equipment and digital systems, the demand for a variety of sources. Production practices and technology in the field has a wide range of applications.
This design USES to produce square wave, triangle wave, triangle wave transform into sine wave again circuit design, integrated op-amp composition of comparator and capacitor charging and discharging, can realize integrated op-amp periodic reverse, and then in a square wave output. By triangle wave integrator, finally formed by sine wave conversion circuit sine wave.
Key words: Sine wave, sawtooth wave and square wave, function signal generator.
目 录
1. 课题任务 1
2. 电路设计原理 1
2.1 方波原理 2
2.2 锯齿波原理 3
2.3 1V正弦波I原理 3
2.4 1V正弦波Ⅱ原理 4
3. PCB电路板制作 5
3.1 DXP2004软件简介 5
3.2 MULTISIM简介 5
3.3 原理图设计 5
3.4 波形发生器PCB板图设计 5
3.5 腐蚀加工与PCB板直观检查 6
3.6 焊接与通电前测试 6
4.波形发生器的测试 6
4.1 脉冲波波形测试 6
4.2 锯齿波电路测试 7
4.3 正弦波I波形测试 7
4.5 常见故障检测分析 8
4.5.1 计算问题 8
4.5.2缺少滤波电容 8
件。4.5.3线路短路或者断路 8
5.总结 8
附录 11
附录A：电路原理图 11
附录B：PCB电路板图 12
附录C：实物照片 12

ii

正 文
运算放大器应用设计
专业班级：13电子（2）班
指导教师：罗欢
陈锦儒 助理实验师

1. 课题任务
使用555芯片和一片通用四运放LM324芯片,设计制作一个频率可变的同时输出脉冲波,锯齿波,正弦波1,正弦波2的波形产生电路.要求每道输出波形的负载均为560欧姆,且四种波形的频率关系为1:1:1:3;脉冲波,锯齿波,正弦波1输出频率范围为8KHz—10KHz,输出电压幅度峰峰值为1V；正弦波2输出频率范围为24KHz—30KHz,输出电压幅度峰峰值为9V。

2. 电路设计原理
选用的是第三方案
NE555 组成的多谐振荡器产生8-10KHZ脉冲波，并且在二六脚产生8-10K的三角波形，通过电压跟随器引出波形信号，后级低通滤波器将三角波内的基波分量滤出。即8-10KHZ正弦波。级联带通滤波器从多谐振荡器引入8-10K脉冲波信号，滤除三次谐波，即24-30KHZ的正弦波。每个电路由电阻进行分压。

2.1 方波原理

接通电源后，电源VCC通过R1和R2对电容器C进行充电，当UC<1/3VCC时候，芯片3脚输出VO=1，放电管截止。当电容器C充电到UC>2/3UCC时候，输出翻转V0=0，此时放电管导通，使得放电端（DIS 7脚）接地。电容C经过R2对地放电，使得UC下降，当UC下降到UC<1/3VCC时候,芯片输出翻转VO=1,使得放电管截止,放电端(DIS 7脚)不接地,电源VCC再次对电容器充电.周而复始.使得输出端V0产生连续变化的脉冲波形.

频率：F=1/0.693（R1+2R2）C=1.44/（R1+2R2）C Hz
取 C＝10nf,得到R1=10k,,R2=3k
名称
计算值
实测值
R1
10K
9.8K
R2
3K
2.5K
C1，C2
10nf
10nf

2.2 锯齿波原理

电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，使前、后级电路之间互不影响。

2.3 1V正弦波I原理

计算公式：（1）根据截止频率fc,选择电容C（单位为uF），满足下式：K=100/fcC
          (2)从表中查处与Av对应的电容值，及K=1时的电阻值。再将这些电阻值乘以参数K，得到电阻的设计值。
取K=5，fc=9KHz 带入K=100/fcC  得C=0.0022uF,取Av=2,
5
名称
计算值
测量值
R10
5.63K
5.5K
R11
11.25K
11.02K
R12，R13
33.76K
31K
C
220nf
220nf

2.4 1V正弦波Ⅱ原理

计算公式：（1）根据截止频率fc,选择电容C（单位为uF），满足下式：K=100/fcC
          (2)从表中查处与Av对应的电容值，及K=1时的电阻值。再将这些电阻值乘以参数K，得到电阻的设计值。
取K=4，fc=27KHz 带入K=100/fcC  得C=800nF,取Av=2
3. PCB电路板制作
3.1 DXP2004软件简介
DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。DXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合， DXP提供了全面的设计解决方案。
3.2 MULTISIM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。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

3.3 原理图设计
运用555发生器产生脉冲波,将脉冲波连接到射极跟随器,使其输出锯齿波.再根据二阶低通滤波器和二阶带通滤波器的设计原理,通过调整参数使其分别输出正弦波1和正弦波2.

3.4 波形发生器PCB板图设计
将设计好的原理图导入PCB, 设置导线和焊盘的参数使其适应后期的腐蚀加工.调整各个元器件的位置,使得线路简洁,版面看起来清晰有条理,连接各元器件.检查板图无疏漏后,加上泪滴,附上姓名班级.

3.5 腐蚀加工与PCB板直观检查
将碳粉经由高温附着在铜板上,利用腐蚀剂对未附着碳的铜板的腐蚀效应,将所需的电路呈现在腐蚀后的铜板上.
3.6 焊接与通电前测试
用电烙铁和锡,将元器件按照厚度由小到大的顺序焊在铜板上,注意焊的时候要小心,不要虚焊了.通电前,用万用电表测试每条线路的导电情况,虚焊或者断开的要即使焊好.

4.波形发生器的测试
4.1 脉冲波波形测试
测试成功后的脉冲波波形如图4.1所示。

图4.1 脉冲波波形图

4.2 锯齿波电路测试
锯齿波波形图如图4.2所示。

图4.2 脉冲波波形图

4.3 正弦波I波形测试
正弦波I波形图如图4.3所示，

图4.3 脉冲波波形图

4.5 常见故障检测分析
4.5.1 计算问题
各个波形的参数,可以按照公式计算出数值,在仿真上以理想的方式实现波形发生器的设计.但因现实条件的限制,电阻阻值不能做到如此精细多样,因此需要依据现有的电容和电阻,运用并联串联原理设计出适合的元器件应用在原理图上.

4.5.2缺少滤波电容
滤波电容是并联在整流电源电路输出端，用以降低交流脉动波纹系数、平滑直流输出的一种储能器. 滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。没有滤波电容,电路产生的脉冲波会出现杂波.
件。4.5.3线路短路或者断路
当线路短路或者断路时,会影响电路的连接,导致波形无法产生或者波形失真.因此,在焊接好电路,应用万用电表检查电路是否有短路或者断路的问题.

5.总结
经过了两年的学习和沉淀,对于电工电子技术方面的知识掌握,从一开始的懵懂无知,到如今的水平,不能说是小有成就,一知半解可能更恰如其分一点,这也奠定了每学期的电子技术实践课程里,我一路都是跌跌撞撞.虽是如此,经过每一学期的操作实践,我对这门技术的理解,还是以阶梯状的小幅度形式蹭蹭往上涨的,即使是难度又升了一级的这学期也不例外.
这一学期的实践内容是制作一个波形发生器.内容大体上是使用555芯片和一个通用四运放LM324芯片,设计制作一个频率可变的同时输出脉冲波,锯齿波,两个频率和幅值不同的正弦波.当然,像每一次做板的开始一样,万事开头难,不知道从何入手.还好,在讲义上,我找到了思考的方向.讲义上提供了三种方案,按照两个芯片以不同方式的连接便可以产生波形.有了大致的方向,我便开始着手画图了.对于脉冲波,需要555芯片和两个电阻电容的连接,而电阻电容的数值和频率又存在一定的关系,根据公式,确定了频率的大小,电阻电容的大小也就决定了.由此,脉冲波的电路便设计好了.射极跟随器的设计比较简单,将输出的脉冲波连到四运放芯片的负极端,将正极端连到输出端,再加上分压电阻和负载电阻,整个锯齿波的设计就完成了.对于两个正弦波,设计方法和脉冲波的一样,都是根据频率和电阻电容的关系,由已知的频率求出电阻和电容,不同的一点是两个正弦波的频率是一比三的关系.如此整个电路图的大致轮廓就出来了.但,即使是具备最理想状态的仿真,各元器件的参数值与理论值也是有差距的.因此,还需要在仿真图上适当的修改电阻电容值,是波形达到理想状态.
仿真图是整个制作过程中极重要的一环,仿真图成功了,标示着向成功迈出了一大步.接下来就是画原理图了.有了仿真图的借鉴,原理图的制作难度系数比较小.值得注意的是,仿真图用的有着精确阻值容值的电阻电容,在现实条件中并不具备,因此,需要用串并联或者取近似值的办法接入电阻电容.这大概就是画原理图遇到的难点了,而做好原理图之后需要仔细得检查,因为原理图决定着PCB的连接方式,与其近乎有共呼吸同命运的微妙关系,原理图的重要性可见一斑,实际中我就是因为原理图的一步错走了些弯路.
原理图之后,就是导入PCB了.总的来说,PCB的制作是整一制作过程中较为简单的一步.相较上学期的堪称魔鬼训练手册的四位加法器,元器件之少,连接之简易,基本就是小巫见大巫了.调整各元器件的位置,使得排版简洁,布线简单.这虽然是见仁见智的环节,在我看来更像是考验逻辑能力的步骤,有人能用极为简练的线条布图,也有人整张图上都是密密麻麻的线条.由此可见,我的逻辑能力就是一般得不能更一般了.
打印,腐蚀,焊接,这便成就了一个半成品的波形发生器.接下来就是极为坑人品的调试了.由于电阻的误差以及一些人力不可违的因素,调试的成功几率比中彩票高一点,可遇不可求,对我这种菜鸟来说.刚开始接上电源的时候,脉冲波是呈一条直线的.试了很久还是没什么起色,无奈之下,我又重新检查了下原理图和仿真,才发现我555芯片上少连了一根线.修正了之后,脉冲波锯齿波和正弦波1都出来了,美中不足的是脉冲波有些滤波不好,正弦波有点失真.试着调了电阻电容,效果不是很好,但总归是似模似样得完成了.(正弦波2表示无能为力).
每一次做板,虽然过程跌跌撞撞,但总能克服重重阻碍,完成任务,并学习了知识,一步步成长.

附录
附录A：电路原理图

附录B：PCB电路板图

附录C：实物照片

13