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八月 1 2019

基于四运算放大器LM324设计的信号发生器

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LM324LM324TexasInstruments低功率四通道运算放大器3V~40Vor±20V

目录

1.信号发生器简介
2.LM324运算放大器

3.电路原理分析

3.1RC振荡电路

3.2过零比较器

3.3积分运算电路

4.电路设计

4.1正弦波发生模块

4.2矩形波发生模块

4.3三角波发生模块

5.电路的仿真与调试
总结

  文中详细介绍了基于带有差动输入的四运算放大器LM324为关键元器件设计的信号发生器。该设计方案是根据RC桥式正弦波振荡电路造成正弦波,正弦波频率可根据调节电阻器及电容器保持输出数据信号频率在150Hz~30kHz中间的转换,再根据电压跟随器输出正弦波,正弦波根据零比较器整形为方波,方波经过积分与运算电源电路整形为三角波。输出的方波三角波频率与正弦波频率同样。这样设计出来的低频信号发生器构造简易、实现方便、性价比高,信号的频率与幅度均可以调节,波形稳定,谐波失真小,可满足基本模拟电路试验的规定。

  1.信号发生器简介

  信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备。在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数时,以及测量元器件的特性与参数时,用作测试的信号源或激励源。按照信号波形可分为正弦信号、函数信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。电路的搭建可以采用由运算放大器及分离元件,或是单片集成函数发生器构成。信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

信号发生器

  图1 信号发生器

  2.LM324运算放大器

  LM324集成芯片由四组运算放大器构成,其优点相较于标准运算放大器而言,电源电压工作范围更宽,静态功耗更小,因此在生活中有着极为广泛的应用。LM324的四组运算放大器完全相同,除了共用工作电源外,四组器件完全独立。以其中一组运算放大器为例分析,其内部电路共由两级电路构成,其耦合方式为电容耦合,这使得两级电路的直流工作状态相互独立,互不影响。其采用14脚双列直插塑料封装(DIP14),外型如图2所示:

LM324外型图

  图2 LM324外型图

  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3所示的符号来表示:

LM324内部的运放单元在电路中的符号

  图3 LM324内部的运放单元在电路中的符号

  它由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引脚排列图

  图4 LM324引脚排列图

  信号发生器是LM324运算放大器的典型应用,所以采用带有差动输入的四运算放大器LM324为核心器件,通过RC桥式振荡电路产生正弦波,然后通过过零比较器产生方波,再经过积分电路产生三角波就可以设计出信号发生器电路。其基本结构如图5所示。

信号发生器基本结构

  图5 信号发生器基本结构

  3.电路原理分析

  3.1RC振荡电路

  采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路,它适用于低频振荡,一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。因为对于RC振荡电路来说,增大电阻R即可降低振荡频率,而增大电阻是无需增加成本的,故RC振荡电路在科学研究、实验教学、工程实践中都有广泛应用。

  常用的RC振荡电路有相移式和桥式两种。其中RC移相式振荡器具有电路简单、经济方便等优点,但选频作用较差,振幅不够稳定,频率调节不便,因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。

  而RC桥式振荡器是将RC串并联选频网络和放大器结合起来构成的RC振荡电路,其中放大器件可采用集成运算放大器,其原理图如图6所示。

RC桥式振荡器原理图

  图6 RC桥式振荡器原理图

  RC串并联选频网络接在运算放大器的输出端和同相输入端之间,构成正反馈,Rf、R1接在运算放大器的输出端和反相输入端之间,构成负反馈。正反馈电路和负反馈电路构成一文氏电桥电路,运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上,所以,把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。

  在电路中,振荡信号由同相端输入,故构成同相放大器,输出电压Uo与输入电压Ui同相,其闭环电压放大倍数等于

闭环电压放大倍数

  而RC串并联选频网络在00.png时,反馈系数01.png。所以,只要

RC串并联

  即02.png,振荡电路就能满足自激振荡的振幅和相位起振条件,产生自激振荡,振荡频率为:

振荡频率

  采用双联可调电位器或双联可调电容器即可方便地调节振荡频率。在常用的RC振荡电路中,一般采用切换高稳定度的电容来进行频段的转换(频率粗调),再采用双联可变电位器进行频率的细调。且由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅,而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。所以本文选用RC桥式振荡器产生低频正弦信号,具有波形稳定、失真度小的特点。

  3.2过零比较器

  过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。原理是利用比较器对两个输入电压进行比较。两个输入电压一个是参考电压Vr,一个是待测电压Vu。一般Vr从正相输入端接入,Vu从反相输入端接入。根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压。当参考电压已知时就可以得出待测电压的测量结果,参考电压为零时即为过零比较器。过零比较器原理图及传输特性如图7所示。

过零比较器原理图及传输特性

  图7 过零比较器原理图及传输特性

  在本文设计的简易信号发生器中,RC桥式振荡电路产生的正弦波信号经过过零比较器后便可产生矩形波。

  3.3积分运算电路

  积分运算电路是模拟电路中应用较为广泛的一种功能电路,其原理图如图8所示。

积分运算电路原理图

  图8 积分运算电路原理图

  其中,输入信号ui经输入电阻R接入运放反向输入端,电容C接在负反馈回路中。与反向比例运算电路相比,只是将其中的反馈电阻用电容来代替。因此积分运算电路也属于反向输入电路。

  运用理想运放反向输入时的“虚短”和“虚断”的概念,有:

“虚短”和“虚断”式

  在iC作用下电容C两端的电压uC为:

电压uC

  由于输出电压即为电容两端电压,但电压极性相反,可得输出电压与输入电压的关系为:

关系

  可知输出信号与输入信号呈积分关系,积分时间常数RC由电路元件参数决定。积分器除了可以进行数学运算外,在电子技术中常用作波形变换。若输入信号是一矩形波,其幅值为Uim,频率为f,则输出信号为一三角波,其幅值为:

幅值

  在本文设计的简易信号发生器中,矩形波经过积分运算电路后即可输出三角波。

  4.电路设计

  4.1正弦波发生模块

  RC桥式振荡电路仿真电路如图9所示。其中,电阻R3、R8、R9、R11和二极管D1、D2构成负反馈网络和稳幅环节,调节R3可改变负反馈的反馈系数从而调整放大电路的电压增益使之满足引起振荡的条件。

RC桥式振荡器仿真电路

  图9 RC桥式振荡器仿真电路

  鉴于信号频率调节跨度较大,因此采用2组各2只容量相差10倍的电容和2只同轴电位器来调节输出信号频率。选用不同的电容实现振荡频率f0的粗调,用同轴电位器实现f0的微调。33nF电容对应200Hz~2kHz的输出频率,而3.3nF电容对应2kHz~20kHz的输出频率。

  4.2矩形波发生模块

  过零比较器电路仿真电路如图10所示。其电路相对比较简单,将运算放大器LM324的反相输入端接地,同相输入端接正弦波产生电路的输出端,便构成过零比较器,运算放大器的输出端输出矩形波。当输入的正弦信号在正负半周之间变化时,输出为幅值固定且与正弦波同相的方波信号。

过零比较器电路仿真电路

  图10 过零比较器电路仿真电路

  4.3三角波发生模块

  积分运算电路仿真电路如图11所示。方波信号通过R12接运算放大器的反向输入端,输出信号由R12、C5组成的RC电路进行积分变换产生三角波信号。同时电位器R12可以调节输出信号的幅度。为获得线性良好的三角波,采用电阻R14进行负反馈限幅。

积分运算电路仿真电路

  图11 积分运算电路仿真电路

  5.电路的仿真与调试

  在Multisim中画出上述各个模块的电路图,并将其连接在一起,组成简易函数信号发生器。其总电路图如图12所示。其中A端红色输出端为正弦波,B端蓝色输出端为矩形波,C端绿色输出端为三角波。输出信号的频率和幅值可以通过R2、J1和R5、J2来调节,矩形波和三角波输出信号的频率与正弦波相同。

简易信号发生器仿真电路图

  图12 简易信号发生器仿真电路图

  Multisim中的仿真结果如图13所示,产生了三种较为标准的常见波形,并且其幅值、频率均可通过改变电路参数来调整。

仿真结果

  图13 仿真结果

  在RC桥式振荡器产生正弦波的过程中,当振荡条件满足后,振荡器的振幅会不断增大,直至输出幅度受到运算放大器最大输出电压的限制,而此时的输出波形可能会出现严重的非线性失真。为了克服非线性失真,可利用二极管或稳压管的非线性特性,以及场效应管的可变电阻特性来达到自动稳定振荡器的输出振幅。在这里,采用二极管的非线性特性来达到稳幅的目的。用两只二极管反相并联,当振荡器的输出幅度在正半周时D2导通,输出幅度在负半周时D1导通。二极管在小信号工作情况下,二极管的工作状态将在直流工作点Q附近有较小的变动。二极管的微变电阻rD是在二极管特性曲线工作点 Q附近电压的变化量与相应的电流变化量之比。即:

电流变化量之比

  它的数值随着工作点电流的增大而减小。从而可以看,它的数值是不断变化的。这时的rD,叫作二极管在Q点处的“动态电阻”。在运算放大器的输出端,反相并联两只二极管,再并联一只电阻R11。当输出振幅较小时,二极管内的电流较小,二极管的等效电阻较大。而当输出振幅逐渐增大时,二极管内的电流也随着增大,而二极管内的电阻则逐渐减小,因此,R11两端的等效电阻R’11则为:

等效电阻R’11

  R’11将随着振幅的增大而减小,于是放大器的增益AU也将随着振幅的增大而下降,从而就可以达到自动稳幅的目的。

  由于二极管具有非线性特性,在一个振荡周期中,稳幅二极管的正向电阻rD,是随着输出振幅的瞬时值不断地变化的。从平均值来看,它满足振荡器的振幅条件,但是,从一个振荡周期中的某一瞬间来看,它又不满足振荡器的振幅条件,所以,这种电路的输出波形,总会有一定程度的失真。为了限制二级管的非线性所引起的输出波形失真,在二极管两端并一个与二极管正向电阻值相接近的电阻R11,以改善电路的输出波形。 在实际应用中,选取R11的电阻值为2.7kΩ时,达到了比较满意的效果。

  总结

  信号发生器的主要用途比较普遍,能够考虑各种各样波型的输出必须。以成本低的四运算放大器LM324为关键元器件设计方案的高频信号发生器具备电源电路简易、波型平稳、性价比高、方便使用等优势,可以输出试验检测常见的正弦波、方波和三角波数据信号,并且数据信号的频率和幅度均能够调整,该信号发生器可用以大学的实验教学演试和业余组制做检测,还可以做为模拟电子技术课题设计或研究性学习课题研究。

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