基于运放的信号发生器 设计 终结版

图1图2
为维持正弦振荡输出，应满足 ,
为保证电路起振，则 ，可解得起振条件为
当R1=R2=R，C1=C2=C时，电路振荡频率：
以上原理，结合课设的要求，初步确定选频网络的电容值为10nF，再计算出满足频率范围要求的电阻阻值，确定阻值范围后，选择50kΩ精密同轴电位器。在之后的调节中，可以靠电容选择进行粗调，电位器细调来满足频率调节的要求，再通过调节反馈网络的电位器，调节电压增益，调节幅值。
3.
3.1
（1）介绍：LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
（2）特点：内部频率补偿；直流电压增益高(约100dB)；单位增益频带宽(约1MHz)；电源电压范围宽：单电源(3—32V)；双电源(±1.5—±16V)；低功耗电流，适合于电池供电；低输入偏流；低输入失调电压和失调电流；共模输入电压范围宽，包括接地；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)
3.削波失真：
如右图所示，该种失真的明显特点是波形顶部变得平直，波形的幅度很大，接近电源电压。造成这种失真的原因，大多是反馈电阻阻值多大，使得电路的增益过大，从而输出电压峰值太大，严重时会随着反馈电阻阻值的增大，输出波形将变得极像方波。解决这中失真的办法，减小反馈网络的反馈电阻。需要注意的是，过分地减小会使电路不能起振，因此它的大小非常关键，在不确定阻值大小的情况下，可先使用滑动变阻器代替，通过细调滑动变阻器，将波形调到一个最佳的效果即可。
这次做模电实验并不像之前做数电实验那么轻松和简单，因为模电实验存在失真问题，而这在数电实验中是没有的，数电仅仅是高低电平的关系，影响因素很局限，模拟电路所要面临的问题就有很多。
一开始就很傻的不断的更换电阻做反馈网络，以为这样就可以满足题目放大倍数的要求，让电路可以输出100kHz，且峰峰值为3V失真现象不明显的正弦波，可是在每回更换电阻的同时，所面临的就是很可能就不起振的现象，导致又要从头开始，从第一步拧同轴电位器，和精密电位器开始使电路能够起振。后来想到了更换电位器使得调节变得方便了很多。但是在此之后又遇到了很多新的问题，每个问题都要经常的查资料，问同学才能得到很好地解决，前三个部分在第一节课就已经插好，但是接下来出现的问题可能要一节课才能解决一个，这个过程非常的漫长和枯燥，有时候不知所措。可以说是折磨。但是就在这折磨的过程中，才能学会忍耐，学会细心，懂得请教，在网上不断的查询各种资料和报告，问同学，才能得到一个问题的解决。解决一个失真问题后，就会感觉到付出的时间很值得，心里也会有满足感。
在这次模电实验中，因为经常会有阻值的改变，所以我学会了经常的记录数据，我想这也是做实验最基本的素质，张老师经常教育我们要学会记录数据，学会记录哪些数据。实验最基础的就是数据，缺少了数据，实验就是一个空架子，数据就是整个实验的脉络，也是过程。本身这次实验张老师也强调了重在过程而不是结果。我想记录数据这项最基本的技能，会在以后的实验中对我有所帮助。
3.具有输出频率的显示功能
1.4
LM324，电位器电阻电容若干
2.
我们在模电课上学过几种正弦波振荡器的基本电路，包括RC串并联正弦波振荡器、电容三点式正弦波振荡器以及电感三点式正弦波振荡器。因为题目要求设计基于运放的正弦波发生器，我们就确定将RC串并联网络正弦波振荡器作为我们设计的基础电路，因为此振荡器适用于频率在1MHz一下的低频正弦波振荡器而且频率调节方便，我们打算先通过计算搭建RC正弦波振荡电路，测试基本电路达到的频率及幅值范围，再在这一基础上进行放大，使频率及幅值与设计要求相符合，因此设计出了二级反向放大这一模块。最后，为了提高电路的输出功率，减小电路的输出阻抗，再设计电压跟随器这一模块来完善整个电路。由此，我们确定出三个模块：RC正弦波振荡电路，二级反向放大电路，电压跟随器，并准备从基础模块入手，分模块实现，并根据实际情况不断调整改进原先的设计方案。
4
为了做到既要有较高的放大倍数又要有足够的宽频带。采用二级放大器来实现，两级均采用反相放大器。这里需要注意有几点：
1.前级放大器的放大倍数一般应小于第二级的放大倍数，否则容易出现上述的削波失真。
2．输入电阻的选择要恰当，既不能太小也不能太大，一般选择方法是输入电阻和反馈电阻之和为几十千欧姆或几百千欧姆。
（3）芯片资料：
极限参数
电参数（除非特别说明，Vcc=5.0V,VEE=GND,TA=25℃）
（3）管脚图：
4.
首先按照电路原理图连线。对每个模块分别连线然后分别检查。确定每个模块功能无误后再对各模块连接以检查模块之间的匹配问题。
4
在自激振荡正弦波的过程中，我们遇到如下几种情况。
1. 刺突失真：
如右图所示，这种失真时在使用集成运放LM324制作正弦波振荡器时无法避免的棘手问题。简单有效的解决办法是，用一只适当阻值（5KΩ）的滑动变阻器连接在输出端与地之间，这样可以改善输出端波形的失真，而且随着频率的改变信号的幅度基本稳定。
2
精密同轴电位器50K
1
附录
附录
附录
[1]江婕.数字电子技术基础[M]. 2009年10月第一版.北京工业大学出版社.
[2]董诗白.模拟电子技术基础[M]. 2006年5月第4版.高等教育出版社, 2013年5月.
[3]Thomas L Floyd. Digital Fundamentals. 7thed. Beijing: Science Press and Pearson Education, 2002
此次模电实验让我们将大二第一学期所学的模电知识与实践相结合，将我们所学的知识巩固和提高，加强了我对反馈电路的理解和认识。使我能够灵活的将模电所学知识运用到实验中来，让我受益匪浅。而在此次实验中，我也ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ白了书到用时方恨少，所学的知识非常局限，有时根本不能解决实际电路所遇到的问题，这时就要去请教老师，同学，解决实际问题经验是很重要的。
2. 非线性失真：
由于 和 具有良好的线性关系，所以为了稳定输出电压的幅度，一般在电路中加入非线性环节。这里，在回路串联两个反相并联的二极管，利用电流增大时二极管动态电阻减少的特点，加入非线性环节，从而使输出电压稳定。但是，仍然出现了正弦波正半轴和负半轴不对称的情况，所以我们在已经并联过的二极管的基础上，又并联了一个2KΩ的定值电阻，从而使得非线性失真消失。
总而言之，在这次实验中收获了太多太多，觉得这十几周的在实验室的日子虽然枯燥，但还是很值得。最后还要由衷地感谢张老师和其他帮助过我们，为我们解答问题的老师和同学，让我能够在这次实验中有所收获，确实的学到知识。
附录
材料名称
数量
运算放大器LM324
1
二极管1N4007
2
电容100uF
2
电容0.01uF
2
电位器10KΩ
带230Ω负载下的输出波形图
频率
RC振荡电路输出幅值
放大后输出幅值
放大后理论值
100kHz
0.4v
2.99v
6.34V
4.4
本题目要求采用单电源供电，这时候LM324的4脚接正电源（+6V）。注意这里的6V采用通过+12V分压得到，因为LM324在直接接+6V的时候，会出现半波现象。11脚则接地。
5.
2
考虑到频率较高时，幅值会达不到题目要求。模电路学过比例放大器。因此，通过加反相比例运算电路可以达到幅值放大的目的。反相比例运算电路满足： ，可根据公式计算出放大倍数，确定电阻阻值，完成放大电路的设计。又因为LM324的增益带宽为1.2MHz，两级放大可以拓宽频带，解决提高增益则带宽减小的问题。
3
由于LM324输出电流有限，一般仅为几十毫安，在电流一定的情况下，为了提高电路的输出功率，一种有效的做法是减小电路的输出阻抗。因为电压跟随器的特点是输入阻抗高，输出阻抗小，可以起到阻抗变换及隔离作用，且运用LM324容易构建电压跟随器，因此输出端再加电压跟随器以提高带负载的能力。
1.
1.1
本课题要求使用集成运算放大器制作正弦波发生器，在没有外加输入信号的情况下，依靠自激振荡而产生正弦波输出的电路。
1.2
使用一片LM324，采用经典振荡电路，产生正弦信号，频率范围360Hz-100KHz。输出信号幅度可调，使用单电源供电以及增加输出功率。
1.3
1.扩大信号频率的范围
2.增加输出功率
之所以会面对失真的种种问题，是我犯了错误。这让我明白了在进行实验前，选取芯片要做好调查工作，这是非常重要的，不仅要了解芯片各个引脚的作用，还要了解性能指标比如增益带宽积、转换速率等等，这些指标都会影响高频的波形状况，一些没有注意的地方就会导致严重的失真现象。同时我还明白了如果在今后做实验没有了参考芯片，应该自己比较各个指标选择合适的芯片，完成实验内容。
3.各级运算放大器之间最好使用一个大电容，一般为电解电容，其作用是隔直流耦合。
4.振荡电路的输出信号，一般不直接连在放大器上，而是使用一个电位器先调节输出信号幅值，再与放大器连接。因为放大器的输入信号过大时，输出信号也可能会发生削波失真。
4
该部分的目的是提高带负载能力。由于LM324输出电流有限，一般仅为几十毫安，在电流一定的情况下，为了提高电路的输出功率，一种有效的做法是减小电路的输出阻抗。因为电压跟随器的特点是输入阻抗高，输出阻抗小，可以起到阻抗变换及隔离作用，且运用LM324容易构建电压跟随器。
2.1
2.2
1
振荡电路主要由基本放大电路、选频网络及反馈网络三部分组成。其中基本放大电路是使电路获得一定幅值的输出量。选频网络是确定电路的振荡频率，保证电路产生正弦波振荡。正反馈网络的作用是在振荡电路中，当没有输入信号的情况下，引入正反馈信号作为输入信号。如图1所示为最基础的RC正弦波振荡电路。