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1、设计报告作品名称：基于 LM324 的简易波形发生器作 者： 何 其 洪 洪 文 娟 吴 丽 萍 基于 LM324 的简易波形发生器摘 要在电子系统中，经常要使用到方波、三角波等波形的波形信号产生电路，常用于产生各种电子信号，完成电子系统间的通信以及自动测量和自动控制等系统中。本系统采用 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。该波形发生器具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定，能产生方波、三角波和正弦波等电子信号，可以作为其它电子系统的信号发生模块电路。关键词 LM324 简易波形发生器I目录1 方案设计与论证 .11.1 方案 1.11.2 方案 2.
2、12 系统设计 .12.1 LM324 芯片简介 .12.2 电路组成和工作原理 .22.3 电路设计与计算 .33 系统测试 .53.1 测试工具 .53.2 数据测试与结果分析 .53.3 测试结论 .54 设计结论 .7参考文献 .711 方案设计与论证1.1 方案 1采用 ICL8038 集成函数信号发生器芯片外加电阻、电容元件，构成波形发生电路。ICL8038 集成函数信号发生器芯片是一种多用途的波形发生器芯片，它可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。它的振荡频率可以通过外加的直流电压进行调节，是一种压控集成函数信号发生器。虽然 ICL8038 集成函数信号发生器的功能强大，但是
3、它的价格昂贵，而且市面上也较难买到。如果用 ICL8038 芯片来制作简易波形发生器系统，则会大大增加系统的制作成本。1.2 方案 2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。基于这种考虑，方案
4、 2 被选用。2 系统设计2.1 LM324 芯片简介LM324 是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装（DIP14） ，外形如图 1 所示：图 1 LM324 外型图片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 2 所示的符号来表示：2图 2 LM324 内部的运放单元在电路中的符号它有 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
5、放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。 LM324 的引脚排列见图 3：图 3 LM324 引脚排列图由于 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。2.2 电路组成和工作原理根据要实现的功能，设计的电路系统框图如下图所示：电 源 滞回比较器积分器 二阶有源低通滤波器方 波 三角波 正弦波 波图 4 系统框图系统采用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3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
6、，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。2.3 电路设计与计算根据系统框图，设计的电路如下图所示：图 5 系统电路原理图（1）图 6 系统电路原理图（2）由图 6 可以看出，电路分为三级，即由运算放大器构成的滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器。U O1、U O2、U O3 是电路的三个输出端，分别输出方波、三角波和正弦波。电路的第一级是一个滞回比较器，用于输出方波。它输出电压的幅度由稳压管 ZD1、ZD2 共同决定。设计中，ZD1、ZD2 均选用 4.7V 的稳压二极管，则它们的稳压幅度 UZ 为
7、： +UZ 4.70.75.4(V)4其中，0.7V 为二极管 ZD1 正向导通时的管压降。-UZ -(4.70.7)-5.4(V )其中，0.7V 为二极管 ZD2 正向导通时的管压降。所以，UO1U Z5.4(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 UO1 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 UO2。U O2 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。第二级电路的输出电压幅度为：+UO2R 1/R2UZ+ U Z5.4( V)-UO2-(R 1/R2UZ)- U Z-5.4( V)即第
8、二级电路的输出电压幅度和第一级电路的输出电压幅度相同。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：T4R 1R4C1/ R2T42010 3121030.1106 /(20103) T4.80(mS)则振荡频率为：f1/T1/4.810 3208.33(Hz )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 UO2 进行滤波。U O2 经过第三级电路的滤波之后，变换成正弦波信号后由 UO3 输出。UO3 输出信号的周期与 UO2 输出信号的周期相同。根据集成运算放大器的工作原理，集成运算放大器的两反向输入端“虚短” ，即两反向输入端的电压相等。所以在第三级电路中，运
9、放的第 9 引脚和第 10 引脚的电位相等。又因为R8、R9 电阻的阻值相等，所以 UO3 的输出电压的幅度是 UO2 的两倍。即：UO32U O22U Z10.8( V)而第三级电路的上限截止频率为：fH1/(2 RC)上述公式中，5R R6 R73.9(k)C C2 C30.1(F )fH1/(23.143.910 30.1106 )408.30(H Z)这说明，第三级电路将阻止频率高于 408.30HZ 的信号通过。3 系统测试3.1 测试工具测试时所用到的工具如下表所示： 表 1 测试工具序号 名称 型号 数量1 万用表 GDM-8135 12 直流稳压电源 QJ3003S 13 数字
10、示波器 EDU 5022S 14 函数信号发生器/计数器 SP1641B 13.2 数据测试与结果分析将做好的电路系统的地线端接到电源的地电位端，正、负电源端分别接到电源的12V 接线端上。注意电源的极性不要接反。将示波器调于 2V/1mS 和5V/1mS 处，用示波器的探头分别测试电路的 UO1、U O2、U O3 处，观察电路的输出波形。测得的数据如下表所示：表 2 测试数据 1被测项目 峰-峰值 VP-P（V） 周期 T（mS ） 频率 f（Hz）被测端口 理论值 实际值 理论值 实际值 理论值 实际值UO1 10.80 10.80 4.80 4.50 208.30 222.20UO2 10.80 10.80 4.80 4.50 208.30 222.20UO3 21.60 21.80 4.80 4.50 208.30 222.20根据示波器的测试波形如下图所示：6图 7 输出波形在电路中断开 LM324 第七脚与 R6 的接线，观测二阶有源低通滤波器的输出 UO3，从而观测电路的上限截止频率 fH。测得的数据如下表所示：表 3 测试数据 2输入电压幅度 VIP-P（V） 输入电压频率 f（Hz） 输出电压幅度 VOP-P（V）100.67 8.20150.48 8.60200.01
