集成運算放大器在電子分析中的應用

信號源電路是課程中最重要的電子技術課程之一。它也是學生進行各種電子設計比賽的重要考生。熟練掌握基于集成運算放大器組成的簡易信號發生器的設計,能為學生學習相關電子類專業課程打下良好的基礎,有助于學生參與大學生電子設計競賽,培養學生的科技創新能力。信號發生器是指產生所需參數的電測試信號的儀器,按照信號波形可分為正弦信號、函數信號、脈沖信號和隨機信號發生器等四大類,電路的搭建可以采用由運算放大器及分離元件或是單片集成函數發生器構成。目前在市場上雖然已有功能齊全、性能指標較高、價格較貴的標準產品,但其許多功能在實際的教學實訓中遭遇閑置,造成了資源的嚴重浪費。一般在教科書中涉及到的運算放大器大多采用雙電源供電方式,對供電條件要求較高。本文以帶有差動輸入的四運算放大器LM324為核心器件,采用單電源供電方式,通過RC橋式正弦波振蕩電路產生正弦波,正弦波頻率可通過調整電阻R實現800-1600HZ的變換,再通過電壓跟隨器輸出正弦波,正弦波通過零比較器,整形為方波,方波經過積分運算電路,整形為三角波。輸出的方波、三角波頻率與正弦波頻率相同。從而滿足在供電要求不高,制作成本較低的條件下完成信號源產生模塊的設計和制作。1全球計劃的確定1.1生方波的產生以LM324為核心器件,采用雙電源供電方式,由集成運算放大器與電阻組成滯回比較器產生方波,方波再由積分器進行積分,產生三角波,然后由二階有源低通濾波器,產生正弦波。波形產生與變化原理如圖1所示。該方案電源供電條件要求較高,在實現波形產生與變換過程中顯得過于復雜,而且信號產生后存在較大的諧波分量,振幅難于調節,給調試工作帶來不便。1.2方波和三角波以LM324為核心器件,采用單電源供電方式,通過“正弦波→方波→三角波”的思路,其中正弦波采用RC橋式振蕩電路產生,再通過過零比較器產生方波,然后經過RC積分電路產生三角波,波形產生與變換原理流程圖如圖2所示。該方案采用單電源供電方式對電源的要求不高,可以減少功耗和成本實現電路結構簡單,并能產生性能較好的正弦波、方波和三角波信號,振幅和頻率穩定且調節范圍較寬,方便調試,綜上所述,方案二優于方案一。本系統設計選擇方案二。2系統設計2.1振蕩電路圖3中,采用單電源向LM324供電,利用LM324中的四個運算放大器和外圍電路一起實現信號的產生。其中一個運算放大器和外圍元器件組成RC橋式振蕩電路,產生正弦波信號,再通過其中一個運算放大器組成的電壓跟隨器保證正弦波信號的穩定輸出,然后將輸出的正弦波信號接另一個運算放大器輸入的同相端,反相端接中點電位,組成過零比較器,輸出方波信號,再將輸出的方波信號通過下一個運算放大器和外圍元器件組成的RC積分電路輸出三角波信號。這樣只需要利用一塊LM324芯片和一些簡單的外圍電路實現振幅和頻率穩定且調節范圍較寬的正弦波信號、方波信號和三角波信號,達到“一箭三雕”的效果。2.2lm324管腳分布LM324芯片采用14腳雙列直插塑料封裝,由四個獨立的,高增益,內部頻率補償帶差動輸入運算放大器組成。電源電壓范圍寬,單電源供電3—32V,雙電源供電±1.5—±16V,靜態電流為MC1741的靜態電流的五分之一。LM324管腳分布如圖4所示,其中共有四個運算放大器,它們共用一個電源端,4號管腳VCC為正電源輸入端,11號管腳VEE、GND為負電源(地輸入端),其中3、5、10、12為四個運算放大器的同相輸入端;2、6、9、13為四個運算放大器的反相輸入端;1、7、8、14為四個運算放大器的輸出端。它適用于可用單電源供電的使用運算放大器的場合。2.3單電源供電電路本系統采用單電源供電方式,對電源的要求不高,只要電壓電流能滿足負載的需求即可,而且采用單電源供電時電源外圍元器件少,可以減少功耗和成本。LM324一般采用雙電源供電,這時它的4腳接正電源VCC+12V,11腳接負電源VEE-12V。在使用單電源供電時,電路原來接正電源的地方仍然接正電源,原來接地的地方改接1/2VCC,原來負電源的地方改接地。以本文設計電路為例,LM324的4腳仍接+12V,11腳接地,電路中原來接地的地方全部改接+6V,從而實現單電源供電。實現集成運算放大器單電源供電只需設置合理的偏置電路并在信號的輸入及輸出加交流耦合電容即可。常用單電源集成運算放大器的偏置方法主要有:2.3.1vcc/2偏置電壓的形成電阻分壓法的電路原理如圖5所示,這種偏置方法不僅簡單而且成本低,通過兩個100KΩ的電阻R1,R2組成分壓網絡,形成VCC/2的偏置電壓。由于該偏置電壓源的輸出阻抗大,輸出電流IO的變化對偏置電壓精度影響較大,因此電阻分壓法一般適用于對偏置電壓精度要求不高的場合。2.3.2控制板+1.2控壓機穩壓二極管分壓法如圖6所示,選擇穩壓值為VCC/2的穩壓二極管和合適的電阻,就可以輸出VCC/2的偏置電壓。但是當通過穩壓二極管低于穩定電流IZ時,穩壓效果會變差;穩壓二極管穩定電壓值UZ也隨工作電流和溫度的不同而略有改變。由于制造工藝的差別,同一型號穩壓二極管的穩壓值也不完全一致。單一穩壓二極管的成本高于電阻。2.3.3偏置恒壓源保護運算放大器電壓跟隨法的電路原理如圖7所示,圖中VCC被R1,R2分壓后接到有單電源運算放大器組成的電壓跟隨器,進而形成VCC/2的偏置恒壓源,輸出電流IO的變化對偏置電壓幾乎沒有影響。但是由于增加了一個單電源運算放大器,造成成本的增加。在本系統設計中,考慮到對單電源供電條件要求不高,為了進一步簡化電路降低相關成本和保持電路的穩定性,采取電阻分壓法產生偏置電壓。2.4單元電路設計2.4.1起振電路rw1在圖8所示的RC橋式正弦波振蕩電路中,二極管VD1、VD2用以改善輸出電壓波形,穩定輸出幅度。起振時,由于輸出電壓很小,VD1、VD2接近于開路,R3、VD1、VD2并聯電路的等效電阻近似等于R3,此時6)Au=1+(RW1+R2+R3)/R1>3,電路產生振蕩。隨著輸出電壓的增大,VD1、VD2導通,VD1、VD2、R3并聯電路的等效電阻減小,6)Au隨之減小,使6)Au=3,幅度趨于穩定。RW1用來調節輸出電壓的波形和幅度。為了保證起振,RW1+R2+R3>2R1,可得RW1的值必須滿足RW1>2R1-R2-R3。也就是說RW1過小,電路有可能停振。調節RW1使RW1略大于2R1-R2-R3,起振后振蕩幅度較小,但輸出波形比較好,調節RW1使其增大,輸出電壓幅度增大,但輸出波形電壓波形失真也增大,當RW1增大到RW1≥2R1時,使得無論二極管VD1、VD2導通與否,電路均滿足6)Au>3,VD1、VD2失去了自動穩幅作用,此時將會產生嚴重的截定失真,所以為了使輸出電壓波形不產生嚴重的失真,要求RW1值必須小于2R1。由此可見,為了使電路容易起振,又不產生嚴重波形失真,應調節RW1使其滿足2R1-R2-R3<RW1<2R1。當選擇R1=5.1KΩ,R2=2KΩ,R3=5.1KRΩ時,根據上式可得:3.1KΩ<RW1<10.2KΩ,故RW1選擇阻值為10KΩ的可調電位器。通常調節RW1使正弦波振蕩器產生最大不失真波形。調節雙聯電位器可使頻率在800HZ至1600HZ之間變化。調節RW2可使輸出電壓峰峰值在0-8V之間變化。2.4.2抗高、輸出阻抗低圖9中,由運算放大器組成的電壓跟隨器電路有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點,主要起保護上一級不受下一級電路影響,即起到前、后級電路之間隔離互不影響的作用,又增強了正弦波振蕩器的帶負載能力。2.4.3過零比較器技術圖10中,方波產生電路主要由一個過零比較器組成,過零比較器就是將中點參考電壓與輸入電壓進行比較,根據比較輸入電壓的結果輸出正向或反向飽和電壓。前級產生的正弦波通過過零比較器,整形為相同頻率的方波。2.4.4角波的計算圖11中,將前級產生的方波信號經過積分電路,即可得到相同頻率的三角波。注意積分電路常數的取值應大于輸入方波周期的1/2,否則積分電路將輸出非三角波。3雙向電位器可使頻率f2005與其他端分配不同本系統設計整機空載電流6mA,滿載電流12mA;當RL≥230Ω,調節RW2其Up-p在0-8V可調,調節雙聯電位器可使頻率f在800-1600HZ可調,u01輸出正弦波;當撥動開關K打到1位置時u02輸出方波,調節RW4其Up-p0-10.8V可調,調節雙聯電位器可使頻率f800-1600HZ可調;當撥動開關K打到2位置時u02輸出三角波,調節RW4其Up-p0-3V可調,調節雙聯電位器可使頻率f在800-1600HZ可調。4基于lm324的綜合測評題設計基于單電源供電集成運算放大器組成簡易信號發生器降低了電源要求,簡化了外圍電路,減少了元器件的數量,節約了制作成本,減小了功耗。近年來,全國大學生電子設計競賽復賽的綜合測評題中都出現了采用LM324芯片設計制作不同要求的信號產生電路的考查內容。從此類題目要