集成运算放大器的应用

“恒拓•三龙”杯电子电路设计大赛作品设计报告项目名称：集成运算放大器的应用队员姓名：论文编号：学校：济南大学学院（中心）：自动化与电气工程学院专业：电气工程指导老师：日期： 2012 年 5 月 3 日集成运算放大器的应用摘要：本系统是在单电源情况下集成运算放大器的应用，主要采取在运放正相输入端加1/2VCC偏置电压的方法使单电源系统可以很好地处理交流信号，采用LM324进行信号处理。

用信号源产生频率为500HZ幅值为100mV的正弦波和频率为2kHZ幅值为2V的三角波进行放大及加法运算，得到一个有正选变化趋势的三角波；然后将该波形通过一个带通滤波器滤掉三角波成分，并将正玄波分量进行放大；本系统最关键的是对波形的相加及滤波器的选取和使用。

另外最后将滤波器输出的正玄波与信号源产生的三角波输入比较器进行比较在1k负载上得到峰峰值为2的波形。

本系统是对运放各种功能的全面应用，给单电源系统处理信号提供了参考意见。

关键词：LM324；偏置电压；单电源；交流加法器；带通滤波器；比较器；目录一．设计任务 (4)1.1 设计题目： (4)1.2 技术指标 (4)1.3 题目评析 (4)二．方案比较与论证 (4)供电电源的选取： (4)加法器方案： (4)滤波器选取方案： (5)滤波方式选取方案： (5)比较器选取方案： (5)三．系统硬件设计 (5)3.1 系统的总体设计及系统的计算。

(5)3.2 单元电路的功能以及工作原理的分析。

(7)3.3 发挥部分的设计与实现。

(7)3.4 电原理图(见附录)。

(8)四．系统调试 (8)4.1 电路的测试方案 (8)4.2 测试仪器： (8)4.3 测试结果 (8)4.4发挥部分的测试 (9)五．系统电路存在的不足和改进的方向(或称结论) (9)参考文献 (10)附录 (11)一．设计任务1.1 设计题目：集成运算放大器的应用 1.2 技术指标（1）使用低频信号源产生100.1sin 2()i u f t V π=，0500f Hz =的正弦波信号，加至加法器的输入端，加法器的另一输入端加入自由振荡产生的信号1o U ，1o U 为10.5T ms =，幅值为2的三角波，允许1T 有5%±的误差。

（2）图中要求加法器的输出电压21110i i o U U U =+。

（3）2i U 经选频滤波器滤除1o U 频率分量，选出0f 信号为2o U ，2o U 为峰峰值等于9V 的正弦信号，用示波器观察无明显失真。

发挥部分：2o U 信号再经比较器后在1K Ω的负载上得到峰峰值为2V 的输出电压3o U 1.3 题目评析重点:在单电源情况下如何处理交流信号。

难点:1.单电源处理交流信号容易使波形负半波消失。

2.滤波是滤掉幅值大的波形滤波不彻底容易使波形失真。

实用价值:这为很多单电源系统如何更好地处理信号提供了参考方向。

二．方案比较与论证供电电源的选取：方案一：选取双5V 供电，系统稳定、电路简单；但是不符合题目要求且很多系统供双电源非常麻烦。

方案二：选5V 和混合供电，由于系统仅使用一片LM324不易实现。

方案三：选12V 供电，对于高强度的信号5V 电源易使波形失真，但12V 供电就好多了。

综上所述选取方案三。

加法器方案：方案一：信号都从正相端输入，输入阻抗不好匹配放大倍数不直接。

方案二：信号都从正相端输入，阻抗易匹配，放大任意倍数容易实现。

滤波器选取方案：方案一：选用低通滤波器，可以滤掉2kHZ的三角波输出正玄波；但是可能会有低频噪声参杂进去。

方案二：选用带通滤波器，可以滤掉2kHZ的三角波输出正玄波；而且可以自由确定滤波器的通频带，确定输出波形不受任何干扰。

滤波方式选取方案：方案一：选用单次二阶带通滤波器，可以滤掉2kHZ的三角波输出正玄波；但是输出幅值一次放大倍数太大导致波形不稳定。

方案二：选用两次二阶带通滤波器，可以滤掉2kHZ的三角波输出正玄波；而且输出幅值每次放大倍数不大，经过两次滤波幅值放大很容易达到要求更重要的是波形更加稳定几乎不失真。

比较器选取方案：方案一：选用单相输入，即两个波都从运放的正向端输入，负向端接地使两个波的差值与地比较。

方案二：选用双相输入，即两个波分别从运放的正向端和负向端输入直接比较，经过仿真该方案比较合理。

三．系统硬件设计低频信号源三角波产生器加法器滤波器比较器Ui2Uo2Ui1Uo1Uo3图1 系统总体框图3.1 系统的总体设计及系统的计算。

设计思想：按照系统框图中的前后顺序逐步选取方案仿真、调试最终确定方案。

从前到后单步完成后然后再连接起来，总体测试。

设计步骤：1.选取加法器方案进行仿真；2.根据仿真结果选取电路，搭建加法器电路进行调试；3.选取带通滤波电路进行仿真；4.对电路进行计算匹配合适的电容电阻；5.根据仿真结果选取电路，搭建加法器电路进行调试；6.两个电路组合一起调试；7．设计比较器进行仿真；8.搭电路，加负载，进行调试。

系统的计算：1.加法器中正玄波放大十倍，三角波不放大，两波相加。

又由于输入电阻的原因取R1=10k,R2=100K,Rf=100K 使21110i i o U U U =+。

图2 加法电路2. 带通滤波器参数的计算如图3所示是一个多路负反馈二阶有源带通滤波器 ，它使用单个运算放大器接成单电源供电模式。

它的上限截止频率和下限截止频率可以非常近，具有非常很强的频率选择性。

令C1=C2=C ，Req 是R1和R2并联的值。

品质因数Q 等于中心频率除以带宽，Q = fC/BW 。

由式可以看出可以通过让R3的值远大于Req 来获得大的Q 值。

Q 值越大，频率选择性越好，带宽越小。

反之则反。

令中心频率为fc ，则计算公式如下：321R R C f eq c π=； 2121eq R R R R R +=； eq c R R BW f Q 321==取HZ f c 500=; HZ BW 50=; 则Q=10 另取C=0.47uF 得到eq R R 4003=; eqR R 9.458674433=有两式得到各元件的参数值。

图3 滤波电路3.2 单元电路的功能以及工作原理的分析。

1.加法器功能实际上是两个反相放大器应用叠加原理来实现的加法器的功能；2.带通滤波器功能带通滤波器的通频带为475HZ—525HZ，能良好的滤掉2kHZ的三角波，并且有放大的作用，放大取决于Q。

3.3 发挥部分的设计与实现。

比较器的功能：比较器不是像普通比较器是一个值与一个基准比较输出，而是两个交流信号进行比较由于两个波的幅值差别太大得到的不是预测中的SPWM而是一个普通的矩形波。

图4 比较器电路3.4 电原理图(见附录)。

四．系统调试4.1 电路的测试方案1使用仿真软件仿真2.使用信号源产生信号，使用示波器观察波形。

根据系统功能及指标拟定测试方案(方法)，通常以方框图的形式给出。

4.2 测试仪器：二踪示波器，数字万用表；4.3 测试结果1.加法器得到了有正玄波变化趋势的三角波；加法器仿真输出3.带通滤波器得到了幅值可调的正玄波，可得到峰峰值为9V，频率为500HZ的正玄波。

两重带通滤波器仿真输出4.4发挥部分的测试比较器输出得到了一个矩形波。

比较器仿真输出五．系统电路存在的不足和改进的方向(或称结论)本系统完成了基本部分和发挥部分的制作。

良好的利用了LM324的特性，把握好了在正相端加偏置电压的优势，成功的制作了只有单电源供电的交流加法器和带通滤波器。

得到了良好的加法器输出波形以及带通滤波器滤掉三角波并放大了的正玄波。

在发挥部分，制造了比较器可以输出与仿真相似的的波形。

但是对于波形的处理还有很多不熟练地地方，以及对题目有的部分理解不够深入，比如比较器部分在1k的负载上得到峰峰值为2V的波形。

该波形是交流的还是直流的以及不是1K负载得到的峰峰值是否应该改变。

这些都有待完善。

而且比较器这样应用有弊端，不稳定期待以后的进步。

参考文献【1】网站。

【2】康华光电子技术基础模拟部分[M]北京：高等教育出版社，2005. 【3】电子技术基础模拟部分（第四版）。

北京：高等教育出版社。

1996（2004重印）。

【4】全国大学生电子设计竞赛训练教程。

北京。

电子工业出版社。

2005-1。

【5】数字电子技术基础。

北京。

高等教育出版社。

1998-12。

【6】 芯片查询网站。

【7】芯片查询网站。

附录附录1总电原理图附录二 元器件清单名称数量 单位 LM3241 片 1/4W 金属膜电阻1 批 独石电容1 批 电解电容1 批 插针1 批。