基于运放的信号发生器设计

北京工业大学课程设计报告

模电课设题目基于运放的信号发生器设计

班级：1302421

学号：13024219

姓名：吕迪

组号：7

2015年 6月

一、设计题目

基于运放的信号发生器设计

二、设计任务及设计要求

（一）设计任务

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，依靠电路自激震荡而产生正弦波输出的电路。经过波形变换可以产生同频三角波、方波信号。（二）设计要求

基本要求：使用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功率。

（三）扩展要求

（1）扩大信号频率的范围；

（2）增加输出功率

（3）具有输出频率的显示功能。

三、设计方案

（一）设计框图

（二）设计方案选择思路

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。

（三）元器件清单

芯片：LM324*2 40106*1

二极管：1N4148*2

电容：10μF*1、10nf *4

电阻：2k*1 、10k*4、51k*1 、82k*1 、91k*1 、100k滑动变阻器*1、220k*1

电位器：50k双联*1、10k*2、50k*1

（四）芯片资料

LM324包含四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器。4引脚接电源，11引脚接地。3、5、10、12 引脚分别为四个运放的同相输入端，2、6、9、13 引脚分别为四个运放的反向输入端，1、7、8、14 引脚分别为四个运放的输出端。

（五）

模块设计

1、RC 正弦波振荡电路

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。下图所示为最基础的RC 正弦波振荡电路。然而这个正弦波振荡电路易出现停振现象，不稳定，因此，引入第四部分稳幅环节进行调整。由于U0 和Uf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。当输出电压的幅度较小时，电阻R4 两端的电压低，二极管D1、D2 截止；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2 在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4 并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。增加稳幅环节后的RC 正弦波振荡电路图如下。其中R1、C1 和R2、C2 为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。R3、RW 及R4 组成负反馈网络，调节RW 可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。

2、二级反向放大电路

考虑到频率较高时，幅值会达不到题目要求。模电里学过比例放大器，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：

可根据此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增益带宽为1MHz，二级放大可以拓宽频带，解决提高增益则带宽减小的问题。采用两级反向放大，第一级放大倍数应小于第二级放大倍数，且第二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或几百千欧。各级运算放大器之间添加电解电容器，以达到隔直和耦合作用。此外，振荡电路输出信号，一般不直接连在放大器上，而是使用一个电位器调节输出信号幅值，再与放大器连接，以防止放大器输入信号过大，而导致输出出现失真的情况。

3、电压跟随器

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。

（六）电路参考图

四、实验过程

（一）、实验仿真

我们用Multisim2013进行了电路仿真，为了弄清每一部分电路的具体作用，我们分模块进行仿真。先是最基础的正弦波振荡电路，之后进行的整体仿真。

1、频率及幅值调节

本来以为仿真都能顺利完成，只要按照电路图把电路连接清楚，按照示波器显示的波形，通过调整第一个模块调节电位器使正弦波起振，调节幅值大小，然后调节选频环节的同轴电位器调频率，再通过设定的二级反向比例来放大，最后通过电压跟随器输出就可以调出我们需要的正弦波。然而实际调试却颇为周折，调试结果甚至不同于仿真结果，出现失真、频带宽度不够等问题。

2、失真处理

（1）刺突失真：

频率较低时（f<1KHz时）通常调试过程中不会出现失真，从示波器可以看到规律的正弦波。但随着频率提高，失真也不断加剧，最常出现的是如下图所示的失真现象，即能看出输出为正弦波，但波形中有间断的地方。我们从网上查找资料，发现这是LM324制作正弦波振荡器的常见失真：刺突失真。解决此类失真的方法是用一只适当阻值的电阻连接在输出端与负电源之间，这样即可消除失真，使波形稳定。调试过程中，我们按照此方法，在示波器所测输出端与电源之间加了3kΩ的电阻，果然顺利消除了刺突失真。

（2）削波失真：削波失真波形如下图所示，正弦波顶部和底部被削平，严重的波形失真近似于方波。出现此类失真主要由反馈电阻值过大，使电路的增益过大，致使输出电压峰值太大。因此解决方法是减小反馈电阻。实验时，削波失真主要出现在二级反向比例放大的输出端，为防止放大器的输入信号过大，消除削波失真，需要调节电位器使反馈电阻阻值合适。

3、调试结果

经过调试，最终频率调节范围在300Hz—80KHz之间，幅值基本在0-2V。电路实际连线图如下：

五、心得体会

数电课设完成后，在仿真成功后本以为模电课设也能顺利得出波形，但是，实际插线完成后才明白模电课设实现的困难之处。模电容易出现失真，很难调试。在实际过程中，我们需要不断的调试，在调试的过程中，一定要有足够的耐心，这对调试人员的耐心是一种极大的考验，除此之外，在调试的过程中一定要对电路调试的参数有所了解，并且在调试时尽量要做到微调，这多操作的方式和力度都是一种考验。模电实验使我们将模电理论知识与调试实践相结合。加深了对运算放大器各部分电路的应用的认识，也在复习了原先的正弦波振荡电路的基础上，进一步拓展了经典电路使之更为实用。在实际应用过程中，我们也需要不断改进，得到最实用实际效果最佳的电路。不断调试的过程锻炼了我们的耐心和毅力。刚开始出正弦波时，我们很是喜悦，但随着调试过程中高频率正弦波总是出现失真，还时常出现停振现象，遇到各种奇怪波形，我们颇有些气馁。但最后，我们耐心调节，尽量使之达到课设要求，完成了模电课程设计。

六、附录

参考资料：

《模拟电子技术基础》第四版童诗白华成英高等教育出版社

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