基于LM324的简易波形发生器设计|壹芯微

在电子技术中，常常要应用到方波、三角波等波形的波形信号产生电源电路，常见于产生各种各样电子器件数据信号，进行电子技术间的通讯及其自动测控系统和自动控制系统等系统软件中。本系统选用LM324集成运放集成IC，另加电阻器、电容器等电子器件调节、过滤，组成简单波形发生器。该波形发生器具备高效率、体积小、重量轻，输出平稳，能产生方波、三角波和正弦波形等电子器件数据信号，能够做为其他电子技术的数据信号产生控制模块电源电路。

1.方案选择设计

方案一：ICL8038集成函数信号发生器芯片

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。

方案二：LM324集成运放芯片

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2被选用。

2.系统设计

2.1LM324芯片简介

LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器，它采用14脚双列直插塑料封装(DIP14)，外形如图1所示：

图1LM324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：

LM324内部的运放单元在电路中的符号

图2LM324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3LM324引脚排列图

LM324的特点：

(1)短跑保护输出?

(2)真差动输入级?

(3)可单电源工作：3V-32V?

(4)低偏置电流：最大100nA(LM324A)

(5)每封装含四个运算放大器。

(6)具有内部补偿的功能。?

(7)共模范围扩展到负电源?

(8)行业标准的引脚排列?

(9)输入端具有静电保护功能

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：

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，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。UO1、UO2、UO3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：

+UZ=4.7+0.7=5.4(V)

其中，0.7V为二极管ZD1正向导通时的管压降。

-UZ=-(4.7+0.7)=-5.4(V)

其中，0.7V为二极管ZD2正向导通时的管压降。

所以，

UO1=±UZ=±5.4(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。UO2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：

+UO2=R1/R2UZ=+UZ=5.4(V)

-UO2=-(R1/R2UZ)=-UZ=-5.4(V)

即第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：

T=4R1R4C1/R2

T=4×20×103×12×103×0.1×10-6/(20×103)

T=4.80(mS)

则振荡频率为：

f=1/T=1/4.8×103=208.33(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。UO2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：

UO3=2UO2=2UZ=±10.8(V)

而第三级电路的上限截止频率为：

fH=1/(2πRC)

上述公式中，

R=R6=R7=3.9(kΩ)

C=C2=C3=0.1(μF)

fH=1/(2×3.14×3.9×103×0.1×10-6)=408.30(HZ)

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：

3.2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、UO2、UO3处，观察电路的输出波形。测得的数据如下表所示：

根据示波器的测试波形如下图所示：

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：

从测试的结果可以得出电路的截止频率fH为574.36Hz，这与理论计算值408.3HZ相差较大。

由上述的测试数据可以看出，在未断开LM324第七脚与R6的接线时，输出电压和频率的理论计算值与实际测量值的误差不是很大。这证明前两级电路的设计和制作基本上是成功的。但在单独测量第三级二阶有源低通滤波电路时，测试得到的结果就与理论计算值相差较大。分析其结果，可能是由这几个原因造成的：电路中的电容使用的是瓷片电容，它的标称值与实际值误差较大;电路中的电阻等其它器件可能也存在着一定的误差;外界环境中存在着电磁干扰，也可能对测试结果产生一定的影响。

3.3测试结论

经测试，电路的前两级的设计基本上符合设计的要求，但电路的第三级的误差较大。误差可能是由元器件的误差和外界的干扰引起的。为了减少误差，可以在电路的设计时选用精度更高的器件，并对电路做电磁屏蔽处理，以进一步改善电路的性能，减小电路的误差。

4.设计结论

本系统应用LM324集成运放集成IC，另加电阻器、电容器等电子器件调节、过滤，组成简单波形发生器。该电源电路基本超过了比赛题型中规定的既定目标和作用，而且具备一定的应用性。

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