采用LM324输出方波、正弦波、三角波

介绍以LM324运放芯片为核心,设计电路连接，实现三角波转化为正弦波，再由正弦波转化为方波输出的简易函数信号发生器的基本功能。本文介绍通过使用NI Multisim 14.0软件仿真模拟搭建所设计的电路，再使用这个软件的示波器进行仿真输出三角波，正弦波，方波。使用软件进行仿真后再到实验室进行调试，将其接入电源，并通过在显示器上观察波形以及数据，得到结果。该电路结构简单,信号的幅度、频率等参数可调,

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下饭的王

22369人浏览 · 2023-06-23 18:52:02

下饭的王 · 2023-06-23 18:52:02 发布

2.4.3三角波→正弦波（一阶低通滤波器）原理

1、前言

2、总体设计方案

2.1设计任务

使用一片通用四运放芯片LM324 输出两路三角波，经过滤波器后，变成两路正弦波，再进入滞回比较器，输出方波。

组成电路框图如下：

图1电路框图

2.2设计方法

2.2.1原理框图

图2原理框图

2.2.2波形发生器

三角波发生器（积分器）：

图3三角波发生器（积分器）

正弦波发生器（一阶低通滤波器）:

图4正弦波发生器（一阶低通滤波器）

方波发生器(滞回比较器）：

图5方波发生器(滞回比较器）

电路系统设计主要设计三个单元电路, 分别是三角波、正弦波产生电路、方波产生电路产生电路，由于考虑到实验室可能缺少函数发生器，则将改用LM324直接输出矩形波，再按设计要求进行后面的信号转换。

2.3放大器功能及管脚图

图6 LM324管脚图

图7 LM324管脚功能图

2.4原理分析

LM324为14脚四输入集成运算放大器芯片,采用双列直插塑料封装形式。芯片内部有四个运算放大器,并有相位补偿电路。电路功耗比较小,工作电压范围比较广,可以使用正负电源1.5V~15V工作，也可以使用正电源3~30V工作。运放的输入电压可低至0V,输出电压范围为0~Vcc。工作电源为四组运放放大器同时供电,四组运算放大器放相互之间可以单独使用。每个运算放大器由5个引脚组成,其中“+ ”和“-”为同相输入端和反相输入端, “V+”和“V-”为正、负工作电源端,“Vo”为输出端。

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, 所以广泛使用在放大电路和波形转换电路中。

函数发生器一般是指能自动产生方波、三角波、正弦波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。但是本次课题我们不选用函数发生器产生波形，而是用方波发生器产生方波再经过使用LM324构建的积分器，使产生的方波经过构建的积分电路转化为三角波，再让三角波经过用LM324所构建的一阶低通滤波电路来转化为正弦波，最后经过使用LM324构建的滞回比较电路转化为方波。

2.4.1矩形波发生器原理

由模电可得，将将矩形波经过积分电路得到三角波，本次实验由于考虑到实验室函数发生器的缺少，则采用前置矩形波发生电路，得出矩形波进行积分电路积分，最后输出三角波，矩形波发生电路实际是由一个滞回比较器和一个RC充放电回路组成。因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组我部分;因为产生振荡,就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路的输出必须通过一定的方式引回到它的输人,以控制输出状态的转换；因为输出状态应按一定的时间间隔交普变化，即产生周期性变化,所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。上图所示为矩形波发生电路,它由反相输人的滞回比较器和RC电路组成。AC回路作为延迟环节，上电压作为滞回比较器的输入，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。

图8矩形波发生电路图9电压传输特性

图中的滞回比较器的输出电压，阈值电压：

传输特性如上图所示，设某一时刻输出电压u0=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT通过R3对电容C正向充电,如图中实线箭头所示。反相输入端电位uN，随时间t增长而逢渐升高,当t趋近于无穷时,uN趋于+Uz,;但是,一旦uN=+UT,再稍增大,u0就从+Uz,跃变为-Uz,与此同时up,从+UT,跃变为-UT。随后,u0又通过R3，对电容C反向充电,或者说放电,如图中虚线箭头所示。反相输人端电位UN，随时间t增长而逐渐降低,当t趋近于无穷时,uN趋于-UZ;但是,一旦uN=-UT,再稍减小,u0就从-Uz，跃变为+Uz,与此同时up从-UT,跃变为+UT,,电容又开始正向充电。上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。

2.4.2 矩形波→三角波（积分器）原理

积分电路是使输出信号与输入信号的时间积分值成比例的电路。最简单的积分电路由一个电阻R和一个电容C构成，如图（a）所示。若时间常数RC足够大，外加电压时，电容C上的电压只能慢慢上升。在t<<RC的时间范围内，电容C两端电压很小，输入电压主要降落在电阻R上，充电电流i≈ui(t)/R，输出电压u0(t)为u0(t)= ∫i/Cdt ≈∫ui(t)/RCdt = t*ui(t)/RC即输出电压近似与输入电压的时间积分值成比例。如果输入信号Ui(t)是一个阶跃电压，理想积分电路的输出是一线性斜升电压，如图（b）虚线所示。简单的RC积分电路的实际输出波形与理想情况不同，在t<<RC的时间范围内，输出电压比较接近于理想的线性斜升电压，随着时间延续，电容两端的电压增高，充电电流减小、输出电压就越来越偏离理想积分电路的输出，如图（b）中实线所示。积分电路也可用运算放大器和RC电路构成。理想的运算放大器，其输入端电流i1≈0，输入端电压UI≈0。当外加电压ui（t）时，电容器C的充电电流iC=i≈ui（t）/R，输出电压uo（t）（即电容器C两端电压）为积分电路可用于产生精密锯齿波电压或线性增长电压，以作为测量和控制系统的时基；也可用于脉冲波形变换电路中。在电视接收机中，采用积分电路可从复合同步信号中分离出场同步脉冲。

积分电路还可以用于处理模拟信号。当输入为正弦信号 ui（t）=Um 时，积分电路的输出为u0（t）=1/RCdt=Um/ωRC，其幅度为输入信号的1/ωRC，相位落后90°。当输入信号含有不同频率分量时，积分电路输出端的信号中频率较高的分量所占的比例降低。在间接调频器中，为了用调相电路得到调频波，先用积分电路对调制信号积分，后由调相电路对载波进行相位调制，得到调频波。

图10积分器

参数选择：主要是确定积分时间C1R1的值，或者说是确定闭环增益线与0dB线交点的频率f0(零交叉点频率)，见图③。当时间常数较大，如超过10ms时，电容C1的值就会达到数微法，由于微法级的标称值电容选择面较窄，故宜用改变电阻R1的方法来调整时间常数。但如所需时间常数较小时，就应选择R1为数千欧～数十千欧，再往小的方向选择C1的值来调整时间常数。因为R1的值如果太小，容易受到前级信号源输出阻抗的影响。

综合上述原因，本次课题输出两路三角波所用的两个积分器所选参数一样，为R1=R2=4KΩ，C=0.1uF 。

2.4.3三角波→正弦波（一阶低通滤波器）原理

利用滤波法将三角波转为正弦波。在三角波电压为固定频率或者频率变化范围很小的情况下，可以考虑采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波，电路如图7.3.14（a）所示。输入电压和输出电压的波形如图（b）所示，uo的频率等于u1基波的频率。

图12电路

将三角波按傅里叶级数展开

其中Um是三角波的幅值。根据上式可知,低通滤波器的通带截止频率应大于三角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率。例如,若三角波的频率范围为100~200Hz,则低通滤波器的通带截止频率可取250 Hz,带通滤波器的通频带可取50 ~250 Hz。但是，如果三角波的最高频率超过其最低频率的三倍,就要考虑采用折线法来实现变换了。

故综合上述本次输出两路矩形波所构建的两个一阶低通滤波器的参数选择为：R1=4kΩ，R16=2kΩ，R8=4kΩ，C4=0.1uf。

2.4.4正弦波→方波（滞回比较器）原理

转换电路的工作原理：在单限比较器中，输入电压在阀值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。而滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因此也就具有一定的抗干扰能力。从反向输入端输人的滞回比较器电路如图所示，滞回比较器电路中引人了正反馈。从集成运放输出端的限幅电路可以看出，Uo=+Uz。集成运放反相输人端电位Up=U;同相输入端电位。