基于單電源供電集成運(yùn)算放大器組成簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)＊

李 繁 王偉祥

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

信號(hào)產(chǎn)生電路是《模擬電子技術(shù)》課程的核心教學(xué)內(nèi)容之一，也是各類大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中綜合測(cè)評(píng)的重要考點(diǎn)。熟練掌握基于集成運(yùn)算放大器組成的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，能為學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)電子類專業(yè)課程打下良好的基礎(chǔ)，有助于學(xué)生參與大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。

信號(hào)發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)的儀器，按照信號(hào)波形可分為正弦信號(hào)、函數(shù)信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類，電路的搭建可以采用由運(yùn)算放大器及分離元件或是單片集成函數(shù)發(fā)生器構(gòu)成。目前在市場(chǎng)上雖然已有功能齊全、性能指標(biāo)較高、價(jià)格較貴的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但其許多功能在實(shí)際的教學(xué)實(shí)訓(xùn)中遭遇閑置，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。一般在教科書中涉及到的運(yùn)算放大器大多采用雙電源供電方式，對(duì)供電條件要求較高。

本文以帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)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(chǎn)生正弦波，正弦波頻率可通過調(diào)整電阻R實(shí)現(xiàn)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(jīng)過積分運(yùn)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(hào)源產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì)和制作。

1 總體方案的確定

1.1 方案一

以LM324為核心器件，采用雙電源供電方式，由集成運(yùn)算放大器與電阻組成滯回比較器產(chǎn)生方波，方波再由積分器進(jìn)行積分，產(chǎn)生三角波，然后由二階有源低通濾波器，產(chǎn)生正弦波。波形產(chǎn)生與變化原理如圖1所示。

圖1 波形產(chǎn)生與變換示意圖（方案一）

該方案電源供電條件要求較高，在實(shí)現(xiàn)波形產(chǎn)生與變換過程中顯得過于復(fù)雜，而且信號(hào)產(chǎn)生后存在較大的諧波分量，振幅難于調(diào)節(jié)，給調(diào)試工作帶來不便。

1.2 方案二

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(chǎn)生，再通過過零比較器產(chǎn)生方波，然后經(jīng)過RC積分電路產(chǎn)生三角波，波形產(chǎn)生與變換原理流程圖如圖2所示。

圖2 波形產(chǎn)生與變換示意圖（方案二）

該方案采用單電源供電方式對(duì)電源的要求不高，可以減少功耗和成本實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并能產(chǎn)生性能較好的正弦波、方波和三角波信號(hào)，振幅和頻率穩(wěn)定且調(diào)節(jié)范圍較寬，方便調(diào)試，綜上所述，方案二優(yōu)于方案一。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇方案二。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)現(xiàn)電路

圖3 函數(shù)波形發(fā)生原理圖

圖3中，采用單電源向LM324供電，利用LM324中的四個(gè)運(yùn)算放大器和外圍電路一起實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生。其中一個(gè)運(yùn)算放大器和外圍元器件組成RC橋式振蕩電路，產(chǎn)生正弦波信號(hào)，再通過其中一個(gè)運(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器保證正弦波信號(hào)的穩(wěn)定輸出，然后將輸出的正弦波信號(hào)接另一個(gè)運(yùn)算放大器輸入的同相端，反相端接中點(diǎn)電位，組成過零比較器，輸出方波信號(hào)，再將輸出的方波信號(hào)通過下一個(gè)運(yùn)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(hào)。這樣只需要利用一塊LM324芯片和一些簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)振幅和頻率穩(wěn)定且調(diào)節(jié)范圍較寬的正弦波信號(hào)、方波信號(hào)和三角波信號(hào)，達(dá)到“一箭三雕”的效果。［1］［2］

2.2 LM324簡(jiǎn)介

LM324芯片采用14腳雙列直插塑料封裝，由四個(gè)獨(dú)立的，高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償帶差動(dòng)輸入運(yùn)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(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。LM324管腳分布如圖4所示，其中共有四個(gè)運(yùn)算放大器，它們共用一個(gè)電源端，4號(hào)管腳VCC為正電源輸入端，11號(hào)管腳VEE、GND為負(fù)電源（地輸入端），其中3、5、10、12為四個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端；2、6、9、13為四個(gè)運(yùn)算放大器的反相輸入端；1、7、8、14為四個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端。它適用于可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。

圖4 LM324管腳排列圖

2.3 集成運(yùn)算放大器單電源供電策略

本系統(tǒng)采用單電源供電方式，對(duì)電源的要求不高，只要電壓電流能滿足負(fù)載的需求即可，而且采用單電源供電時(shí)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(shí)它的4腳接正電源VCC＋12V，11腳接負(fù)電源VEE－12V。在使用單電源供電時(shí)，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(fù)電源的地方改接地。以本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)單電源供電。實(shí)現(xiàn)集成運(yùn)算放大器單電源供電只需設(shè)置合理的偏置電路并在信號(hào)的輸入及輸出加交流耦合電容即可。常用單電源集成運(yùn)算放大器的偏置方法主要有［3］：

2.3.1 電阻分壓法

電阻分壓法的電路原理如圖5所示，這種偏置方法不僅簡(jiǎn)單而且成本低，通過兩個(gè)100KΩ的電阻R1，R2組成分壓網(wǎng)絡(luò)，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(duì)偏置電壓精度影響較大，因此電阻分壓法一般適用于對(duì)偏置電壓精度要求不高的場(chǎng)合。

2.3.2 穩(wěn)壓二極管分壓法

穩(wěn)壓二極管分壓法如圖6所示，選擇穩(wěn)壓值為VCC／2的穩(wěn)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(dāng)通過穩(wěn)壓二極管低于穩(wěn)定電流IZ時(shí)，穩(wěn)壓效果會(huì)變差；穩(wěn)壓二極管穩(wěn)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(hào)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值也不完全一致。單一穩(wěn)壓二極管的成本高于電阻。

2.3.3 運(yùn)算放大器電壓跟隨法

綜上所述，將循證護(hù)理運(yùn)用于肛裂術(shù)后便秘患者可以讓患者對(duì)護(hù)理和治療的配合度更高，通過詳細(xì)解釋便秘對(duì)肛裂產(chǎn)生的影響提高了患者的認(rèn)知功能，患者能夠多食用新鮮的蔬果從而讓便秘的情況得到減少，有效提高了護(hù)理質(zhì)量和患者的滿意度。

運(yùn)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(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器，進(jìn)而形成VCC／2的偏置恒壓源，輸出電流IO的變化對(duì)偏置電壓幾乎沒有影響。但是由于增加了一個(gè)單電源運(yùn)算放大器，造成成本的增加。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到對(duì)單電源供電條件要求不高，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路降低相關(guān)成本和保持電路的穩(wěn)定性，采取電阻分壓法產(chǎn)生偏置電壓。

圖5 電阻分壓法電路

圖6 穩(wěn)壓二極管分壓法電路

圖7 運(yùn)算放大器電壓跟隨法電路

2.4 單元電路設(shè)計(jì)

2.4.1 RC橋式正弦波振蕩電路

圖8 RC橋式正弦波振蕩電路

2.4.2 電壓跟隨器電路

圖9 電壓跟隨器電路

2.4.3 方波產(chǎn)生電路

圖10 方波產(chǎn)生電路

圖10中，方波產(chǎn)生電路主要由一個(gè)過零比較器組成，過零比較器就是將中點(diǎn)參考電壓與輸入電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較輸入電壓的結(jié)果輸出正向或反向飽和電壓。前級(jí)產(chǎn)生的正弦波通過過零比較器，整形為相同頻率的方波。［6］

2.4.4 三角波產(chǎn)生電路

圖11 三角波產(chǎn)生電路

圖11中，將前級(jí)產(chǎn)生的方波信號(hào)經(jīng)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(shù)的取值應(yīng)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 電路的調(diào)試

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)整機(jī)空載電流6mA，滿載電流12mA；當(dāng)RL≥230Ω，調(diào)節(jié)RW2其Up－p在0－8V可調(diào)，調(diào)節(jié)雙聯(lián)電位器可使頻率f在800－1600HZ可調(diào)，u01輸出正弦波；當(dāng)撥動(dòng)開關(guān)K打到1位置時(shí)u02輸出方波，調(diào)節(jié)RW4其Up－p0－10.8V可調(diào)，調(diào)節(jié)雙聯(lián)電位器可使頻率f800－1600HZ可調(diào)；當(dāng)撥動(dòng)開關(guān)K打到2位置時(shí)u02輸出三角波，調(diào)節(jié)RW4其Up－p 0－3V可調(diào)，調(diào)節(jié)雙聯(lián)電位器可使頻率f在800－1600HZ可調(diào)。

4 結(jié)束語

基于單電源供電集成運(yùn)算放大器組成簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器降低了電源要求，簡(jiǎn)化了外圍電路，減少了元器件的數(shù)量，節(jié)約了制作成本，減小了功耗。近年來，全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽復(fù)賽的綜合測(cè)評(píng)題中都出現(xiàn)了采用LM324芯片設(shè)計(jì)制作不同要求的信號(hào)產(chǎn)生電路的考查內(nèi)容。從此類題目要求來看，運(yùn)用簡(jiǎn)單元器件設(shè)計(jì)出功能較為完善的電路是考核學(xué)生科技創(chuàng)新拓展能力的重要途徑，而本文的設(shè)計(jì)思路與此類題目的要求契合度很高，所以賽前，如用本文的設(shè)計(jì)思路及研究成果，通過此電路的設(shè)計(jì)到制作，再到最后的整機(jī)調(diào)試，對(duì)參賽選手進(jìn)行培訓(xùn)，可以收到較好的效果。比如，在2013年全國(guó)大學(xué)生電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)大賽初賽中，筆者指導(dǎo)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)獲得湖北省賽區(qū)一等獎(jiǎng)，決賽以總分86分取得全國(guó)二等獎(jiǎng)的好成績(jī)。

［1］龍曉慶.單電源集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用探討［J］.大眾科技，2009，（5）：14－15.

［2］劉偉俊，張立民.基于運(yùn)算放大器LM324的綜合實(shí)驗(yàn)［J］.電子世界，2012，（2）：49－50.

［3］王曉東.單電源運(yùn)算放大器的偏置原因分析與偏置方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，（16）：123－125.

［4］胡宴如，耿蘇燕.模擬電子技術(shù)（第3版）［M］.北京：高等教育出版社，2008：201－206.

［5］孫肖子.模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)（第2版）［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008：80，287－289.

［6］彭惠芹.集成運(yùn)算放大器構(gòu)成方波信號(hào)發(fā)生器的電路分析［J］.山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，（6）：31－32.