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  • 方波的产生——运算放大器LM324产生方波
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    2019-08-28 21:34:15

    方波的产生——运算放大器LM324产生方波

    双电源供电

    (1)搭建振荡电路如图所示,先采用双电源供电讲解,需要两个滑动变阻器RP1和RP2,一个固定电阻R1和一个电容C1,运放反向输入端 Vo三角波 输出振荡的三角波,运放输出端 Vo方波 输出振荡的方波,电路实际相当于 RP2和C1组成RC振荡电路,RP1和R1配合运放搭建滞回比较器。
    LM324
    (2)输出结果
    方波和三角波同频,起振时频率较高,逐渐恢复稳定,可以看到,这里的方波占空比并不是50%,三角波输出向下偏置,且三角波的波形不是一条直线,而是带有弧度(此时应当判定为电容较小,当电容较小时,放电过快,三角波的波形会变得凸起,当实际波形出现此情况时,判断为电容过小,增大电容,增大电容时很方便,直接并联进去一个电容即可,在这种调试过程中,增大或者减小电容时直接按照数量级改变,比如3.3nF 不行时,可以并联10nF 得到13.3nF,不要每次增加1nF 去试)。当电容增大到几百nF 甚至1uF 还不行时,可能是电容太大了,去掉该电容换成较小的电容(几nF/几百pF)。
    LM324
    (3)参数设计与计算
    RP1和R1可以设置滞回比较器的门限值(限定三角波的幅值,与方波幅值无关,与方波的占空比有关):±UT = Uo[ R1 / ( R1 + RP1 ) ]
    RP2和C1振荡,时间常数为 RP1C1,利用一阶RC电路的三要素法得到振荡周期
    T = 2 RP2 C1 ln(1+2R1/RP1)
    频率f = 1/T
    这里可以看出调整RP1既会改变频率,又会改变三角波的幅值(改变方波占空比),而调整RP2只改变频率,所以在调节时可以先调节RP1到要求的幅值,在调节RP2改变频率。
    (4)示例
    减小RP2,T减小,频率 f 对应增大,波形更密集;三角波的幅值U不受RP2影响(当电容较小时,放电过快,三角波的波形会变得凸起,当实际波形出现此情况时,判断为电容过小,增大电容)。
    当振荡频率较高时(超过10KHz),三角波一般会变为正弦波,且方波的上升沿不再陡峭,这里受限于LM324的芯片性能,使用2017年瑞萨提供的运放能够很好的振荡出20K的方波。

    LM324

    单电源供电

    直接将负电源VEE 的-5v 改成GND,只使用+5V 供电,波形如下,三角波受到很大影响,下降时间明显变长,且无法通过改变阻值和容值调节,此时需要给滞回比较器一个抬升电压。
    xx
    将R1 右端的接地改为接到一个直流偏置上,偏置电压由+5V 电源分压得到,波形恢复正常。
    ll
    调节偏置,可以改变滞回比较器的门限,改变方波的占空比。
    ss

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  • 1、采用555时基电路实现,可以555定时器产生方波,如果对占空比要求不那么精确的话。 2、采用门电路(反相器)及RC(也可附加晶振)实现 3、采用单片机定时器实现,单片机软件编程定时器,控制高低电平就可以。 4...

    A、正弦波产生方案:

    1、较低频率的正弦波可采用单片机产生正弦调制的PWM波,其后连接积分电路实现。
    2、采用运算放大器和RC阻容电路实现,RC正弦波振荡电路
    3、采用RLC谐振选频网络实现

    RC正弦波振荡的组成与工作原理 - 百度文库


    B、方波产生方案:

    1、采用555时基电路实现,可以555定时器产生方波,如果对占空比要求不那么精确的话。
    2、采用门电路(反相器74HC14)及RC(也可附加晶振)实现对输入正弦波三角波整形得到方波
    3、采用单片机定时器实现,单片机软件编程用定时器,控制高低电平就可以。
    4、采用正弦波经过运算放大器(比较器LM311)和RC阻容电路实现

     
    C、三角波产生方案:

    1、主要方法是采用方波+积分器实现。

    软件产生正弦波,过零比较就可以先出来方波,方波再用积分电路可以产生三角波

     


    D、正弦波/方波/三角波共同方法:采用DDS信号发生器专用芯片可实现上述三种信号。

    1.直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer)DDS芯片ADS9851直接就可以产生正弦波和方波,这个不用原理啊
    基于AD9851的多功能信号发生器设计 - 百度文库

    DDS芯片资料

      一、555定时器产生方波

    二、反相器+RC=迟滞比较器 产生方波的电路

     反相器和RC产生方波的电路

    通过控制滞回比较器的上下限,调节方波占空比。

    电路的震荡频率 f 是0.3/【C(R1+Rp1/2)】

    矩形波产生电路如图所示,它是在迟滞比较器的基础上,把输出电压经Rf、C 反馈集成运放的反相端。在运放的输出端引入限流电阻R和两个稳压管而组成的双向限幅电路

     

    2.工作原理

    在接通电源的瞬间,图XX_01电路的输出电压究偏于正向饱和还是负向饱和,纯属偶然。设输出电压偏于负饱和值,即时,则集成运放同相端的电压为

    时电容反向充电,vc由零变负。在Vc高于Vp之前,不变。当Vc下降到略低于Vp时,Vo从–Vz跳变到+Vz。与此同时,Vp由变为

     

     

    三、产生正弦波

    常见模拟电路设计 一(含仿真):方波、三角波、正弦波的互相发生_电磁场与无线技术的博客-CSDN博客_lm324产生方波的原理

    一、总体设计方案

    在这里插入图片描述


    二、单元电路设计和原理说明

    2.1、方波发生电路


    波形发生电路可以由集成运放芯片构成运算电路来实现。
    第一步的方波发生电路,可以由滞回比较器RC电路构成,如图

    在这里插入图片描述

    采用通用运放LM324芯片进行设计,C1和R1组成RC电路,而R2和R3以及LM324构成滞回比较器。D1、D2的作用是稳压。

    通过控制滞回比较器的上下限,调节方波占空比。

    电路波形如下

    在这里插入图片描述

    2.2、三角波发生电路


    三角波发生器就是利用集成运放构成积分器,然后对方波信号进行运算,如图

     在这里插入图片描述


    其中R4和C2的值要经过计算,否则输出波形会出现失真

    问:请问方波变成正弦波必须先变成三角波吗?

    答:滤波

    问:方波和正弦波之间怎么相互转换?

    方波傅立叶变换成多个正弦波,再低通滤波

    问:想让正弦波转换成三角波怎么弄呢?

    答:复杂的方式是PLL,虽然很直接,但太过复杂,需要用到数字信号处理的知识;

           简单的方式是先把正弦波用滞回比较器变成方波,再用积分电路变成三角波,注意变换过程中的幅度、相位就好!

    其波形如图

    在这里插入图片描述

    2.3、正弦波发生电路


    由傅里叶变换展开三角波信号

     在这里插入图片描述

    可知,在三角波频率固定或者变化较小(3倍以内变化)的时候,可以通过低通滤波器得到正弦波,此滤波频率应该大于基波频率而小于三次谐波分量频率。

    问:怎样可以得到上下限相等的三角波呢,有时候会离x轴有偏移

    答:把参考电平(地)适当地移位是最简单的解决办法

    电路图如下

    在这里插入图片描述

    在50Hz三角波时波形如下

     在这里插入图片描述

    三、元器件的选择及相关数据、参数


    核心芯片集成运放选择了LM324通用运放

    在这里插入图片描述

    四、总体电路原理图和工作原理说明


    总体电路如下

    在这里插入图片描述

    从左到右依次为方波发生部分,三角波发生部分,正弦波发生部分。


    方波发生部分由LM324构成的滞回比较器和RC电路构成;

    三角波发生部分是LM324构成的积分运算电路;

    正弦波发生部分则是LM324构成的低通滤波器。

    方波产生的原理是RC电路波形在滞回比较器的选择下输出方波;

    三角波产生原理是对方波进行积分运算得到三角波;

    正弦波产生原理是,因为根据傅里叶变换,三角波可化为正弦波之和,所以很容易通过低通滤波器得到正弦波,滤波器的频率应该大于基波频率小于三次谐波分量频率。

    最终得到的三个波形

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    方波,三角波,正弦波的波形峰值,有效值和平均值之间的关系

    有效值即均方根值:一个周期内做功大小=有效值电压(直流电压)的做功大小

     

    正弦波它们之间的关系是Vpp=2Vp=2√2Vrms

    方波两者相等,三角波峰值是有效值的二倍

    此图摘自《电力电子技术
    ————————————————
    版权声明:本文为CSDN博主「电磁场与无线技术」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
    原文链接:https://blog.csdn.net/weixin_43824941/article/details/108064258

    五、正弦波转方波常用电路

    输进的正弦波电压通过由C1、C2和D1、D2组成的半波二倍压电路为IC1提供工作电源。IC1A构成放大器对输进信号进行放大,经IC1B、IC1C反相、整形变换成方波信号,再由IC1D、IC1E、IC1F进行功率放大至输出。R2用来调节输出信号幅度。

    图示电路在20Hz-20KHz可输出性能良好的方波。在使用时,为保证输出信号的质量建议输进正弦波有效值大于1.5V。输进的正弦波电压最小有效值需大于750mV,此时输出信号的峰值约为2V。输出的方波幅度与输进波形幅度成比例。制作时,D1、D2也可选用锗材料的二极管,如2AP系列等,这时相对输进信号的最小有效值可还低一些。

    图1正弦波转方波电路图

    图2CD4093电路图

    这里先容一个无需另外电源的正弦波变方波转换电路(见图1),它可从已有的正弦波发生器中提出良好的方波信号而不需外

    接电源为其电路供电,使得它可以方便的将正弦波发生器和测试装置结合在一起

    施密特电路 -正弦波转方波

     

     

    大家还记得前天,有同学在公众号里询问的 波形的转换与信号处理 的问题。是将输入的正弦波转换成两倍频、占空比可调、幅度可调YyY的三角波形。

    ▲ 问题的要求示意图

    ▲ 问题的要求示意图
    在之前的信号与系统课程中,讨论过如何获得 对称方波中的二次谐波 的问题,那么利用其中的一些方案是可以将输入正弦波转换到它对应的二倍频的正弦波。

    由于最后需要的是两倍频的三角波,并且是占空比可调,所以在电路中就不再需要提取正弦波的选频电路,而是直接脉冲波形上进行波形变换即可。

    一下子直接获得二倍频的三角波可能有些困难。所以可以将这个问题转换成两步:
    **第一步:**先生成占空比可调的二倍频的方波信号;
    **第二步:**在将方波信号转换成三角信号;

    在第一步过程中,可以参见在 对称方波中的二次谐波中的讨论,使用以下四个步骤完成:

    ▲ 由正弦波生成占空比可调的方波信号

    ▲ 由正弦波生成占空比可调的方波信号
    在最后一步,单稳态触发器的时间是可以调节的,近而可以调节最后二倍频方波的占空比。

    以上的过程仅仅是一个思路,实现二倍频的方案的方案还有很多。

    第二步,再将方波信号转换成幅度可调节的三角波信号。那么这其中需要使用什么电路呢?

    ▲ 由方波转换成三角波的过程▲ 由方波转换成三角波的过程
    最后这一步的转换就简单了,可以通过积分电路进行转换。只是,这其中需要解决两个问题:

    如何消去积分器前级信号的直流分量,避免积分电路饱和?

    如何调节输出信号的幅值?

    显然第一个问题,可以通过两个方法来解决:一是通过隔直电容将占空比可调的脉冲信号送入后面的积分电路;二是在后面的积分电路中增加一个反馈,来稳定输出的直流工作点;

    第二个问题,可以通过调节输入信号的幅值,或者通过调节积分电路中控制积分电流对应的电阻的大小来改变积分结果的幅值。

    下图给出了第二步的实现示意图:

    ▲ 方波转变成三角波的电路▲ 方波转变成三角波的电路
    其中C0是隔直电容。R1,C1是积分环节中的阻容。调节R1的大小可以改变输出结果的幅值。 R2是放置积分电路饱和的反馈电阻。它的大小需要比R1大两个数量级,这样就不会影响积分波形。

    好吧,这也许就是一个抛砖引玉的过程,其中还存在一些设计缺点。比如对于占空比、幅值以及输入信号的频率之间还不能够完全解耦。也就是当输入正弦信号的频率发生变化的时候,就会影响输出信号的占空比以及幅值。 当改变占空比的时候,也会影响输出信号的幅值。

    如果需要将它们之间的这种耦合解除掉,还需要再增加一些辅助电路。或者改为另外的思路,使用更加简单巧妙的方法完成电路的设计
    ————————————————
    版权声明:本文为CSDN博主「卓晴」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
    原文链接:https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/106293296

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  • 方波三角波发生器(详细数据计算)

    方波三角波发生器:

    三角波发生器-总结报告_zhjysx的博客-CSDN博客

    阶梯波发生器:

    运放实现阶梯波发生器-实验报告_zhjysx的博客-CSDN博客


    目录

    实验目的:

    课程条件:

    原理框图:

    实验原理图:

    所需硬件模块原理:

    1.滞回比较器

    2.积分电路

    电路图内硬件模块:

    1.三角波发生模块

    PDF文件


    实验目的:

    学习、理解、掌握由运算放大器构成的滞回比较器电路、积分电路,看懂电路图,分析方波三角波产生原理,计算波形频率、周期,通过对理论计算、仿真、测试增强对电路原理与实践的能力。

    课程条件:

    电脑仿真软件Multisim

    原理框图:

    a3f4b6be6d789e39754ac4be98008842.png

    所需硬件模块原理:

    1.滞回比较器

    2edabe764d85460ce46ce2f08bcb1b67.png

    工作原理:若输入电压Ui不断增大,当Ui>+UR,UO转为+VCC;

    若输入电压Ui不断减小,当Ui<-UR,UO转为-VCC。

    UR为阈值电压,计算公式为:

    778ff472fe2b6589a9a8e3eafae50a0d.png

    于是可得:只要给Ui输入一个幅值能大于阈值电压的振荡电压,滞回比较器就能产生方波

    若输入电压Ui为正弦波,输出方波:

    864e30bae167cfe8b0081b07e815e782.png

    若输入电压Ui为三角波,输出方波:

    8f8eb63fcd1012578c00027621c83453.png

    2.积分电路

    26d8cf76b327ce64d3044f5672175086.png

    工作原理:输入电压Ui通过电阻R1产生电流IR,IR不断给电容充电,使得电容两端的电压持续上升

    运放的负输入端电压为0V,输出电压UO的值等于负输入端电压-电容两端电压,即

    即 UO= - UC

    数值计算:

    时间在t0-t内,积分电路公式推导:

    d33d75b832902572078c7415706cb181.png

    电路图内硬件模块:

    1.三角波发生模块

    watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA5bCP6bq75bCP5ZCM5a2m,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16

    滞回比较器的阈值电压就是其正输入端的电压值,负输入端的电压值称为比较电压

    工作原理:将积分电路产生的三角波导入滞回比较器的正输入端,与其负输入端电压比较


    阈值电压计算:

    计算思路:由于UO2与UO1可以共同影响滞回比较器的阈值电压,因此计算阈值电压时需要用到叠加定理。先将UO2接地,计算在UO1影响下阈值电压的值,在将UO1接地,计算在UO2影响下阈值电压的值,最后将两个值相加就可以得到阈值电压。

    计算流程:

    1.先将UO2接地,计算在UO1作用下的正输入端电压UP1

    7bbf0501038a3ce0ec0f0060a4b8782b.png

    2.在将UO1接地,计算在UO2作用下的正输入端电压UP2

    f8ffee4fc88fdbb8a21444f78fc91a31.png

    3.最后将两个值相加可得阈值电压

    5219cdc296f48103c09ef334b55798f2.png

    4.因为UO2等于±VCC,所以:

    811a675d296dde0c365af5ddc415c10c.png


    三角波频率计算:

    7ab7a7e59defd124067001cf8e226d9b.png


    滑动变阻器作用:

    R3:

    因为该电路图中,滞回比较器的负输入端接地,也就是比较电压为0V,

    即该滞回比较器输出电压会在正输入端电压为0V时发生跳变。

    令Up(正输入端电压)=Un(负输入端电压)=0  将其带入阈值电压公式并化简可得:

    1468ee2d84a43bd90c4e9b481876a546.png

    从公式中可以看出当改变R3时,可以改变阈值电压,从而改变三角波的幅值

    R8:

    9dc43adeba1b179fb61db97e28f9fc9f.png

    根据三角波周期公式可得调节R8可以影响三角波频率


    仿真结果

    4c38469689c142a9a1d6872f5bef5f8e.png


    PDF文件:

    用运算放大器实现方波三角波发生器的实验报告含详细数据计算-嵌入式文档类资源-CSDN文库https://download.csdn.net/download/zhjysx/78375335


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  • 方波变为正弦波,脉宽调制,低通滤波器,PWA,单频率低通滤波器。
  • 运算放大器积分电路积分电路设计

    万次阅读 多人点赞 2020-04-04 15:15:52
    运算放大器积分电路积分电路设计 积分电路 Integrator circuit 在运算放大器积分电路中,电容器插入反馈环路中,并在反相输入端与R1一起产生一个RC时间常数。 积分的物理意义 积分的物理意义我们经常会使用到,...

    运算放大器积分电路及积分电路设计

    积分电路 Integrator circuit

    在运算放大器积分器电路中,电容器插入反馈环路中,并在反相输入端与R1一起产生一个RC时间常数。

    积分的物理意义

    积分的物理意义我们经常会使用到,例如下面的几个例子。
    1、加速度对时间的积分就是速度;
    2、速度对时间的积分就是路程;
    3、功率对时间的积分就是功。

    积分的几何意义

    几何意义来自于我们的数学基础概念,比如几何处理等问题,如下所示。
    在这里插入图片描述

    积分电路

    积分器电路根据电路时间常数和放大器的带宽,在一个频率范围内输出输入信号的积分。
    输入信号被施加到反相输入,因此输出相对于输入信号的极性反相。理想的积分器电路将饱和到电源轨,具体取决于输入失调电压的极性并需要增加一个反馈电阻R2,以提供稳定的直流工作点。反馈电阻器限制了执行积分功能的较低频率范围。

    设计须知

    1.对于反馈电阻,请使用尽可能大的值。
    2.选择一个CMOS运算放大器,以最小化输入偏置电流的误差。
    3.放大器的增益带宽积(GBP)将设置积分器功能的上限频率。
    集成功能的有效性通常在距放大器带宽约十年的时间开始降低。
    4.需要将一个可调基准电压连接到运算放大器的同相输入,以消除输入失调电压,否则较大的DC噪声增益将导致电路饱和。具有非常低的失调电压的运算放大器可能不需要这样做。

    积分电路如下所示:
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    积分电路计算

    积分电路输出电压Vout计算
    在这里插入图片描述

    如何设计

    1、我们需要先设定电阻值,即就是上图中的R1;
    2、计算C1以设置单位增益积分频率。
    3、计算R2将下限截止频率设置为比最小工作频率低十倍。
    4、选择增益带宽至少为所需最大工作频率的10倍的放大器。

    在这里插入图片描述

    增益带宽积
    假设运算放大器的增益带宽积为1 MHz,它意味着当频率为1 Mhz时,器件的增益下降到单位增益。即此时A=1。同时说明这个放大器最高可以以1 MHz的频率工作而不至于使输入信号失真。由于增益与频率的乘积是确定的,因此当同一器件需要得到10倍增益时,它最高只能够以100 kHz的频率工作。

    单位增益带宽
    单位增益带宽定义为,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个频率可变恒幅正弦小信号输入到运放的输入端,随着输入信号频率不断变大,输出信号增益将不断减小,当从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db(或是相当于运放输入信号的0.707)时,所对应的信号频率乘以闭环放大倍数1所得的增益带宽积。

    导数的运算

    因为我们在高等数学里面是先讲到的导数相关运算,再讲述的是积分运算。

    简单函数:
    在这里插入图片描述
    复合函数:
    在这里插入图片描述

    积分的运算

    在这里插入图片描述

    运放芯片本身需要注意的参数

    VOS 输入失调电压
    输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时。两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性。对称性越好。输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标,特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电压与制造工艺有一定关系。当中双极型工艺(即上述的标准硅工艺)的输入失调电压在±1~10mV之间。

    IB 输入偏置电流
    运放两个输入端偏置电流的平均值, 确切地说是运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。

    IOS 输入失调电流
    在零输入时,差分输入级的差分对管基极电流之差,II0=|IB1-IB2|。用于表征差分级输入电流不对称的程度。通常,Ios为(0.5~5)nA,高质量的可低于 1nA。

    AOL 开环电压增益
    开环电压增益参数Aol被定义为输出电压的改变量与两个输入端之间电压该变量之比。

    运算放大器的静态输入指标及动态技术指标:输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流、共模抑制比、单位增益带宽、转换速率、压摆率、输入阻抗、输出阻抗。

    积分电路的应用:

    1、积分电路可以使输入方波转换成三角波或者斜波;
    2、积分电路电阻串联在主电路中,电容在干路中;
    3、积分电路的时间常数t要大于或者等于10倍输入脉冲宽度;
    4、积分电路输入和输出成积分关系

    积分电压波形

    我们经常所了解到的方波转为三角波;
    在这里插入图片描述

    R2如果不增加将会导致输出出现积分饱和,也就是电容无法放电,导致输出异常甚至可能达到和供电电源一样的电压,因此需要增加这个大的并联电容;

    积分电路分析分析

    如果现在施加到Vin的方波进入其正半周期并在Vin处产生稳定的正DC电压,则电流将流过R1并开始对C1充电。

    由于R1和C1的交界处的电压(LM324的反相输入)保持在虚拟地,因此,运放输出(连接至C1的右面板)的电压将开始以一定速率下降由CR时间常数控制。

    输出电压将继续下降,试图达到一个等于Vin且与Vin相反的负电压。此动作导致输出端出现相对线性的负向斜率,直到(远在一个时间常数结束之前),输入方波突然改变极性。

    在输入方波的负向半周期开始时将Vin的电压更改回较低的水平将导致C1开始放电,并将反相输入保持在0V,运算放大器输出的电压将开始以线性方式增加。

    这一直持续到下一个周期开始时输入突然再次变为正。

    为了在输出三角波形上产生线性斜坡,积分器电路的CR时间常数应类似于或长于输入波周期时间的一半。

    在图所示的情况下,时间常数R1 x C1(100exp3 x 10exp-9)= 220µs将周期为1 / 2exp3Hz = 500µs / 2 = 250µs的1kHz方波转换为合理的线性三角波波。

    Reference

    更多详细介绍可以参考TI相关介绍。

    1、http://webpages.ursinus.edu/lriley/ref/circuits/node5.html

    2、https://wenku.baidu.com/view/4e228473227916888586d763.html

    3、https://learnabout-electronics.org/Amplifiers/amplifiers66.php

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用积分电路方波转为三角波的电路

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