方波轉正弦波-集成運放運算電路設計

ID:558045 · 發表于 2019-6-9 10:19

隨著不斷進步的計算機技術和微電子技術，許多電子學領域的產品，諸如電話、電視、收音機都需要波形的轉換，波形轉換的重要性不可忽略的。
本設計主要將方波轉化為正弦波，設計方案是輸入的方波經過積分器可得到三角波，三角波經過差分放大電路以及鏡像恒流源電路轉換成正弦波，實現功能。

摘要

一、設計任務與要求
二、方案設計與論證
三、單元電路
四、總原理圖及元件清單
五、參數計算
六、性能測試與分析
七、結論與心得
八、參考文獻

集成運放運算電路設計

一、設計任務與要求

1.集成運放運算電路設計

2.設計一個積分運算電路，用于將方波變換為正弦波，已知輸入方波的幅值為2V，周期為1ms。

二、方案設計與論證

本課設為將方波變換為正弦波，題目要求利用積分電路來設計電路，而積分電路只能將方波轉換為三角波，并不能直接將方波變換為正弦波。因此，還需要有其他電路將三角波轉換為正弦波。根據對題目的分析我們得到以下幾個方案：

方案一：方波——>（積分電路）三角波——>（有源低通濾波電路）正弦波；

方案二：方波——>（積分電路）三角波——>（差分放大器）正弦波

方案三：方波——>(積分電路)三角波——>（折線逼近法）正弦波

上述方案的優缺點:

優點:對于方案一所需元器件少，節約了成本，更重要的是利于焊接和調試;對于方案二可通過調零電位器使差分電路對稱；方案三不受輸入電壓頻率范圍的限制,便于集成化。

缺點:方案一只適合固定頻率或者頻率變化很小的場合;方案二中所需元件較多,焊接與調試有一定難度；方案三的反饋網絡中電阻的匹配比較困難

此次設計我采用方案二，利用積分電路、差分放大電路的單端輸入和單端輸出和鏡像電流源來實現。

三、單元電路

本系統主要分為3個單元模塊，它們分別是：積分電路、差分放大器電路和鏡像恒流源電路。各單元模塊功能及相關電路的具體說明如下。

3.1積分電路的模塊設計3.1.1模塊的具體功能

該模塊主要是將方波通過積分電路轉換為三角波輸出。如圖1所示：集成運放同相輸入端接電阻后接地，反相輸入端輸入方波，經反饋電路中的電容積分，變為三角波后輸出。由積分運算電路輸出函數：，將輸入信號進行積分運算得到一個三角波信號

3.1.2模塊的組成和工作原理

該模塊由、和集成運放構成積分電路，方波信號轉換為三角波輸出。積分電路可將矩形脈沖波轉換為鋸齒波或三角波,還可將鋸齒波轉換為拋物波。電路原理是基于電容的充放電原理，其中重要的是電路的時間常數RC，構成積分電路的條件是電路的時間常數必須大于或等于10倍輸入波形的寬度。

3.1.3模塊的具體電路如圖1所示

圖1 積分電路模塊電路圖

3.1.4模塊的電路分析

由虛短知，反向輸入端的電壓與同向端相等，

由虛斷知，通過的電流與通過的電流相等。

通過的電流，

通過的電流；

所以，，即輸出電壓與輸入電壓對時間的積分成正比。

3.2差分放大器電路的模塊設計3.2.1模塊的具體功能

該模塊主要是將三角波轉換為正弦波。

3.2.2模塊的組成和工作原理

該模塊由、、和以及、構成單端輸入-單端輸出的差分式放大電路。根據差分式放大電路抑制共模信號，放大差模信號的特性，將一端接輸入三角波輸入，一端接地，輸出一個三角波。再利用差分放大器的非線性傳輸特性，使三角波波峰處于非線性區，可將波峰失真成圓頂，并通過差分放大器的對稱性，使信號上下都獲得相同的失真，最終得到一個正弦波。

3.2.3模塊的具體電路如圖2所示

圖2 差分放大器電路圖

3.2.4模塊的電路分析

、采用三極管2N222（），它與電阻、、及電位器共同組成差分放大器的基本電路。其中電容、分別為隔直電容和濾波電容，以消除諧波分量，改善輸出波形。

3.3鏡像恒流源電路的模塊設計3.3.1模塊的具體功能

該模塊主要是用來調節差分放大器的Q點。

3.3.2模塊的組成和工作原理

該模塊由、、構成鏡像恒流源電路。通過調節電位器，使此電路產生的電流變化流入放大器，使其靜態工作點發生變化，從而使信號發生失真。

3.3.3模塊的具體電路如圖3所示

圖3 鏡像恒流源電路圖

3.3.4模塊的電路分析

、與電阻、共同組成恒流源電路，為差分對管的射極提供恒定電流。由于差分式放大電路的靜態工作點由恒流源決定，故鏡像恒流源電路是為了獲得，一般為一毫安或者幾毫安，這里設定的值為。

四、總原理圖及元件清單

4.1.總原理圖

圖4 總原理圖

4.2元件清單

五、參數計算

5.1積分電路5.1.1 和的確定

首先要確定三角波斜率，使之不會過大或過小，難以形成三角波。

根據進行計算：

在內，；

因為輸入的方波幅值為2V，周期為1ms，利用圖像分析可得：

三角波斜率的絕對值在之間，令，可得。

5.1.2. 的確定

為濾波電容，濾掉不需要的諧波，使波形更加接近正弦波。此值根據輸入信號的頻率確定，該電路取4.7μF。

5.2差分放大器電路5.2.1. 、和、的確定

差分放大電路的靜態工作點主要由恒流源決定.因為越小，恒流源越恒定，溫漂越小，放大器的輸入阻抗越大。但是也不能太小，這里取，則。從而可求得：

；

令輸入阻抗不小于兩千歐，根據可得：==1；

令放大電路的放大倍數，根據可求得，故取==500。

5.2.2. 、的確定

為濾波電容，濾掉不需要的諧波，使波形更加接近正弦波。此值根據輸入信號的頻率確定，此電路取4.7μF；的作用是濾除高次諧波，一般取幾十到一百皮法，此電路取50pF。

5.3鏡像恒流源電路5.3.1、、的確定

對恒流源電路進行靜態分析可得：

則

射極電阻一般取幾千歐姆，這里取==2.5.,則.為方便調整, 用電位器來代替。

六、性能測試與分析

由示波器可見，經過積分電路后，輸入的方波轉換為了三角波。

由示波器結果可見，幅值為2V，周期為1ms的方波在經過設計電路后變為了正弦波。

七、結論與心得

經過了一個多星期的不停的檢測和修改，終于把最終的電路圖和成品完成了。經過了這次課程設計，大大地提高了我的動手能力以及分析問題的能力，并且鞏固了書本上的知識。通過上網查詢資料的過程中我也學到了很多書面上沒有搞懂的問題。這次課程設計，讓我學到了很多有用的知識和能力，我相信對以后的學習和工作都將是非常有益的。

在整個過程中，用Multisim軟件仿真是這次設計的難點，雖然以前在課外學習中接觸過一些電子電路，但在初期還是感到無從下手。這是我第一次接觸Multisim軟件，感覺它比Protel更靈活易用，熟練以后十分順手。在整個電路的設計過程中，花費時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細節設計上，但有時接線，因為不夠細心，造成整個電路無法運行，最后還是在通過多次對電路仿真，使整個電路可穩定工作。設計過程中，我深刻的體會到在設計過程中，需要反復實踐，其過程很可能相當煩瑣，有時花很長時間設計出來的電路還是需要重做，那時心中未免有點灰心，有時還特別想放棄，此時更加需要靜下心，查找原因。設計思路是最重要的，只要你的設計思路是成功的，那你的設計已經成功了一半。因此我們應該在設計前做好充分的準備，像查找詳細的資料，為我們設計的成功打下堅實的基礎。

完整的Word格式文檔51黑下載地址：

設計.doc (485.57 KB, 下載次數: 63)