方波转正弦波-集成运放运算电路设计

ID:558045 · 发表于 2019-6-9 10:19

随着不断进步的计算机技术和微电子技术，许多电子学领域的产品，诸如电话、电视、收音机都需要波形的转换，波形转换的重要性不可忽略的。
本设计主要将方波转化为正弦波，设计方案是输入的方波经过积分器可得到三角波，三角波经过差分放大电路以及镜像恒流源电路转换成正弦波，实现功能。

摘要

一、设计任务与要求
二、方案设计与论证
三、单元电路
四、总原理图及元件清单
五、参数计算
六、性能测试与分析
七、结论与心得
八、参考文献

集成运放运算电路设计

一、设计任务与要求

1.集成运放运算电路设计

2.设计一个积分运算电路，用于将方波变换为正弦波，已知输入方波的幅值为2V，周期为1ms。

二、方案设计与论证

本课设为将方波变换为正弦波，题目要求利用积分电路来设计电路，而积分电路只能将方波转换为三角波，并不能直接将方波变换为正弦波。因此，还需要有其他电路将三角波转换为正弦波。根据对题目的分析我们得到以下几个方案：

方案一：方波——>（积分电路）三角波——>（有源低通滤波电路）正弦波；

方案二：方波——>（积分电路）三角波——>（差分放大器）正弦波

方案三：方波——>(积分电路)三角波——>（折线逼近法）正弦波

上述方案的优缺点:

优点:对于方案一所需元器件少，节约了成本，更重要的是利于焊接和调试;对于方案二可通过调零电位器使差分电路对称；方案三不受输入电压频率范围的限制,便于集成化。

缺点:方案一只适合固定频率或者频率变化很小的场合;方案二中所需元件较多,焊接与调试有一定难度；方案三的反馈网络中电阻的匹配比较困难

此次设计我采用方案二，利用积分电路、差分放大电路的单端输入和单端输出和镜像电流源来实现。

三、单元电路

本系统主要分为3个单元模块，它们分别是：积分电路、差分放大器电路和镜像恒流源电路。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。

3.1积分电路的模块设计3.1.1模块的具体功能

该模块主要是将方波通过积分电路转换为三角波输出。如图1所示：集成运放同相输入端接电阻后接地，反相输入端输入方波，经反馈电路中的电容积分，变为三角波后输出。由积分运算电路输出函数：，将输入信号进行积分运算得到一个三角波信号

3.1.2模块的组成和工作原理

该模块由、和集成运放构成积分电路，方波信号转换为三角波输出。积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波,还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理是基于电容的充放电原理，其中重要的是电路的时间常数RC，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须大于或等于10倍输入波形的宽度。

3.1.3模块的具体电路如图1所示

图1 积分电路模块电路图

3.1.4模块的电路分析

由虚短知，反向输入端的电压与同向端相等，

由虚断知，通过的电流与通过的电流相等。

通过的电流，

通过的电流；

所以，，即输出电压与输入电压对时间的积分成正比。

3.2差分放大器电路的模块设计3.2.1模块的具体功能

该模块主要是将三角波转换为正弦波。

3.2.2模块的组成和工作原理

该模块由、、和以及、构成单端输入-单端输出的差分式放大电路。根据差分式放大电路抑制共模信号，放大差模信号的特性，将一端接输入三角波输入，一端接地，输出一个三角波。再利用差分放大器的非线性传输特性，使三角波波峰处于非线性区，可将波峰失真成圆顶，并通过差分放大器的对称性，使信号上下都获得相同的失真，最终得到一个正弦波。

3.2.3模块的具体电路如图2所示

图2 差分放大器电路图

3.2.4模块的电路分析

、采用三极管2N222（），它与电阻、、及电位器共同组成差分放大器的基本电路。其中电容、分别为隔直电容和滤波电容，以消除谐波分量，改善输出波形。

3.3镜像恒流源电路的模块设计3.3.1模块的具体功能

该模块主要是用来调节差分放大器的Q点。

3.3.2模块的组成和工作原理

该模块由、、构成镜像恒流源电路。通过调节电位器，使此电路产生的电流变化流入放大器，使其静态工作点发生变化，从而使信号发生失真。

3.3.3模块的具体电路如图3所示

图3 镜像恒流源电路图

3.3.4模块的电路分析

、与电阻、共同组成恒流源电路，为差分对管的射极提供恒定电流。由于差分式放大电路的静态工作点由恒流源决定，故镜像恒流源电路是为了获得，一般为一毫安或者几毫安，这里设定的值为。

四、总原理图及元件清单

4.1.总原理图

图4 总原理图

4.2元件清单

五、参数计算

5.1积分电路5.1.1 和的确定

首先要确定三角波斜率，使之不会过大或过小，难以形成三角波。

根据进行计算：

在内，；

因为输入的方波幅值为2V，周期为1ms，利用图像分析可得：

三角波斜率的绝对值在之间，令，可得。

5.1.2. 的确定

为滤波电容，滤掉不需要的谐波，使波形更加接近正弦波。此值根据输入信号的频率确定，该电路取4.7μF。

5.2差分放大器电路5.2.1. 、和、的确定

差分放大电路的静态工作点主要由恒流源决定.因为越小，恒流源越恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越大。但是也不能太小，这里取，则。从而可求得：

；

令输入阻抗不小于两千欧，根据可得：==1；

令放大电路的放大倍数，根据可求得，故取==500。

5.2.2. 、的确定

为滤波电容，滤掉不需要的谐波，使波形更加接近正弦波。此值根据输入信号的频率确定，此电路取4.7μF；的作用是滤除高次谐波，一般取几十到一百皮法，此电路取50pF。

5.3镜像恒流源电路5.3.1、、的确定

对恒流源电路进行静态分析可得：

则

射极电阻一般取几千欧姆，这里取==2.5.,则.为方便调整, 用电位器来代替。

六、性能测试与分析

由示波器可见，经过积分电路后，输入的方波转换为了三角波。

由示波器结果可见，幅值为2V，周期为1ms的方波在经过设计电路后变为了正弦波。

七、结论与心得

经过了一个多星期的不停的检测和修改，终于把最终的电路图和成品完成了。经过了这次课程设计，大大地提高了我的动手能力以及分析问题的能力，并且巩固了书本上的知识。通过上网查询资料的过程中我也学到了很多书面上没有搞懂的问题。这次课程设计，让我学到了很多有用的知识和能力，我相信对以后的学习和工作都将是非常有益的。

在整个过程中，用Multisim软件仿真是这次设计的难点，虽然以前在课外学习中接触过一些电子电路，但在初期还是感到无从下手。这是我第一次接触Multisim软件，感觉它比Protel更灵活易用，熟练以后十分顺手。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，但有时接线，因为不够细心，造成整个电路无法运行，最后还是在通过多次对电路仿真，使整个电路可稳定工作。设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。

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