电子设计实验报告

**********大学

电子技术基础课程设计报告

题 目：

院

专

姓

学

日 直流稳压电源和信号发生器设计实践 别： ******学院 业： ****专业 名： *** 号： ********** 期： 20**年**月

摘要

摘要：本实验由直流稳压电源和信号发生器两部分组成，分别是：5V/12V稳压电源和基于LM324的信号发生器。采用从简单到复杂，从电源到电路的思路，首先设计了一个集成稳压电源用作后续设计电路供电源，再依照设计要求对运算放大器的应用进行电路设计，实现原理图电路到印刷电路，简单电路到复杂电路，教学电路到实用电路的设计。应用时序、波形、电路仿真等仿真方法，获得电路时域、频域较好的结果。通过电路焊接、调试、局部电路再设计，完成简单的+5V、+12V、-5V、-12V且纹波在10mv之下的供电电源，通过LM324里的运算放大器进行三角波的生成，加法器的运用，滤波器的低通，以及比较器对三角波和滤波输出的比较。

关键词：集成稳压器；LM324运算放大器；555定时器

Abstract: This experiment is composed of two parts of the DC power supply and signal generator, namely: 5V/12V regulated power supply and signal generator based on LM324. From simple to complex, from the power to the circuit, the first design of an integrated power supply for the follow-up design circuit for power supply, and then according to the design requirements of the operational amplifier circuit design, circuit design to the printed circuit, simple circuit to complex circuit, circuit design to practical circuit. By using the simulation method of time series, waveform and circuit simulation, the results of circuit time domain and frequency domain are obtained. Through the circuit welding, debugging, local circuit design, the +5V, +12V,, -5V, -12V, and ripple in the 10mV under the power supply, through the LM324 of the operational amplifier for triangular wave generation, the use of the adder, the filter, and the comparison of the three corner of the comparator.

Keywords:

Integrated voltage stabilizer; LM324 operational amplifier; 555 timer

目 录

摘要····························································4 1 引言··························································5

1.1直流稳压电源·················································5

1.1.1 设计任务··················································5

1.1.2 功能指标··················································5

1.1.3 课题要求··················································5

1.2运算放大器的应用·············································5

1.2.1 设计任务··················································5

1.2.2 功能要求··················································5

1.2.2.1 集成运算放大器的应用····································5

2 总体方案论证与设计············································7

2.1系统框图·····················································7

2.1.1直流稳压电源···············································7

2.1.2集成运算放大器·············································7

2.2设计原理·····················································7

2.2.1直流稳压电源···············································7

2.2.2运算放大器·················································7

3 电路设计与分析················································8

3.1 直流稳压电源················································8

3.1.1电路设计···················································8

3.1.2参数计算··················································11

3.1.3器件选择··················································11

3.1.4完整电路图及工作原理······································11

3.2 信号产生与处理电路设计·····································12

3.2.1电路设计电路仿真及波形分·································12

3.2.2参数计算··················································14

3.2.3器件选择··················································15

3.2.4完整电路图················································15

4 系统实现与测试···············································15

4.1系统实现方法················································15

4.1.1直流稳压电源··············································15

4.1.1.1电路组装················································15

4.1.1.2功能调试方法技巧········································15

4.1.1.3故障以及排除方法········································16

4.1.1.4硬件电路板实物图········································16

4.1.2集成运算放大器············································18

4.1.2.1电路组装················································18

4.1.2.2功能调试方法技巧········································18

4.1.2.3故障以及排除方法········································18

4.1.2.4硬件电路板实物图········································18

4.2系统测试····················································20

4.2.1调试仪器··················································20

4.2.2测试方案··················································20

4.3测试结果分析················································20

4.3.1直流稳压电源··············································20

4.3.2关键点测试数据表格········································22

4.3.3运算放大器················································22

5 关键技术与难点···············································24

5.1关键设计····················································24

5.2技术难点····················································25

6总结·························································26

6.1设计总结····················································26

6.2收获体会····················································26

6.3建议························································27 附录···························································27

1 引言（任务、要求）

1.1直流稳压电源

1.1.1 设计任务

5V/1A1.1.2 功能指标

1. 基本功能及主要技术指标

（1）同时输出三路电压/电流：±5V/1A、±12V/0.2A；

（2）输出纹波电压小于10mV（最好Vopp≤5mV），稳压系数小于5×10-3；

（3）具有电源通电输出指示，具有有过流、过压、过热保护功能。

2. 发挥扩展功能（完成本题基本功能和后续课题后再实现，进行理论设计）

（1）输出一路连续可调电压：＋1.25V～＋10V，Iomax≥500mA；

（2）扩展输出电流，＋5V工作电流2A，＋12V工作电流2A；

（3）输出电压数字显示(3位半数字显示，基本量程0V～19.99V)。

1.1.3 课题要求

1.所有学员参与，单人单组设计完成（每人一个）；

2.完成整个电路理论设计、理论计算、绘制电路图；

3.焊接组装电路板，调试实现功能，测试性能指标；

4.撰写课程设计报告、调试报告及使用说明书(融入总体报告)；

5.主要参考器件：集成稳压器LM7805，LM7812、LM7912；

6.时间8～10学时（课内），课外自主安排。

1.2运算放大器的应用

1.2.1 设计任务

2011 年全国大学生电子设计竞赛综合测评题（集成运算放大器的应用） 2013年全国大学生电子设计竞赛综合评测题（波形发生器）

1.2.2 功能要求

1.2.2.1 集成运算放大器的应用

使用一片通用四运放芯片LM324 组成电路框图见图1（a），实现下述功能：三角波发生器，加法器，滤波器和比较器。设计制作要求如下：

图1（a） 图1（b）

使用低频信号源产生：ui10.1sin2f0t(V) ，f0=500Hz、幅值Upp=200mV的正弦波信号， 加至加法器的输入端，加法器的另一输入端加入由自制振荡器产生的信号uo1， uo1 如图1（b）所示， T1=0.5ms，频率f1=2000Hz，幅值uo1pp =4V，允许T1有±5%的误差。1000hz w=2p/T,f=1/T w=2p*f

加法器输出ui2=10ui1+uo1。ui2经选频滤波器滤除uo1 频率分量，选出f0 信号为uo2，uo2 为峰峰值等于9V 的正弦信号，用示波器观察无明显失真。uo2 信号再经比较器后在1kΩ 负载上得到峰峰值为2V的输出电压uo3。

电源只能选用+12V 和+5V 两种单电源（建议使用自制稳压电源供给）。要求预留ui1、ui2、uo1、uo2 和uo3 的测试端子。

2 总体方案论证与设计

2.1系统框图

2.1.1直流稳压电源

2.1.2集成运算放大器

2.2设计原理

2.2.1直流稳压电源

本电路的设计是基于稳压器78XX和79XX的原理进行设计的。

首先将220V50Hz交流电转化为（）交流电。然后输入到整流桥，进行整流。通过滤波电路进行滤波稳定去除干扰，输入到稳压器中，最后再进行一次滤波去干扰。就获得了稳定的直流输出。

2.2.2运算放大器

LM324内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压频率很宽的单电源使用,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外,四组运放相互独立。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,因此被广泛应用在各种电路中。

3 电路设计与分析（可以按照功能单元，主要部分）

3.1 直流稳压电源

3.1.1电路设计

（1）电源变压器

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。 本实验的作用是实现220V电压转化为合适的电压值（17.3V 9.4V）。

（2）整流电路

设计中采用桥式整流电路，桥式整流电路因电源变压器在正负半周内都向负载提供电流，变压器得到了充分利用，效率较高，同时它也具有输出电压相对较大、纹波电压相对较小等优点，故采用其作为整流部分电路（型号）

（3）滤波电路

为了进一步减小纹波电压，使输出电压的波形变得比较平缓，本次设计采用电容滤波电路，将脉动直流电中的脉动交流成分尽量滤除掉，而只留下直流成分，使输出电压成为比较平滑的直流电压。

电容上的数字表示意思为：10*10^n pf 比如104就是10*10^4pf也就是100nf

（4）稳压电路 ○1电路选择原则

稳压电路是利用能够自动调整输出电压变化的电路来使输出的电压不随电网电压、温度或负载的变化而变化，从而达到稳定输出电压的目的。一般有并联型、串联型线性稳压电路和开关型稳压电路等。

其作用是当交流电网电压波动或负载变化时，保证输出直流电压的稳定。简单的稳压电路可采用稳压管来实现，在稳压性能要求较高的场合，可采用串联反馈式稳压电路（包括基准电压、取样电路、放大电路和调整管部分）。目前市场上通用的集成稳压电路已非常普遍。集成稳压电路与分立元件组成的稳压电路相比，具有外接电路简单，使用方便、体积小、工作可靠等优点。常用的集成稳压器有三端固定集成稳压器和三端可调集成稳压器，它们都属于电压串联反馈型。 ○2

变压器介绍

三端固定集成稳压器包含78XX和79XX两大系列。78XX系列式三端固定正电压输出稳压器，79XX系列式三端固定负电压输出稳压器。78XX系列和79XX系列其型号后的X X代表输出电压值，有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。其额定电流以78或79后面的字母区分，其中L为0.1A，M为0.5A，无字母为1.5A 封装形式：

典型应用 ：

3.1.2参数计算

V1N1



变压器：V2N2 稳压电路：模电

3.1.3器件选择

保险管 变压器 整流桥

电容100uf，330nf，100uf，220uf 电阻 10欧，100欧，500欧 稳压器 7812,7805,7912

3.1.4完整电路图

3.2 信号产生与处理电路设计

3.2.1电路设计、电路仿真及波形分析

根据LM324的功能进行设计

运算放大器可以组成各种有源器件，比如放大器，比较器，三角波发生器等等。 三角波发生器：

原理：实际上不是真正意义上的三角波，是一个电容的充放电过程，只是通过运算放大器的调制，使得充放电速度适中，导致波形与三角波比较相似。LM324产输出端使用迟滞比较器的功能输出了一个方波，然后通过后面R7和C2组成的电容充放电电路实现了三角波的产生。R7改变可以改变波形的幅度（R7增大幅度减小），C2的改变可以改变波形的形状（C2越大，波形越陡，越像三角波）。而改变频率需要电容C1和R5，R5变小频率增大，C1变大频率变大。

加法器：

原理：因为运算放大器有“虚短虚断”的特性。所以根据可以实现加法器的功能。如图所示。根据欧姆定律可以计算出：

R11R1

Uo1(1)Ui1

R13R10R12R1||R13 R11R13

Uo1(1)Ui1

R13R10R12R1||R13

U=U02+U01

滤波器：

原理：编号14和13的两组电阻和电容，是两级滤波，前一级主滤波，后一级微调，实现滤波的更加完美，加入运算放大器可以使得滤波更加有效 比较器：

原理：因为运算放大器有高倍数的差动放大能力，但是也是有限的，一旦两边的数之差别过大就会导致放大效果失效而稳定在一个较高的值，因次可以用这种特性制作两输入比较器。在配置以电阻电容实现更加完美的迟滞比较功能。

3.2.2参数计算

三角波发生器：加法器：

R11R1||R13

Uo1(1)Ui1

R13R10R12R1||R13 R11R13

Uo1(1)Ui1

R13R10R12R1||R13

U=U02+U01

Av

A

f2f1（-）j[3Av]1f0f0f

2RC 滤波器：

RR

VOH(1P)VREFPvOL

RFRF

比较器：

f

1

2RC

VOL(1

VH

RP

(vOHvOL)RF

RPR)VREFPvOHRFRF

3.2.3器件选择

LM324芯片、DIP14 电位器：2.2k、100k;

电阻：0.1k、0.33k、0.51k、1k、2k、3k、3.3k、10k、20k、47k、100k、560k 电容：1nf、100nf、470nf、10uf 面包板一块

3.2.4完整电路图

4 系统实现与测试

4.1系统实现方法

4.1.1直流稳压电源 4.1.1.1电路组装

根据设计的仿真图和现有的元器件进行组装 实际焊接时一定要先布局再焊接 （实际焊接图片图片）

4.1.1.2功能调试方法技巧

功能主要集中在LM7805、LM7905、LM7812、LM7912上 在调试的时候要一部分一部分的调试。

a.先对整流桥的输出进行调试，因为是交流电所以无需考虑其正负极。

B.接入电解电容，注意其正负极，有白条的是负极

C.接入78XX或79XX，注意78XX与79XX的引脚区别，另外因为稳压器工作的时候会发热，所以要加散热片，根据工作的功率可以计算出散热片的大小

D、接入电容滤波基本同上。

E、接入电阻，并串联一个发光二极管来指使电路的接通与否 F、最后接出供电引脚

G、仿照一路将另外几路意义焊好

4.1.1.3故障以及排除方法

在实验过程中遇到了比较多的故障需要进行排除

A.最主要的故障就是虚焊。虚焊有的时候很难看出来，所以一旦焊完一块，就用万用表的欧姆档测量是否接通，为了防止虚焊，在焊接的时候就要小心，焊锡不要太多，焊点接触要紧密，要小。

B.器件损坏主要有电解电容、发光二极管、稳压器、整流桥。 电解电容主要是因为反接了。

发光二极管主要是极性问题，在使用之前加电测量

稳压器比较麻烦，通过欧姆表对各个引脚进行测量与标准值进行比较，如果焊接上以后有坏了，可以根据接通后的电压进行判断。

整流桥基本同稳压器

C.短接的情况，因为焊锡太多或者看错了导致出现不应该接的接在了一起，

就会出现故障

4.1.1.4硬件电路板实物图 正面布局

反面布局

4.1.2集成运算放大器 4.1.2.1电路组装

根据设计的仿真图和现有的元器件进行组装 实际焊接时一定要先布局再焊接

根据之前仿真的结果应该先进行三角波模块的焊接，将面包板中间的一条总线设置为高电平，周边全都设置为低电平，因为高电平用到的少，而低电平几乎每个电路都要用到。

4.1.2.2功能调试方法技巧

三角波：首先要连接触方波，如果方波比较标准只要对后面的电阻电容稍加调整就出来了。调试的时候可以对应着仿真图，点对点，器件对器件的逐一测量电压，找寻故障。

加法器：加法器主要是波形的形状和放大的倍数，因此要对输出波形进行一定的观察，一开始可能会出现削顶的情况，只要在运放的负向输入端加一电平就可以去除，或者该变R9的阻值。

滤波器：滤波器是问题最大的地方，主要是因为电阻电容的微小改变就会引起波形的失真。而且尤其不可以加入太多的滑动变阻器，两个滑动变阻器就会引起不确定性的大大增加，如果加到三个就很难调出稳定的波形

比较器：关键在与前一级正弦波的成型，只要正弦波成型而有没有出现虚焊一般就能出现规整的方波。

4.1.2.3故障以及排除方法

A、虚焊，用万用表的欧姆档进行测试，观察是否到导线都已经连上了。或者根据仿真图点对点的进行电压比较查出故障

B、元器件损坏，首先在用之前一定要测试，元器件是否损坏。如果不慎烧毁，先感觉温度，观察变化，比如电阻烧毁会变黑，电解电容会爆炸。在就是通过接通时个点电压的比较纠错。

C、短接情况，点对点的电压比较。

4.1.2.4硬件电路板实物图 正面布局

背面布局

4.2系统测试

4.2.1调试仪器

万用表 双踪示波器

4.2.2测试方案

首先对各个模块的输出进行测量，如果出现问题，就对模块的重要部分进行测量，然后逐步展开测量，观察问题的根本所在。

4.3测试结果分析

4.3.1直流稳压电源

纹波电压：

（1）不连接电阻时的5V纹波

纹波为3.40mv（小于10mv）符合要求

（2）连接10Ω电阻时的5v纹波

纹波为7.20mv（小于10mv）满足要求

（3）不连接电阻时的12V纹波

纹波为3.30mv（小于10mv），满足要求

（4）连接100Ω电阻时的12V纹波

纹波为7.60mv（小于10mv）满足要求

测试结果纹波都小于10mv，符合标准。

4.3.3运算放大器

（1）三角波

三角波要求为Vpp=1V，频率为8.62khz，波形较为标准，符合试验要求

（2）加法器

图为加法器的输出波形，Vpp=7.36V，波形略有失真，基本符合试验要求

（3）滤波器

图为滤波器输出正弦波，幅度为1V（图为缩小10倍后的波形），频率为8.62KHZ，

幅度较小但基本符合，频率没有问题。 （4）方波

5 关键技术与难点

5.1关键设计

A、总线设计，也就是运用面包板上的周边或者中间的长线，以长线为标准可以使得电路图更加规整和简单。而且更加稳定，尤其是在地线和高电平运用上。 B、滑动变阻器的使用，在三角波产生模块，在电阻后接一个微调变阻器，可以很好地实现方波大小调整。在运算放大器负向段和输出端的连接电阻后加一个滑动变阻器可以实现频率的调整。

C、双层板设想。因为要实现电路的规整很大程度上要取决于导线的走向，但是在一层上很多时候会造成版图杂乱的情况，因此可以讲导线穿插到两面，但是依然要实现横平竖直。

D、散热片的使用，加入100欧的电阻会使得稳压器迅速发热这个时候为了防止烧坏设备，散热片就是很好的保障

E、元件的排版，因为器件板的大小有限，为了使得版面调理，好看便于测量修改，就要将版面设计调理，因此应该先将原件插上进行排版之后再进行焊接 F、面包板铜皮的使用，面包板一般是两个孔连在一起，在实验过程中，有的同学将不能短接的两个器件引脚焊接在了一组孔上了。利用已经连接好的焊孔可以使得焊接更加方便和稳定

G、松香的使用，在多次修改之后，多次加热，多次氧化，造成了焊点的不稳定，因此需要通过焊锡去除被焊母材料上的氧化膜，保证电路的稳定

H、分块焊接分块调试。在焊接较为复杂的模拟电路时，一小点故障或者元件的一点误差就会引起输出的不理想，所以一定要一级一级的焊接一级一级的调试，这样才能使得最后的输出在接受范围内。

I、布线要横平竖直，尽量不要出现倾斜并且交叉的情况

J、数据手册的阅读。通过做实验和做项目，明显感觉出了，数据手册的重要性，大家经常问的引脚，电压要求，等等都在其中有明显的解答。能否快速的理解数据手册，是完成一个项目或者实验的保证。

5.2技术难点

A、焊接的时候很难焊接的漂亮又稳定，经常出现虚焊的情况。

B、元器件的选择。一开始只是用来仿真用的器件和随意，到之后来实际焊接的时候又要改仿真电路，致使工期延长，效果不好

C、仿真时元器件的选择，因为各个元件的性质不同，而仿真器件很多时候有是实现的理想效果，所以一个器件的不合适就会造成整个电路不能用，最经典的就是，LM324试验中的运放选用改成LM324AP后就一切问题都解决了

D、公式原理的理解。一切的设计都是建立在原理基础上的，但是很多时候因为理解不透彻，就是别人的成品拿过来也看不懂。只有理解了功能原理才能灵活运用，比如加法器的公式

R11R1||R13

Uo1(1)Ui1

R13R10R12R1||R13

就能很好的反映各个电阻之间的关系，只要理解了公式就能很好的得到正确的输出结果

E、相似器件的区别，在进行心电图仪实验的时候，由于没有书本上的器件，导致难以进行，但是经过查阅资料和教员的指导，很快就获得了相似器件的资料，并进行了替换

F、元器件的布局是一个电路板功能实现和调试的关键。因为一旦电路焊完如果没有预留空间就很难进行修改。

5.3问题及解决方案

A、虚焊。通过万用表，点到点的测量与仿真图的比较可以很快获得虚焊位置。或者，如果是低压电路，可以用镊子进行按压，观察影响，就可以判断虚焊点。 B、器件选择。仔细阅读数据手册，查询资料，了解相似期间的区别，最终做出选择。要先对已有器件进行了解，然后在进行设计，以防出现不便。 C、引脚的判断。通过数据手册的阅读可以得到答案。

D、元器件的布局。根据原理图和仿真图，先插板再焊接，实现较好地布局。

E、干扰。使用外皮带有包络线的导线，降低干扰。加入滤波电路滤去干扰。

6 总结 6.1设计总结

通过两个实验的设计仿真和实际焊接调试，掌握了基本设计焊接调试技巧。 比如：线布局后焊接，先了解器件其解后仿真，逐级焊接调试，查阅数据手册，元件选择等等。

总之，设计的时候一定要细心，根据所学的知识，先了解原理，设计原理图，了解器件，进行仿真，仿真调试，实际的焊接，调试再焊接，最终实现模块的焊接，模块与模块的结合，最后便是性能的评估，根据误差，对系统进一步优化。

6.2收获体会

实验的关键是动手，核心是思考，基础是知识储备，细心耐烦是保障。因此，要有一定的相关知识储备，或者查阅网络，或者请教教员，或者复习课本；对要求的功能进行思考，如何才能实现，怎么才能完成模块的构建；大体思路有了就可以进行动手设计，这是关键部分，必须要细心耐烦、脚踏实地；只有真正将这些东西做到了才能实现，自己从理论到实践的转变。

6.3建议

A、前期就进行作品的展示，就可以督促大家尽快的完成作品，也不会影响到后续进度。

B、双题目最好实现难度的平衡，虽然这样很难做到。

C、在做一段时间之后，组织学员对实现原理进行汇报讲述，可以提高大家的知识层面

附录 1.元件清单 1.1稳压电源

保险管 变压器 整流桥

电容100uf，330nf，100uf，220uf 电阻 10欧，100欧，500欧 稳压器 7812,7805,7912

1.2运算放大器的运用

LM324芯片、DIP14 电位器：2.2k、100k;

电阻：0.1k、0.33k、0.51k、1k、2k、3k、3.3k、10k、20k、47k、100k、560k 电容：1nf、100nf、470nf、10uf 面包板一块

1.3心电图仪

OPA2131PA INA128P OP07DP

电阻 400k 10k 0.24k 电解电容 10uf 普通电容 104

参考文献

张守玉 《集成运算放大器的应用及信号源制作》 2011年 田毅 马玉润 张燕 《基于MSP430的心电监控系统》 2012年

**********大学

电子技术基础课程设计报告

题 目：

院

专

姓

学

日 直流稳压电源和信号发生器设计实践 别： ******学院 业： ****专业 名： *** 号： ********** 期： 20**年**月

摘要

摘要：本实验由直流稳压电源和信号发生器两部分组成，分别是：5V/12V稳压电源和基于LM324的信号发生器。采用从简单到复杂，从电源到电路的思路，首先设计了一个集成稳压电源用作后续设计电路供电源，再依照设计要求对运算放大器的应用进行电路设计，实现原理图电路到印刷电路，简单电路到复杂电路，教学电路到实用电路的设计。应用时序、波形、电路仿真等仿真方法，获得电路时域、频域较好的结果。通过电路焊接、调试、局部电路再设计，完成简单的+5V、+12V、-5V、-12V且纹波在10mv之下的供电电源，通过LM324里的运算放大器进行三角波的生成，加法器的运用，滤波器的低通，以及比较器对三角波和滤波输出的比较。

关键词：集成稳压器；LM324运算放大器；555定时器

Abstract: This experiment is composed of two parts of the DC power supply and signal generator, namely: 5V/12V regulated power supply and signal generator based on LM324. From simple to complex, from the power to the circuit, the first design of an integrated power supply for the follow-up design circuit for power supply, and then according to the design requirements of the operational amplifier circuit design, circuit design to the printed circuit, simple circuit to complex circuit, circuit design to practical circuit. By using the simulation method of time series, waveform and circuit simulation, the results of circuit time domain and frequency domain are obtained. Through the circuit welding, debugging, local circuit design, the +5V, +12V,, -5V, -12V, and ripple in the 10mV under the power supply, through the LM324 of the operational amplifier for triangular wave generation, the use of the adder, the filter, and the comparison of the three corner of the comparator.

Keywords:

Integrated voltage stabilizer; LM324 operational amplifier; 555 timer

目 录

摘要····························································4 1 引言··························································5

1.1直流稳压电源·················································5

1.1.1 设计任务··················································5

1.1.2 功能指标··················································5

1.1.3 课题要求··················································5

1.2运算放大器的应用·············································5

1.2.1 设计任务··················································5

1.2.2 功能要求··················································5

1.2.2.1 集成运算放大器的应用····································5

2 总体方案论证与设计············································7

2.1系统框图·····················································7

2.1.1直流稳压电源···············································7

2.1.2集成运算放大器·············································7

2.2设计原理·····················································7

2.2.1直流稳压电源···············································7

2.2.2运算放大器·················································7

3 电路设计与分析················································8

3.1 直流稳压电源················································8

3.1.1电路设计···················································8

3.1.2参数计算··················································11

3.1.3器件选择··················································11

3.1.4完整电路图及工作原理······································11

3.2 信号产生与处理电路设计·····································12

3.2.1电路设计电路仿真及波形分·································12

3.2.2参数计算··················································14

3.2.3器件选择··················································15

3.2.4完整电路图················································15

4 系统实现与测试···············································15

4.1系统实现方法················································15

4.1.1直流稳压电源··············································15

4.1.1.1电路组装················································15

4.1.1.2功能调试方法技巧········································15

4.1.1.3故障以及排除方法········································16

4.1.1.4硬件电路板实物图········································16

4.1.2集成运算放大器············································18

4.1.2.1电路组装················································18

4.1.2.2功能调试方法技巧········································18

4.1.2.3故障以及排除方法········································18

4.1.2.4硬件电路板实物图········································18

4.2系统测试····················································20

4.2.1调试仪器··················································20

4.2.2测试方案··················································20

4.3测试结果分析················································20

4.3.1直流稳压电源··············································20

4.3.2关键点测试数据表格········································22

4.3.3运算放大器················································22

5 关键技术与难点···············································24

5.1关键设计····················································24

5.2技术难点····················································25

6总结·························································26

6.1设计总结····················································26

6.2收获体会····················································26

6.3建议························································27 附录···························································27

1 引言（任务、要求）

1.1直流稳压电源

1.1.1 设计任务

5V/1A1.1.2 功能指标

1. 基本功能及主要技术指标

（1）同时输出三路电压/电流：±5V/1A、±12V/0.2A；

（2）输出纹波电压小于10mV（最好Vopp≤5mV），稳压系数小于5×10-3；

（3）具有电源通电输出指示，具有有过流、过压、过热保护功能。

2. 发挥扩展功能（完成本题基本功能和后续课题后再实现，进行理论设计）

（1）输出一路连续可调电压：＋1.25V～＋10V，Iomax≥500mA；

（2）扩展输出电流，＋5V工作电流2A，＋12V工作电流2A；

（3）输出电压数字显示(3位半数字显示，基本量程0V～19.99V)。

1.1.3 课题要求

1.所有学员参与，单人单组设计完成（每人一个）；

2.完成整个电路理论设计、理论计算、绘制电路图；

3.焊接组装电路板，调试实现功能，测试性能指标；

4.撰写课程设计报告、调试报告及使用说明书(融入总体报告)；

5.主要参考器件：集成稳压器LM7805，LM7812、LM7912；

6.时间8～10学时（课内），课外自主安排。

1.2运算放大器的应用

1.2.1 设计任务

2011 年全国大学生电子设计竞赛综合测评题（集成运算放大器的应用） 2013年全国大学生电子设计竞赛综合评测题（波形发生器）

1.2.2 功能要求

1.2.2.1 集成运算放大器的应用

使用一片通用四运放芯片LM324 组成电路框图见图1（a），实现下述功能：三角波发生器，加法器，滤波器和比较器。设计制作要求如下：

图1（a） 图1（b）

使用低频信号源产生：ui10.1sin2f0t(V) ，f0=500Hz、幅值Upp=200mV的正弦波信号， 加至加法器的输入端，加法器的另一输入端加入由自制振荡器产生的信号uo1， uo1 如图1（b）所示， T1=0.5ms，频率f1=2000Hz，幅值uo1pp =4V，允许T1有±5%的误差。1000hz w=2p/T,f=1/T w=2p*f

加法器输出ui2=10ui1+uo1。ui2经选频滤波器滤除uo1 频率分量，选出f0 信号为uo2，uo2 为峰峰值等于9V 的正弦信号，用示波器观察无明显失真。uo2 信号再经比较器后在1kΩ 负载上得到峰峰值为2V的输出电压uo3。

电源只能选用+12V 和+5V 两种单电源（建议使用自制稳压电源供给）。要求预留ui1、ui2、uo1、uo2 和uo3 的测试端子。

2 总体方案论证与设计

2.1系统框图

2.1.1直流稳压电源

2.1.2集成运算放大器

2.2设计原理

2.2.1直流稳压电源

本电路的设计是基于稳压器78XX和79XX的原理进行设计的。

首先将220V50Hz交流电转化为（）交流电。然后输入到整流桥，进行整流。通过滤波电路进行滤波稳定去除干扰，输入到稳压器中，最后再进行一次滤波去干扰。就获得了稳定的直流输出。

2.2.2运算放大器

LM324内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压频率很宽的单电源使用,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外,四组运放相互独立。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,因此被广泛应用在各种电路中。

3 电路设计与分析（可以按照功能单元，主要部分）

3.1 直流稳压电源

3.1.1电路设计

（1）电源变压器

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。 本实验的作用是实现220V电压转化为合适的电压值（17.3V 9.4V）。

（2）整流电路

设计中采用桥式整流电路，桥式整流电路因电源变压器在正负半周内都向负载提供电流，变压器得到了充分利用，效率较高，同时它也具有输出电压相对较大、纹波电压相对较小等优点，故采用其作为整流部分电路（型号）

（3）滤波电路

为了进一步减小纹波电压，使输出电压的波形变得比较平缓，本次设计采用电容滤波电路，将脉动直流电中的脉动交流成分尽量滤除掉，而只留下直流成分，使输出电压成为比较平滑的直流电压。

电容上的数字表示意思为：10*10^n pf 比如104就是10*10^4pf也就是100nf

（4）稳压电路 ○1电路选择原则

稳压电路是利用能够自动调整输出电压变化的电路来使输出的电压不随电网电压、温度或负载的变化而变化，从而达到稳定输出电压的目的。一般有并联型、串联型线性稳压电路和开关型稳压电路等。

其作用是当交流电网电压波动或负载变化时，保证输出直流电压的稳定。简单的稳压电路可采用稳压管来实现，在稳压性能要求较高的场合，可采用串联反馈式稳压电路（包括基准电压、取样电路、放大电路和调整管部分）。目前市场上通用的集成稳压电路已非常普遍。集成稳压电路与分立元件组成的稳压电路相比，具有外接电路简单，使用方便、体积小、工作可靠等优点。常用的集成稳压器有三端固定集成稳压器和三端可调集成稳压器，它们都属于电压串联反馈型。 ○2

变压器介绍

三端固定集成稳压器包含78XX和79XX两大系列。78XX系列式三端固定正电压输出稳压器，79XX系列式三端固定负电压输出稳压器。78XX系列和79XX系列其型号后的X X代表输出电压值，有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。其额定电流以78或79后面的字母区分，其中L为0.1A，M为0.5A，无字母为1.5A 封装形式：

典型应用 ：

3.1.2参数计算

V1N1



变压器：V2N2 稳压电路：模电

3.1.3器件选择

保险管 变压器 整流桥

电容100uf，330nf，100uf，220uf 电阻 10欧，100欧，500欧 稳压器 7812,7805,7912

3.1.4完整电路图

3.2 信号产生与处理电路设计

3.2.1电路设计、电路仿真及波形分析

根据LM324的功能进行设计

运算放大器可以组成各种有源器件，比如放大器，比较器，三角波发生器等等。 三角波发生器：

原理：实际上不是真正意义上的三角波，是一个电容的充放电过程，只是通过运算放大器的调制，使得充放电速度适中，导致波形与三角波比较相似。LM324产输出端使用迟滞比较器的功能输出了一个方波，然后通过后面R7和C2组成的电容充放电电路实现了三角波的产生。R7改变可以改变波形的幅度（R7增大幅度减小），C2的改变可以改变波形的形状（C2越大，波形越陡，越像三角波）。而改变频率需要电容C1和R5，R5变小频率增大，C1变大频率变大。

加法器：

原理：因为运算放大器有“虚短虚断”的特性。所以根据可以实现加法器的功能。如图所示。根据欧姆定律可以计算出：

R11R1

Uo1(1)Ui1

R13R10R12R1||R13 R11R13

Uo1(1)Ui1

R13R10R12R1||R13

U=U02+U01

滤波器：

原理：编号14和13的两组电阻和电容，是两级滤波，前一级主滤波，后一级微调，实现滤波的更加完美，加入运算放大器可以使得滤波更加有效 比较器：

原理：因为运算放大器有高倍数的差动放大能力，但是也是有限的，一旦两边的数之差别过大就会导致放大效果失效而稳定在一个较高的值，因次可以用这种特性制作两输入比较器。在配置以电阻电容实现更加完美的迟滞比较功能。

3.2.2参数计算

三角波发生器：加法器：

R11R1||R13

Uo1(1)Ui1

R13R10R12R1||R13 R11R13

Uo1(1)Ui1

R13R10R12R1||R13

U=U02+U01

Av

A

f2f1（-）j[3Av]1f0f0f

2RC 滤波器：

RR

VOH(1P)VREFPvOL

RFRF

比较器：

f

1

2RC

VOL(1

VH

RP

(vOHvOL)RF

RPR)VREFPvOHRFRF

3.2.3器件选择

LM324芯片、DIP14 电位器：2.2k、100k;

电阻：0.1k、0.33k、0.51k、1k、2k、3k、3.3k、10k、20k、47k、100k、560k 电容：1nf、100nf、470nf、10uf 面包板一块

3.2.4完整电路图

4 系统实现与测试

4.1系统实现方法

4.1.1直流稳压电源 4.1.1.1电路组装

根据设计的仿真图和现有的元器件进行组装 实际焊接时一定要先布局再焊接 （实际焊接图片图片）

4.1.1.2功能调试方法技巧

功能主要集中在LM7805、LM7905、LM7812、LM7912上 在调试的时候要一部分一部分的调试。

a.先对整流桥的输出进行调试，因为是交流电所以无需考虑其正负极。

B.接入电解电容，注意其正负极，有白条的是负极

C.接入78XX或79XX，注意78XX与79XX的引脚区别，另外因为稳压器工作的时候会发热，所以要加散热片，根据工作的功率可以计算出散热片的大小

D、接入电容滤波基本同上。

E、接入电阻，并串联一个发光二极管来指使电路的接通与否 F、最后接出供电引脚

G、仿照一路将另外几路意义焊好

4.1.1.3故障以及排除方法

在实验过程中遇到了比较多的故障需要进行排除

A.最主要的故障就是虚焊。虚焊有的时候很难看出来，所以一旦焊完一块，就用万用表的欧姆档测量是否接通，为了防止虚焊，在焊接的时候就要小心，焊锡不要太多，焊点接触要紧密，要小。

B.器件损坏主要有电解电容、发光二极管、稳压器、整流桥。 电解电容主要是因为反接了。

发光二极管主要是极性问题，在使用之前加电测量

稳压器比较麻烦，通过欧姆表对各个引脚进行测量与标准值进行比较，如果焊接上以后有坏了，可以根据接通后的电压进行判断。

整流桥基本同稳压器

C.短接的情况，因为焊锡太多或者看错了导致出现不应该接的接在了一起，

就会出现故障

4.1.1.4硬件电路板实物图 正面布局

反面布局

4.1.2集成运算放大器 4.1.2.1电路组装

根据设计的仿真图和现有的元器件进行组装 实际焊接时一定要先布局再焊接

根据之前仿真的结果应该先进行三角波模块的焊接，将面包板中间的一条总线设置为高电平，周边全都设置为低电平，因为高电平用到的少，而低电平几乎每个电路都要用到。

4.1.2.2功能调试方法技巧

三角波：首先要连接触方波，如果方波比较标准只要对后面的电阻电容稍加调整就出来了。调试的时候可以对应着仿真图，点对点，器件对器件的逐一测量电压，找寻故障。

加法器：加法器主要是波形的形状和放大的倍数，因此要对输出波形进行一定的观察，一开始可能会出现削顶的情况，只要在运放的负向输入端加一电平就可以去除，或者该变R9的阻值。

滤波器：滤波器是问题最大的地方，主要是因为电阻电容的微小改变就会引起波形的失真。而且尤其不可以加入太多的滑动变阻器，两个滑动变阻器就会引起不确定性的大大增加，如果加到三个就很难调出稳定的波形

比较器：关键在与前一级正弦波的成型，只要正弦波成型而有没有出现虚焊一般就能出现规整的方波。

4.1.2.3故障以及排除方法

A、虚焊，用万用表的欧姆档进行测试，观察是否到导线都已经连上了。或者根据仿真图点对点的进行电压比较查出故障

B、元器件损坏，首先在用之前一定要测试，元器件是否损坏。如果不慎烧毁，先感觉温度，观察变化，比如电阻烧毁会变黑，电解电容会爆炸。在就是通过接通时个点电压的比较纠错。

C、短接情况，点对点的电压比较。

4.1.2.4硬件电路板实物图 正面布局

背面布局

4.2系统测试

4.2.1调试仪器

万用表 双踪示波器

4.2.2测试方案

首先对各个模块的输出进行测量，如果出现问题，就对模块的重要部分进行测量，然后逐步展开测量，观察问题的根本所在。

4.3测试结果分析

4.3.1直流稳压电源

纹波电压：

（1）不连接电阻时的5V纹波

纹波为3.40mv（小于10mv）符合要求

（2）连接10Ω电阻时的5v纹波

纹波为7.20mv（小于10mv）满足要求

（3）不连接电阻时的12V纹波

纹波为3.30mv（小于10mv），满足要求

（4）连接100Ω电阻时的12V纹波

纹波为7.60mv（小于10mv）满足要求

测试结果纹波都小于10mv，符合标准。

4.3.3运算放大器

（1）三角波

三角波要求为Vpp=1V，频率为8.62khz，波形较为标准，符合试验要求

（2）加法器

图为加法器的输出波形，Vpp=7.36V，波形略有失真，基本符合试验要求

（3）滤波器

图为滤波器输出正弦波，幅度为1V（图为缩小10倍后的波形），频率为8.62KHZ，

幅度较小但基本符合，频率没有问题。 （4）方波

5 关键技术与难点

5.1关键设计

A、总线设计，也就是运用面包板上的周边或者中间的长线，以长线为标准可以使得电路图更加规整和简单。而且更加稳定，尤其是在地线和高电平运用上。 B、滑动变阻器的使用，在三角波产生模块，在电阻后接一个微调变阻器，可以很好地实现方波大小调整。在运算放大器负向段和输出端的连接电阻后加一个滑动变阻器可以实现频率的调整。

C、双层板设想。因为要实现电路的规整很大程度上要取决于导线的走向，但是在一层上很多时候会造成版图杂乱的情况，因此可以讲导线穿插到两面，但是依然要实现横平竖直。

D、散热片的使用，加入100欧的电阻会使得稳压器迅速发热这个时候为了防止烧坏设备，散热片就是很好的保障

E、元件的排版，因为器件板的大小有限，为了使得版面调理，好看便于测量修改，就要将版面设计调理，因此应该先将原件插上进行排版之后再进行焊接 F、面包板铜皮的使用，面包板一般是两个孔连在一起，在实验过程中，有的同学将不能短接的两个器件引脚焊接在了一组孔上了。利用已经连接好的焊孔可以使得焊接更加方便和稳定

G、松香的使用，在多次修改之后，多次加热，多次氧化，造成了焊点的不稳定，因此需要通过焊锡去除被焊母材料上的氧化膜，保证电路的稳定

H、分块焊接分块调试。在焊接较为复杂的模拟电路时，一小点故障或者元件的一点误差就会引起输出的不理想，所以一定要一级一级的焊接一级一级的调试，这样才能使得最后的输出在接受范围内。

I、布线要横平竖直，尽量不要出现倾斜并且交叉的情况

J、数据手册的阅读。通过做实验和做项目，明显感觉出了，数据手册的重要性，大家经常问的引脚，电压要求，等等都在其中有明显的解答。能否快速的理解数据手册，是完成一个项目或者实验的保证。

5.2技术难点

A、焊接的时候很难焊接的漂亮又稳定，经常出现虚焊的情况。

B、元器件的选择。一开始只是用来仿真用的器件和随意，到之后来实际焊接的时候又要改仿真电路，致使工期延长，效果不好

C、仿真时元器件的选择，因为各个元件的性质不同，而仿真器件很多时候有是实现的理想效果，所以一个器件的不合适就会造成整个电路不能用，最经典的就是，LM324试验中的运放选用改成LM324AP后就一切问题都解决了

D、公式原理的理解。一切的设计都是建立在原理基础上的，但是很多时候因为理解不透彻，就是别人的成品拿过来也看不懂。只有理解了功能原理才能灵活运用，比如加法器的公式

R11R1||R13

Uo1(1)Ui1

R13R10R12R1||R13

就能很好的反映各个电阻之间的关系，只要理解了公式就能很好的得到正确的输出结果

E、相似器件的区别，在进行心电图仪实验的时候，由于没有书本上的器件，导致难以进行，但是经过查阅资料和教员的指导，很快就获得了相似器件的资料，并进行了替换

F、元器件的布局是一个电路板功能实现和调试的关键。因为一旦电路焊完如果没有预留空间就很难进行修改。

5.3问题及解决方案

A、虚焊。通过万用表，点到点的测量与仿真图的比较可以很快获得虚焊位置。或者，如果是低压电路，可以用镊子进行按压，观察影响，就可以判断虚焊点。 B、器件选择。仔细阅读数据手册，查询资料，了解相似期间的区别，最终做出选择。要先对已有器件进行了解，然后在进行设计，以防出现不便。 C、引脚的判断。通过数据手册的阅读可以得到答案。

D、元器件的布局。根据原理图和仿真图，先插板再焊接，实现较好地布局。

E、干扰。使用外皮带有包络线的导线，降低干扰。加入滤波电路滤去干扰。

6 总结 6.1设计总结

通过两个实验的设计仿真和实际焊接调试，掌握了基本设计焊接调试技巧。 比如：线布局后焊接，先了解器件其解后仿真，逐级焊接调试，查阅数据手册，元件选择等等。

总之，设计的时候一定要细心，根据所学的知识，先了解原理，设计原理图，了解器件，进行仿真，仿真调试，实际的焊接，调试再焊接，最终实现模块的焊接，模块与模块的结合，最后便是性能的评估，根据误差，对系统进一步优化。

6.2收获体会

实验的关键是动手，核心是思考，基础是知识储备，细心耐烦是保障。因此，要有一定的相关知识储备，或者查阅网络，或者请教教员，或者复习课本；对要求的功能进行思考，如何才能实现，怎么才能完成模块的构建；大体思路有了就可以进行动手设计，这是关键部分，必须要细心耐烦、脚踏实地；只有真正将这些东西做到了才能实现，自己从理论到实践的转变。

6.3建议

A、前期就进行作品的展示，就可以督促大家尽快的完成作品，也不会影响到后续进度。

B、双题目最好实现难度的平衡，虽然这样很难做到。

C、在做一段时间之后，组织学员对实现原理进行汇报讲述，可以提高大家的知识层面

附录 1.元件清单 1.1稳压电源

保险管 变压器 整流桥

电容100uf，330nf，100uf，220uf 电阻 10欧，100欧，500欧 稳压器 7812,7805,7912

1.2运算放大器的运用

LM324芯片、DIP14 电位器：2.2k、100k;

电阻：0.1k、0.33k、0.51k、1k、2k、3k、3.3k、10k、20k、47k、100k、560k 电容：1nf、100nf、470nf、10uf 面包板一块

1.3心电图仪

OPA2131PA INA128P OP07DP

电阻 400k 10k 0.24k 电解电容 10uf 普通电容 104

参考文献

张守玉 《集成运算放大器的应用及信号源制作》 2011年 田毅 马玉润 张燕 《基于MSP430的心电监控系统》 2012年