基于LM324的简易函数信号发生器设计

实验题目：基于LM324的简易函数信号发生器设计

课程简要信息

课程名称：（模拟电子技术）

课程学时： 72学时

项目学时：（课内4学时+课外8学时）

适用专业：（电气工程及其自动化）

学生年级：（二年级、第一学期）

（附1 教学大纲）

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

设计任务：

LM324是一种集成运算放大器芯片，它的内部有四个独立的运算放大器。利用LM324设计一个简易函数信号发生器，可以分别产生方波、三角波和正弦波。根据所学的知识，利用运算放大器构成滞回比较器、积分电路、二阶有源低通滤波器电路和RC振荡电路，分别产生方波、三角波和正弦波。依靠这些电路的组合，制作成简易波形发生器电路。对于学有余力的同学，电路设计可以添加调幅、调频和调相的附加功能。对制作实物感兴趣的同学可手工制作电路板，并制作实物。

主要技术指标：

1）双电源供电，电源VCC =12v，VEE = -12v；

2）在1kΩ负载条件下，输出信号满足：

正弦波：VPP≧10v，方波：VPP≦14v，三角波：VPP≦8v，频率1Khz左右（或频率可调）；

3）正弦波无失真、停振现象，方波脉宽50%，三角波波形对称、线性度好。

（附2 实验任务书）

实验过程及要求（限300字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）学习了解集成运放LM324的供电方式，注意电压对输出信号的影响；

2）采用LM324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件，组成滞回比较器、积分电路、二阶有源低通滤波器电路、RC振荡电路等，构成简易波形发生器；

3）在方波产生电路，选择合适的稳压管，使之达到指标要求；三角波产生电路选择适当的R、C，达到频率的要求；正弦波产生电路考虑波形失真的原因以及消除失真的方法或者RC振荡电路的起振条件；

4）对设计电路进行仿真分析，观察波形，针对技术指标，调整元器件参数，使之符合要求；

5）搭建电路后，连接示波器，调整元器件参数，观察产生的三种波形，做好记录，得到各单元电路的技术参数指标；

6）撰写预习实验报告和设计总结报告，教师给出成绩。

相关知识及背景（限150字）

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

本实验案例是模拟电子技术的综合运用，涉及到滞回比较器、积分电路、二阶有源低通滤波器电路和RC振荡电路的基本知识；使学生能够从一个纸面上的任务，利用零散的模电知识进行系统化、整合化的设计，最后得到一个产品；锻炼了学生对基本知识的深入理解以及创新思维，为后续电子技术课程设计打下良好的基础。

实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

1） 实验资源：电子技术实验装置、计算机、稳压电源、万用表、双踪示波器、毫伏表等；

2） 设计软件工具：multisim 10，[Altum Designer](https://c.gdt.qq.com/gdt_click.fcg?viewid=e1V3urtFcNoJBHwfCfoXdSwfPLtif6SGxG2!!XcQHRch!gaPquAleJTQu8NF1yPMns3wahxOnCGziqR1LTcMcWp660!Qw_eikMsV3NOrWMLd1kAE673p9pHJ1NIthflfGGebDea5ejKKunwNSjMtgMcuSbX_uoiQpzlMUCWAWG_K_JyTUV_Om5aDQSXyBCZJG1MqDyNqb!hX_b9zb9odbKWKJTnnSIiClCCMIBGD1cXAnIVdxzO7Y4Da3kCMTsbK9c7EDoORl_PujT_xbLVkuHNMQuW2M7zIlKcQAlb2wfBeqx2YoXz764SawufVnKvF_YirTx2xRUsyNbFzuwlZq1yjHAl21Qduw8mLmTQuGY4OFPyvRWJRJw&jtype=0&wspm=1&i=1&os=3&lpp=click_ext=eyJhdWlkIjoiNTU5OTM0NDIiLCJsb25nX3Bvc19pZCI6IjkwOTMzOTU0MTI2NTc5NTciLCJtZWRpdW1faWQiOiI2MDYwNDcwNTg1MDM3OSIsIm9zX3R5cGUiOjN9&clklpp=__CLICK_LPP__&cdnxj=1&xp=2&pid=9093395412657957&vto=__VIDEO_PLAY_TIME__&report_source=__REPORT_SOURCE__&kid=61454495947&c_comp_id=24721103586&queryword=altium designer%E4%B8%8B%E8%BD%BD&page_number=0&sogou_uuid=c6d576c9-6221-4c76-a4b1-4a5bbf9d7354&request_time_ms=1742546904000&is_sogou_request=1&search_flow_type=5&site_set_name=SITE_SET_QBSEARCH&component_bak_id=24544282305&device_os_type=windows&dynamic_creative_id=2212938523&tl=1&sg_wuid=&sg_suid=9A5D8FD3C254A20B000000006695C5A9&slot=60&comp_id=24544282257&comp_index=0&ems=1742546906296) 09；

3） 主要电子元器件：LM324、二极管、电容、电阻若干，

4） 电路板制作：转印机、微型高速台钻，电烙铁等。

（附3 实验设备）

教学目标与目的（限150字）

如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。

1） 巩固和加强“模拟电子技术”课程的理论知识；

2） 掌握电子电路的一般设计方法；

3） 提高电子电路实验技能及仪器仪表的使用能力；

4） 掌握电子电路调试方法及故障排除方法；

通过本实验能够使学生更好的巩固和加深对理论知识的理解，增强学生理论联系实际的能力，提高学生的工程素质，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力；引导学生有目的的进行电路设计、元器件选型，培养学生的创新能力和创新思维，为专业课的学习打下良好的基础。

教学设计与实施进程

课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

本实验的过程是一个比较完整的产品实践过程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、电路仿真、电路搭建及调试、测试标定、设计总结，制作实物等过程。

1）教学设计：

在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

（1）学习集成运算放大器的相关知识，尤其是运放的电源供电方式等；

（2）掌握正弦波电路的设计，按照指标要求，确定电路结构及相关元器件参数；

（3）掌握三角波电路的设计，理解电路中电容的作用以及调频的原理；

（4）掌握方波电路的设计；

（5）利用multisim仿真软件对设计的电路进行仿真，并得到三种波形的截图以及频率等参数；

（6）在电路搭建完成后，调整相关电位器，得到三种波形，体会调幅、调频、调相的结果；

（7）在实验完成后，要对实验进行技术总结，分析设计电路的特点和设计方案的优缺点，提出改进和展望；

（8）撰写实验报告。要求将设计观点、理论分析、方案结论等详细阐述，要做到逻辑清楚、内容充实、数据详实、图样清晰规范；

（9）通过实验使学生了解产品设计、调试的基本流程，同时培养学生归纳技术文档、撰写科学技术总结报告的能力。

（10）指导学生利用[Altum Designer](https://c.gdt.qq.com/gdt_click.fcg?viewid=e1V3urtFcNoJBHwfCfoXdSwfPLtif6SGxG2!!XcQHRch!gaPquAleJTQu8NF1yPMns3wahxOnCGziqR1LTcMcWp660!Qw_eikMsV3NOrWMLd1kAE673p9pHJ1NIthflfGGebDea5ejKKunwNSjMtgMcuSbX_uoiQpzlMUCWAWG_K_JyTUV_Om5aDQSXyBCZJG1MqDyNqb!hX_b9zb9odbKWKJTnnSIiClCCMIBGD1cXAnIVdxzO7Y4Da3kCMTsbK9c7EDoORl_PujT_xbLVkuHNMQuW2M7zIlKcQAlb2wfBeqx2YoXz764SawufVnKvF_YirTx2xRUsyNbFzuwlZq1yjHAl21Qduw8mLmTQuGY4OFPyvRWJRJw&jtype=0&wspm=1&i=1&os=3&lpp=click_ext=eyJhdWlkIjoiNTU5OTM0NDIiLCJsb25nX3Bvc19pZCI6IjkwOTMzOTU0MTI2NTc5NTciLCJtZWRpdW1faWQiOiI2MDYwNDcwNTg1MDM3OSIsIm9zX3R5cGUiOjN9&clklpp=__CLICK_LPP__&cdnxj=1&xp=2&pid=9093395412657957&vto=__VIDEO_PLAY_TIME__&report_source=__REPORT_SOURCE__&kid=61454495947&c_comp_id=24721103586&queryword=altium designer%E4%B8%8B%E8%BD%BD&page_number=0&sogou_uuid=c6d576c9-6221-4c76-a4b1-4a5bbf9d7354&request_time_ms=1742546904000&is_sogou_request=1&search_flow_type=5&site_set_name=SITE_SET_QBSEARCH&component_bak_id=24544282305&device_os_type=windows&dynamic_creative_id=2212938523&tl=1&sg_wuid=&sg_suid=9A5D8FD3C254A20B000000006695C5A9&slot=60&comp_id=24544282257&comp_index=0&ems=1742546906296)软件画PCB图，并手工制作电路板，制作实物。

2）教学实施进程：

（1）提前将本实验以任务书的形式下发给学生，由学生在课下利用网络资源、图书馆文献资源等自行设计电路，同时要求通过仿真确定电路设计的正确性。电路设计完要形成预习报告，在做实验前1-2天由班长或学习委员收齐交实验指导老师处进行审核，审核通过后方可进行实验；

（2）学生进入实验室后，实验指导教师先对学生的预习报告进行点评，对出现的问题进行针对性讲解，然后组织学生利用电子技术实验装置进行电路连接，最终通过调试完成实验任务，搭实验电路过程中学生要注意电源极性、元器件的管脚识别、导线的连通性等问题；

（3）实验结束后，学生撰写实验报告，并撰写实验心得体会作为总结，以班级为单位收齐上交实验指导教师处；

（4）实验指导教师按照实验实训考核要求及评分标准给学生确定最终的实验成绩。

实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

1）原理框图

原理框图

2）原理图

原理图

3）工作原理

（1）方波产生原理

利用滞回比较器产生方波。由滞回比较器输出只有二种可能UOH或UOL，及对RC电路进行充电或放电。电容上电压的升高或降低，又作为比较器控制UO状态翻转的信号，UO的跳变又进而控制了电容上的电压是充电或放电，如上了循环，可在比较器的输出端得到方波或矩形波。

（2）三角波产生原理

电路的第二级是一个积分电路，用于输出三角波。当电路的第一级输出的方波信号送入该级电路后，由该级电路对信号进行积分变换以后，产生三角波信号。

三角波发生电路的波形图

（3）正弦波产生原理

三角波变正弦波采用滤波电路，经典滤波的概念，是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成的。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分，只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。其原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。而该电路的频率较低，所以采用二阶低通滤波得到正弦波。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验方案论证

2） 理论分析与计算

3） 电路设计与参数选择

4） 电路仿真及结果

5） 调试方法与数据

6） 实验结果总结

（附4 实验报告图片）

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

在工程教育认证标准的引导下，更新项目内容的工程性背景，本项目添加电源部分，稍作修改即可实现产品化；同时，本项目是对电子技术的综合性应用，开拓了学生的工程思维，训练了学生的创新意识。

支撑资料见附件

1、实验教学大纲

2、实验任务书

3、实验设备

4、实验报告图片

附1 实验教学大纲

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附2 实验任务书

附3 实验设备

附4 实验报告