信号波形发生与合成实验.doc

摘要 本系统主要以T01A运放为核心,由方波发生器、滤波分频电路、移相电路、加法器电路模块组成。实现了产生多个不同频率得正弦信号与基于多个正弦波合成方波信号得电路功能。系统基本工作过程为：1kHz方波信号通过低通滤波器与带通滤波器得到按傅里叶级数展开得1kHz基波正弦波信号与3kHz三次谐波正弦波信号。而后将基波信号通过移相电路使其相位调整到与三次谐波相同，然后通过加法电路将信号合成近似得方波信号。输出波形结果表明，系统合成波形符合理论傅里叶分析结果,比较准确。正弦波及合成波得幅值测试误差小于5，符合题目要求.关键词：方波发生器;傅里叶级数;分频;滤波;移相一总体方案设计及论证1、题目设计任务 设计制作一个电路,能够产生多个不同频率得正弦信号,并将这些信号再合成为近似方波信号。系统框图如下图所示：具体要求：1、2 方案论证比较 、 系统总体方案 方波发生电路产生1kHz方波，对其中得基波与三次谐波分量进行提取，1z 基波可用截止频率为1z得巴特沃斯低通滤波器滤波得到，3kHz谐波可用中心频率设为kHz得高Q值带通滤波器滤波得到。最后再经相位调整重新合成近似方波。1、2、2方波振荡电路得选择 本系统中得方波发生电路就是实现后续各级电路功能得基础，对频率准确度与 稳定度得要求较高。 方案一:55定时器组成得多谐振荡器,直接调节至1Hz左右得对称方波. 此方案成本低廉,实现方便,但其稳定性容易受到外部元件得影响,在振荡频 率较高时频率稳定度不够。 方案二:使用石英晶振组成高稳定度得频率参考源，并使用计数器与集成锁 相环芯片构成分频/倍频环，以产生1KHz得方波.该方法产生得信号稳定度高, 但需要搭建石英晶体振荡电路，并进行锁相环分频、倍频,电路较复杂。 方案三：采用基于反相输入得滞回比较器与RC电路得方波产生电路.该电 路结构简单,性能稳定,主要得限制因素在于比较器得速度。结合适当得RC 参数，可达到1KHZ得振荡频率。 方案选择:本系统采用方案三，此电路结构简单，产生得方波稳定性较好. 1、2、3滤波电路得选择 本系统中所需正弦波均来自于方波信号，需使用低通滤波器与带通滤波器。 方案一:使用由L网络组成得无源高阶巴特沃斯滤波器。其通带内相应最 为平坦，衰减特性与相位特性都很好，对器件得要求也不高。但其在低频范围 内有体积重量大、价格昂贵与衰减大等缺点. 方案二:采用实时DSP数字滤波技术,数字信号灵活性大,可以在不增加硬 件成本得基础上对信号进行有效得滤波，但要进行滤波,需要A/D、DA既有 较高得转换速率，处理器具有较高得运算速度,成本高。 方案三：以集成运放为核心得有源滤波电路,结构简单,所需元件少，成本 低,且电路输入阻抗高、输出阻抗低,并有专门得设计软件。方案选择:选择方案三作为系统得基波与三次谐波滤波方案。用集成运放 L081A与RC网络组成得二阶有源滤波电路器得滤波器结构清晰,幅频响应 更接近理想特性,截止频率与增益可以进行充分调节，具有较好得滤波效果， 可以产生非常理想得正弦波效果。 、2、4移相电路得选择 移相电路对分频滤波后得基波正弦信号进行移相，使基波与三次谐波相位关 系满足信号合成得需要。 方案一:采用无源R移相网络。该方案电路简单,可以完成移相，但就是通 过移相网络后信号有衰减,而且在调节相移得同时，信号得幅度也会发生变化， 需要在后级再加入放大器进行补偿，增加了系统得复杂性。 方案二：采用有源RC移相电路,通过合理得设计，可以达到信号得幅度增 益恒定为且相位可调得效果。 本系统中采用方案二进行移相电路得设计。 1、2、5加法器电路运用反相求与运算电路.方波信号经滤波与移相后，其输出幅度将有不同程 度得衰减,合成前需要将各成分得信号幅度调整到规定比例,才能合成为新得 合成信号。采用反向比利运算电路实现幅度调整，采用反向加法运算实现信号 合成二.理论分析计算与电路仿真 2、1 系统原理框图2、方波信号发生电路 、2、 电路组成及工作原理因为矩形波电压只有两种状态,不就是高电平，就就是低电平,所以电压比较器 就是它得重要组成部分；因为产生振荡，就就是要求输出得两种状态自动地相互转 换,所以电路中必须引入反馈;因为输出状态应按一定得时间间隔交替变化, 即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来切换每种状态维持得时间。矩 形波发生电路由反相输入得滞回比较器与C电路组成。RC回路既作为延 迟环节,又作为反馈网络，通过C充放电实现输出状态得自动转换。 振荡周期 通过以上分析可知，调整电压比较器得 电路参数1与R2可以改变c得幅值, 调整电阻R1、R2、R3与电容C得数值可以改变电路得振荡频率。而要调整输出电压Uo得振幅,则要换稳压管以改变z,此时Uc得幅值也将随之变化2、2、 仿真实现 根据要求,矩形波发生电路产生kHz得方波（占空比50%),方波幅度为5V，输出阻抗为0。根据仿真得方波发生电路产生方波峰峰值为2、5V,于就是分压4=10,R2=2、5. 经过跟随器电路之后得到输出方波电压峰峰值为10V。仿真图如下: 2、3基波滤波电路 、3、 电路组成及工作原理 滤波电路就是一种能使有用信号通过而抑制无用频率信号得电子装置。工 程上常用它来做处理信号、数据传送与抑制干扰等。而有源低通滤波器就是 允许低频信号通过而抑制高频信号得电路。本部分电路采用压控电源型（VCVS)二阶有源低通滤波器，CVS采 用同相输入，其输入阻抗很高,输出阻抗很低,滤波器相当于一个电压源， 故称电压控制电压源电路。其优点就是电路性能稳定、增益容易调节。由FT分解可知,方波可分解为一系列奇数得谐波组成。具体公式为:其中1,3次谐波就是方波得主要成分，次谐波就是次谐波得倍频程， 因此要提取基波而将3次谐波有效滤除，这需要低通滤波器有足够得衰减速度，采用二阶巴特沃斯滤波器（基波频率设定为截止频率)可获得较好得滤波效果。由仿真实现得到一阶滤波频率为985Hz,峰峰值为、2，误差在%之内,符合要求。 2、2、2 仿真实现 2、4带通滤波电路 2、4、 电路组成及工作原理 带通滤波器就是一个允许特定频段得波通过同时屏蔽其她频段得设备。一个理想得滤波器应该有一个完全平坦得通带,例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉,另外,通带外得转换在极小得频率范围完成。实际上,并不存在理想得带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外得所有频率完全衰减掉通常，滤波器得设计尽量保证滚降范围越窄越好,这样滤波器得性能就与设计更加接近。相比于无源滤波器,有源滤波器有许多优点:可以按要求灵活设置增益, 并且无论输出端就是否带载,滤波特性不变，这也就是有源滤波较无源滤波得 到更广泛应用得原因。 2、4、2 仿真实现设计一个带通滤波器,并经Mltisim仿真。中心频率为3、kHz,输出信号波形无明显失真,输出电压幅度峰峰值4、01V,幅度误差小于5%.2、移相电路 2、1 电路组成及工作原理 低通滤波器与带通滤波器滤波得到得两路正弦信号得相位并不能满足叠 加成方波得同相关系,因此必须进行相位调整。因为模拟合成信号只有两 个，所以只需对其中得基波信号进行调节即可。一阶全通滤波器可以实现 对特定频率信号产生相移,而信号得幅值在滤波前后保持不变,通过改变 电路参数可以实现信号在某一范围内得相移,相移电路如下图。 2、5、 仿真实现 仿真结果如下所示：2、6加法器电路由于系统在前级对信号得幅度比例已调节合适且电路放大运算比例固定, 不用在加法电路进行输入输出信号得幅度调节,所以这里采用简单得单个集 成运放构成加法电路就可以很好得满足合成要求。加法电路相当于输入端有两个电压源,相应得输入电阻决定了每个电压对 电路得作用,而反馈电阻与输入电阻得比例决定增益得大小。因R1R2=R3，所以Uo=1U2.为避免静态偏移,要将相同端用电阻接地,接地电阻为4=R/2/R3。设计电路图如下图所示:三。系统测试及分析 3、测试仪器直流稳压电源HY17113S (1台）信号源TFG35L (1台)示波器DS112E （1台)万用表(台) 3、2测试方案及测试数据 3、2、1测试方案说明使用直流稳压电源为各个电路模块中得TL0C运放进行V电压供 电，示波器双踪输入观察信号波形，具体测试步骤如下: 焊接矩形波发生器电路产生1kHz方波信号，调整元件参数使输出电压幅 度误差小于5%; 焊接调试低通滤波器滤出得到得基波正弦信号，使基波输出电压幅值误差 小于5%; 焊接调试带通滤波器滤出得到得三次谐波正弦信号,调整电阻参数使三次谐波输出电压幅值误差小于%,； 观察两种正弦信号相位差,并根据实际相位差调整移相电路设计(具体参 考2、5移相电路），使两路信号基本保持同相; 将基波与三次谐波分别输入加法器,观察输出波形使其叠加成为近似方波, 调整元件参数使输出电压幅度误差小于5; 3、2、2测试数据矩形波发生器：低通滤波电路输出得基波：带通滤波器输出得三次谐波:基波经过移相电路：合成近似方波:测试模块频率频率误差幅度(峰峰值)幅度误差方波发生器91、5Hz、85%10、V0低通滤波电路98、Hz1、96%12、0V0带通滤波电路2、976kH、8%、8V2、0加法器电路980、4Hz、99、52V4、83、3测试结果及分析3、1结果 矩形波发生器产生得频率为96、5Hz、峰峰值为10、V得方波经滤波处理后,能够同时产生频率为980、4Hz与2、76kH得正弦波信号,其波形均无明显失真,二者峰峰值分别为12、V、4、08V。由移相器与加法器构成得信号合成电路,将产生得基波与三次谐波合成为近似方波。从测量得数据与波形可以瞧出,本设计较好得实现了题目所要求得性能指标。 3、3、2分析 从测量结果中可以瞧出输出频率未完全满足要求,输出幅度仍有可提升空 间。调试过程集中在模拟电子电路部分。各模块电路产生误差得原因很多，一般来说，有以下几点可导致实验误差得出现:运放得输入偏置电流、失调电压与失调电流及其温漂;电阻器得实际阻值与标称值得误差,以及元件参数受到温度影响而产生得变化。另外,电源与信号源得内阻及电压变化、环境干扰与噪声都会造成误差。四。结论 本设计主要讲述了方波信号发生与合成得工作原理与工作过程。在说明工作原理得过程中，突出了基本电路得组成单元以及这些单元如何实现信号合成得功能。设计中遇到了很多实际性得问题，同时也发现书本中理论知识与在实际运用有着一定得出入,有些问题不但需要深入理解，而且要不断地更正以前得错误思维.电路设计就是一个很灵活得东西，它反映了一个人解决问题得逻辑思维与创新能力这才就是一个设计得灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间就是用在单元电路得理解与设计上面. 在实践有一些条件制约以及由于元器件本身得特性而产生各种各样得误差。所以,在设计时应考虑到每一处细节，找出最合适得设计方法。也验证了侯老师得那句话:硬件不就是调试出来得,就是设计出来得 本次实验过程中,有机会重新回顾模拟电子电路得原理与设计方法并且有了一些新得认识。温故而知新,能运用已学得知识解决我在设计中遇到得问题,使自己思考问题得能力得到了很大得提高。在做设计得过程中查阅了一些资料，通过阅读这些资料也使知识储备量有所增加. 通过实践自己也深刻认识到对于理论知识得掌握不足,各部分得原理图设计经过与同学得讨论以及请教老师后才得出。在设计过程中发现自己考虑问题并不全面，专业知识掌握得很不牢固,软件应用不够熟练，我会努力在今后得学习中使这些不足得到改善。总之，多思考，多比较,多尝试把所学得书本知识应用于实际，培养自己得动手能力。坐而言不如立而行,对于实际电路真得只有在自己动手操作后才会有深刻体会与理解。非常感谢老师给予得指导与帮助。附录 总电路原理图