信号的产生分解与合成Word格式文档下载.docx
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同组人员：
实验时间：
14年5月13日
评定成绩：
审阅教师：
实验四信号的产生、分解与合成
【实验内容】
设计并安装一个电路使之能够产生方波，并从方波中分离出主要谐波，再将这些谐波合成为原始信号或其他周期信号。
1.基本要求
（1）设计一个方波发生器，要求其频率为1kHz，幅度为5V；
（2）设计合适的滤波器，从方波中提取出基波和3次谐波；
（3）设计一个加法器电路，将基波和3次谐波信号按一定规律相加，将合成后的信号与原始信号比较，分析它们的区别及原因。
2.提高要求
设计5次谐波滤波器或设计移相电路，调整各次谐波的幅度和相位，将合成后的信号与原始信号比较，并与基本要求部分作对比，分析它们的区别及原因。
3.其他部分
用类似方式合成其他周期信号，如三角波、锯齿波等。
【实验目的】
1.掌握方波信号产生的基本原理和基本分析方法，电路参数的计算方法，各参数对电路性能的影响；
2.掌握滤波器的基本原理、设计方法及参数选择；
3.了解实验过程：
学习、设计、实现、分析、总结。
4.系统、综合地应用已学到的电路、电子电路基础等知识，在单元电路设计的基础上，利用multisim和FilterPro等软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。
5.掌握多级电路的安装调试技巧，掌握常用的频率测量方法。
6.本实验三人一组，每人完成一个功能电路，发挥团队合作优势，完成实验要求。
【报告要求】
波形产生部分
1.理论推导计算，原理图及参数；
有两种方案实现方波产生：
1、741构成的施密特比较器型；
2、555加电平移位型
第一种：
占空比固定为50%
第二种：
当R1<
<
R2时，占空比为50%
电路参数设计：
采用先定电容，后定电阻的原则，根据公式和要求，选择条件允许的元器件即可。
电路图见3
实验方案论证和功能电路的设计：
741方案
555方案
2.功能电路仿真；
555方案：
555输出第二级741输出
3.实验过程步骤；
采用555+电平移位方案。
按电路图连接；
调节电位器至满意输出。
实物连接图：
4.实验数据测量记录、处理和分析；
周期：
1.010ms理论值：
1ms相对误差：
1%
平均值：
-1.90mV理论值：
0绝对误差：
1.9mV
峰峰值：
4.92V（仿真时采用的是峰值5V）理论值：
5V相对误差：
1.16%
其他结果：
末级输出在上升沿会有一个小毛刺，接上后级电路后毛刺消失。
5.实验结果分析，实验总结。
由于定值电阻误差比较大，影响了方波产生电路的周期、幅值。
实际操作中不得不使用电位器代替定值电阻调试至满意的结果。
741的性能较差，改用集成比较器效果更佳。
方波的上升时间越短越好，但741有一个电压转换速率（压摆率）限制了输出的陡峭程度。
滤波部分
1.根据实验内容、技术指标及实验室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。
（写出理论推导，不能只有图）
利用filterpro软件设计滤波电路。
（1）1kHz滤波器
合理选择参数，得到如下电路：
其幅频和相频曲线如下图所示：
（2）3kHz滤波器
其幅频和相频曲线如下图所示：
以上两个滤波器由于中心频率不是很高，都选择用二阶。
其中参数的主要限制为运放的GBW，由于受限于ua741的GBW，只能适当增大通带以保证GBW满足要求。
其中3kHz的滤波器要求最小GBW为1.8MHz，741的标准与条件相比仍有距离，这也是导致后来仿真和实测时波形部分失真的最主要原因。
（3）5kHz滤波器
由于中心频率较高，若仍使用二阶，741已经离要求的参数相差很大，导致输出波形与理想波形相差很大，因此这里使用四阶，即两个运放实现。
幅频相频曲线如图：
这里要求的最小GBW更高，741更加无法满足要求，但是若继续增大阶数，虽然可以增益带宽积的问题，但是在搭建电路选用电阻时，第一级的误差影响在经过后面的放大之后会变得很明显，因此仍然选用这种比较折中的方法。
2.利用EDA软件进行仿真，并优化设计。
（对仿真结果进行分析）
在multisim软件中按以上电路图搭建电路，加以方波交流信号源，并用示波器观察1kHz、3kHz、5kHz三个谐波分量的输出波形。
仿真结果如下图所示：
从示波器波形图上可以看到，三次谐波（3kHz）出现了较明显的波形失真，而1kHz和5kHz的波形是较为理想的。
3kHz的波形的峰谷有一定的上下便宜，可以看成是与小幅基波的叠加，说明滤波器对基波的过滤作用不是很理想，但这是限于运放本身的，并非电路的问题。
另外每个分量的幅度和理想的分量多有不小的偏差，这是由于有源滤波器本身是由放大器组成的，引入负反馈时会有比例放大的作用，因此需要在叠加之前对各分量作放大处理。
同时可以看到各谐波分量的相移各不相同，这也是在叠加之前需要对各个分量进行相移处理的原因。
3.写出实验过程步骤和实际搭试所设计电路图。
（实物搭试要有图片）
（1）实验步骤：
按照电路原理图搭建电路；
首先进行分部测试并对电阻进行微调；
最后将各部分整合，进行整体功能调试。
注：
由于供选择的电阻有限，而所需电阻参数比较分散，阻值的偏差又会对电路性能有较大影响，因此在整个实验过程中，选配电阻占了很大时间。
最后由于时间和器件原因，在实物搭建中没有完成5k谐波滤波部分。
（2）电路图：
4.按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，处理和分析电路性能指标。
利用函数发生器输入峰值为5V的方波，观察输出波形、振幅、相位等。
（1）输入波形与基波波形图：
（2）输入波形与三次谐波波形图：
（3）基波与三次谐波波形图：
从图中可以看到，基波波形较理想，但三次谐波的波形失真较严重，并且与仿真结果又一定差距，但主要影响原因应该都是741本身的性能限制。
另外电阻阻值本身的偏差以及配凑电阻时的偏差也是引入误差的一个重要原因。
幅度上，基波和三次谐波都有一定程度的衰减，且衰减程度相当。
相位方面，两个分量都有一定的延时，且衰减程度相近。
将两个分量利用示波器中的MATH功能直接叠加得到效果如图：
从图上可以看到，叠加之后的波形已经与理想的基波和三次谐波叠加波形相近，这也说明上面所说的衰减程度和延时程度相近是成立的。
在将全部电路拼接完成后，将分量进行幅度调整和相位调整后叠加，所得波形与输入波形的对比如图：
除了三次谐波的波形有失真外，其余部分的功能实现都较理想。
调节幅度和相位之后可以得到较为理想的合成波形。
5.实验总结
（1）实验总体结果较为理想，在仿真实验中实现了基波、三次谐波和五次谐波的分解，在实物搭试中实现了基波和三次谐波的分解。
并且其各分量的幅度和相位情况与理想接近。
由于运算放大器的性能问题，三次谐波的波形有一定失真。
（2）在运放参数一定的情况下，滤波器的中心频率与带宽之间存在矛盾，提高中心频率的同时必须增大带宽（降低选频特性），以保证不失真。
当然可以利用增加滤波器阶数的方式同时提高两个参数，但同时会引入更大的噪声误差。
（3）团队合作项目的注意：
移相及叠加部分（负责部分）
1、根据实验内容、技术指标及实验室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。
移相电路
理论推导：
若
则有
此为0-180°
相移电路，调节R3的值即可改变相位差
对于-180°
-0相移电路，原理相同，只是
时
加法电路：
计算得到
2、利用EDA软件进行仿真，并优化设计。
仿真结果：
R3=10K时R3=1K时
输入分别为5Khz，15Khz，25Khz的Vpp为4.5V的正弦波后的输出波形。
3.写出实验过程步骤和实际搭试所设计电路图。
移相电路的调试过程比较简单，利用1Khz及3Khz的输入波形进行模拟移相，但是在电阻的调节中出现一些麻烦。
。
实物电路图：
4.按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，处理和分析电路性能指标。
本实验难度较大，对信号发生电路和后面部分要求都很高，必须保证后面的电路不影响前面的电路才可以。
因此要认真测试。
，
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