信号波形发生与合成实验报告.docx
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信号波形发生与合成实验报告
信号波形发生与合成实验报告
电子电路综合实验
总结报告
题目,信号波形发生与合成
班级,
学号,
姓名,
成绩,
日期,2015年3月12日
一、摘要
实验采用纯硬件电路设计形式完成实验任务,实现实验功能。
首先用带限幅器滞回比较器和RC充放电回路构成的方波发生电路产生频率为1KHZ的方波信号。
作为一个信号源,需要低阻抗输出,因此在方波发生器之后连接一个射随电路。
信号经两路不同频率有源滤波处理,同时产生频率为1kHz和3kHz的正弦波信号。
其中基波产生采用低通滤波器,三次谐波产生采用带通滤波器。
为了将基波和三次谐波叠加之后最终恢复出近似方波信号,因此需要根据滤波分频电路输出的基波和三次谐波的延时,设计移相电路,其设计采用全通滤波器原理。
最后运用反相加法器将基波和三次谐波信号叠加,从而完成设计要求。
实现功能,设计一个电路,能够产生多个不同频率的正弦信号,并将这些信号再合成为近似方波信号。
方案特点,电路为纯硬件电路,采用运算放大器TL081,原理图
简单易懂,硬件调试容易,部分实现功能明确且输出可测,有助
于电路问题检测。
二、设计任务
2.1设计选题
选题十四,信号波形发生与合成
2.2设计任务要求
图1系统框图
1,矩形波发生电路产生1kHz的方波,50%占空比,,频率误差小于5%,方波波形幅度峰峰值为10V,幅度误差小于5%,且输出阻抗=50?
;ro
2,基波频率为1kHz,设计的低通滤波器要求-3dB带宽为1kHz,带外衰减?
-40dB/十倍频程下降,产生的信号波形无明显失真,幅度峰峰值为12V,幅度误差小于5%,
3,三次谐波频率为3kHz,设计的带通滤波器要求中心频率为3kHz,-3dB带宽小于500Hz,带外衰减?
-40dB/十倍频程下降,产生的信号波形无明显失真,幅度峰峰值为4V,幅度误差小于5%,
4,设计移相电路,完成对基波正弦信号的移相,使移相后的基波和三次谐波的波形如图2所示,要求移相电路的增益为1,增益误差?
5%,
图2移相后的基波和三次谐波波形
5,设计加法器,将移相器输出的基波与三次谐波相加,合成近似正弦波,波形幅度峰峰值为10V,误差不大于0.5V,合成波形的形状如图3所示。
图3利用基波和3次谐波合成的近似方波三、方案设计与论证
1,矩形波发生电路方案论证与选择
方案一,采用由NE555组成的或其它由门电路构成的方波发生电路。
这种电路外围电路设计较少比较简单,但是输出信号频率很难调到某一固定值而且受环境影响明显。
本电路要求固定频率的方波,1kHZ）,因此方案不予采纳。
方案二,由运算放大器构成的信号发生电路。
原理比较简单,调试过程容易,且电路的搭建需要用到运放TL081,充分利用电路已有资源。
此方案经济稳定,故电路的方波发生器模块采用此方案。
2）分频电路方案论证与选择
低通滤波器,
方案一,无源低通滤波器
方案二,有源低通滤波器
实验要求带外衰减?
-40dB/十倍频程下降,因此选择二阶有源低通滤波器,且利用运算放大器输入电阻大的特点,隔离了负载对滤波特性的影响,同时可以使用运算放大器放大信号,所以选择此方案。
带通滤波器,
方案一,压控电压源型,VCVS,
方案二,无限增益多路反馈型,MFB,
对比这两种方案,方案一计算比较复杂且在调试过程中可能会遇到一些问题,而方案二简单可行,减少调试的复杂性,故选择方案二来设计带通滤波器。
3,移相电路方案论证与选择
方案一,用RC移相网络构成移相电路。
此种移相方法移相后的信号衰减很大,移相后需要进行放大处理,这无疑增加了系统的复杂性和不稳定性。
方案二,用运算放大器构成稳幅移相电路。
这种方法不仅能达到RC移相网络的移相效果,还能稳定信号幅度不发生大的变化,选择此方案为本电路的移相电路。
其基本原理图如下,
四、电路单元参数的选定和设计实现
1.矩形波发生电路
矩形波发生电路由两级构成,第一级由一个运放震荡产生1kHz的方波,通过稳压二极管电路将输出幅度设置到实验要求5V,然后紧跟一个射随电路,前后级隔离,同时设置输出电阻为50?
电路如图4所示。
图4矩形波发生电路
矩形波发生电路参数计算过程如下,
2R1TTTRC,，,，122ln
（1）振荡周期2R
Rk2,5.1CnF,10Rk,45.3Rk1,5.1fKHz,1要求,选,,,
仿真输出波形如图5所示
图5第一级输出波形
VPP=10.1V,在误差允许范围内,满足设计要求。
2.滤波分频电路
设计原理如下,
1式中A为方波的幅度。
由上式知,三次谐波幅值是基波的。
3
基波产生要求采用低通滤波器,LPF,,由题目要求可知至少需要一个二阶的LPF。
由于滤波器的截止频率为1kHz,因此基波分量通过LPF滤波器会有-3dB的衰减,同时会有相移,相移值与采用的滤波器阶数有关,,因此需要设计LPF的通带增益为3dB,来满足输出幅度要求,相移值可通过滤波器设计软件的相频特性图标可以得到。
图6基波电路
基波产生电路参数计算过程如下,
H,1.413Q,0.707根据题目要求知,,OLP
CnF,10基波的频率为1KHZ,所以电容的取值。
因此根据计算公式2
CnF,47Rk,8.2分别求取剩下的电阻电容值并取标称值为,,11Rk,4.7Rk,11,。
23
仿真输出波形如图7所示
图7基波输出波形
VPP=12.2V,在误差允许范围内,满足设计要求。
三次谐波产生要求采用带通滤波器,BPF,,这一部分设计时需要考虑滤波器的带外衰减特性,如果带外衰减不够,基波分量通过BPF之后幅度较大,与三次谐波进行叠加,三次谐波产生电路输出的波形失真会比较严重。
图8三次谐波电路
三次谐波产生电路参数计算过程如下,
H,1Q,6根据题目要求选取,,OBP
CCCnF,,,10同理三次谐波的频率为3KHZ,则电容的取值,根据12
RkRkRk,,,63,32,0.45公式计算电阻值。
211AB
仿真输出波形如图9所示
图9三次谐波输出波形
VPP=3.99V,在误差允许范围内,满足设计要求。
三、移相器电路
由于仿真过程中基波的相位落后于三次谐波,因此选择超前全通滤波电路来改变相位差。
具体电路图如下,
图10移相电路
滤波器设计计算比较复杂,经常需要借助EDA软件来辅助完成,比
较常用的EDA软件有FilterSolutions、FilterWizPro、FilterCAD、FilterLab等,设计过程中采用TI公司的FilterProDesktop。
四、加法器电路
实验过程中采用了反相加法电路原理,从而将基波和三次谐波信号的叠加,达到预期的效果。
RRff（）UUU,,，RRRk,,,,5.1,取标称值,012ii12fRR12
RRRRk,,,////1.7。
12f
合成波形如图所示,
图11利用基波和3次谐波合成的近似方波
VPP=10.3V,在误差允许范围内,满足设计要求。
五、装调测试过程
图12实物图
5.1测试仪器
1,直流稳压电源HY1711-3S,2,信号源TFG3050L
3,示波器DS1102E
5.2矩形波发生电路部分电路测试
矩形波发生电路加正负9V电源电压后,用示波器测试能够输出稳定方波,实际第一级输出波形如图13所示。
图13
使用示波器观察矩形波发生电路的输出波形,正常工作状态时是频率为1.020KHz的方波信号,幅度峰峰值为8.24V。
实验过程中由于所选稳压二极管不能达到要求的输出幅度,因此以后所测数据均以此方波为标准。
5.3基波发生电路部分电路测试
矩形波发生电路与基波发生电路相连分别加正负9V电源电压后,用示波器测试能够输出正弦波,实际输出波形如图14所示。
图14
使用示波器观察基波发生电路的输出波形,正常工作状态时是频率为1.020KHz的正弦波信号,幅度峰峰值为10.1V,误差为2%,在允
许的范围内,设计满足实验要求。
5.4三次谐波发生电路部分电路测试
矩形波发生电路与三次谐波发生电路相连分别加正负9V电源电压后,用示波器测试能够输出正弦波,实际输出波形如图15所示。
图15
使用示波器观察三次谐波发生电路的输出波形,正常工作状态时是频率为3.049KHz的正弦波信号,幅度峰峰值为3.32V,误差为0.7%,在允许的范围内,设计满足实验要求。
5.5移相电路部分电路测试
图16
图中波形分别为基波和移相后的波形,观察移相的输出波形,波形幅度和频率都不发生变化。
5.6总电路测试
图17
使用示波器观察总电路的输出波形,正常工作状态时是频率为1.025KHz的近似方波信号,幅度峰峰值为8.24V,误差为0,在允许的范围内,设计满足实验要求。
六、实验注意事项及主要可能故障分析
6.1实验结果分析
根据实验最终得出的数据和波形可以得出结论,电路基本实现了实验要求。
在关键的测试点用示波器观察其波形并读取幅值和频率,均满足设计要求,电路很好地将方波经两路不同频率有源滤波处理后,同时产生频率为1kHz和3kHz的正弦波信号,将这些信号再合成为近似方波信号,实验设计较成功。
实验过程中存在一定的误差,经分析,一方面可能由于仿真环境与实际电路不一样,从而影响实验中元件的选取,另一方面测试仪器示波器也有一定的测量误差,以及模
拟电路本来就存在不确定的特点,最终对实验结果造成了误差,经过检验这些误差在允许的范围之内。
6.2问题分析
1,在基波测试时发现没有波形,首先检查了电路的连接,经与电路图比较发现无错误,接着用万用表测量每一个管脚电压值,发现异常,发现电路中存在虚焊,于是对问题部分进行了重新焊接。
2,在调试三次谐波电路时,电路输出不是正弦波,出现了下削波,猜测是由于带通滤波器中某个元件损坏所致,经过用万用表排查后发现电阻存在问题,更换后波形正常。
3,最终调试时,波形幅值没有达到要求,考虑到加法器有放大的作用,并经过Multisim软件仿真后,更换了电阻,幅值达到要求。
6.3心得体会
本实验主要是考察运算放大器的使用,涉及矩形波发生电路、比例运算电路、加减运算电路、有源滤波电路,通过实验加深对这些电路的理解,能够灵活去运用解决实际需要。
调试过程中遇到问题,积极寻找故障原因,并运用所学放大器的原理加以解决,从而锻炼了独立动手能力。
当然在电路布局方面,自己也学会如何灵活选择减少搭线的困难,同时实验前老师的指导对我顺利完成实验也起了重要作用,这次实验提升了自己的独立思考能力,让我受益匪浅。
附,
参考资料
[1]谢红编.《模拟电子技术》[M].哈尔滨,哈尔滨工程大学出版社,
2008.
[2]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京,高等教育出版社,2006年
5月第四版.
[3]聂典,丁伟主编.《Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的
应用》[M].北京,电子工业出版社,2009.
[4]闫胜利著.AltiumDesigner实用宝典[M].北京,电子工业出版社,
2007.
元件表
470,7运放TL081碳膜电阻2
10nF1.7k,7陶瓷电容1
100nF2.2k,21
10uF4.7k,2电解电容1
8.2k,100nF21
11k,稳压二极管21
5.1k,27k,碳膜电阻51
30k,1k,21
10k,43k,21
100,62k,21
总电路图
书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔
人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金
人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫
书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉——库法耶夫
书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯
书籍便是这种改造灵魂的工具。
人类所需要的，是富有启发性的养料。
而阅读，则正是这种养料———雨果
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