信号波形发生与合成实验报告

电子电路综合实验实验报告题目：信号波形发生与合成班级：20130821学号：2013082117姓名：肖珩成绩：日期：2015年3月17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or=50Ω;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，通过电阻分压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50Ω，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：振荡周期112222ln(1)RTTTRCR要求1fKHz，选10CnF，45.3Rk，15.1Rk，25.1Rk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：式中A为方波的幅度。由上式知，三次谐波幅值是基波的13。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：根据题目要求知：1.413OLPH，0.707Q基波的频率为1KHZ，所以电容的取值210CnF。因此根据计算公式分别求取剩下的电阻电容值并取标称值为147CnF，18.2Rk，24.7Rk，311Rk。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：根据题目要求选取：1OBPH，6Q同理三次谐波的频率为3KHZ，则电容的取值1210CCCnF，根据公式计算电阻值21163,32,0.45ABRkRkRk。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。01212()ffiiRRUUURR，取标称值125.1fRRRk，12////1.7fRRRRk。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DS1102E5.2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.元件表运放TL0817碳膜电阻4702陶瓷电容10nF71.7k1100nF22.2k1电解电容10uF24.7k1100nF28.2k1稳压二极管211k1碳膜电阻5.1k527k11k230k110k243k1100262k1总电路图