方波信號(hào)波形合成電路

1、畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)（論計(jì)（論 文）文） 方波信號(hào)波形合成電路方波信號(hào)波形合成電路 評(píng)評(píng) 閱閱 人人 20112011 年年 6 6 月月 中國(guó)中國(guó) 常州常州 河河 海海 大大 學(xué)學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 （理（理 工工 科科 類）類） 、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 方波信號(hào)波形合成電路方波信號(hào)波形合成電路 、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容（從綜合運(yùn)用知識(shí)、研究方案的設(shè)計(jì)、研究方 法和手段的運(yùn)用、應(yīng)用文獻(xiàn)資料、數(shù)據(jù)分析處理、圖紙質(zhì)量、技術(shù)或觀點(diǎn)創(chuàng)新等方面詳細(xì) 說明）： 設(shè)計(jì)制作一個(gè)電路，能夠產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)，并將這些信號(hào)再合成 為近似方波。電路示意圖如圖所示。

2、基本要求：1、方波振蕩器的信號(hào)經(jīng)分頻與濾波處理，同時(shí)產(chǎn)生頻率為 10khz 和 30khz 的正弦波信號(hào)，這 2 種信號(hào)應(yīng)具有確定的相位關(guān)系； 2、產(chǎn)生的信號(hào)波形無明顯失真，幅度峰峰值分別為 6v 和 2v； 3、制作一個(gè)由移相器和加法器構(gòu)成的信號(hào)合成電路，將產(chǎn)生的 10khz 和 30khz 的正弦波信號(hào)作為基波和 3 次諧波，合成一個(gè)近似方波，波形幅度為 5v。 4、再產(chǎn)生 50khz 的正弦信號(hào)作為 5 次諧波，參與信號(hào)合成，使合成的波形更 接近于方波； 5、設(shè)計(jì)制作一個(gè)能對(duì)各個(gè)正弦信號(hào)的幅度進(jìn)行測(cè)量和數(shù)字顯示的電路，測(cè)量誤 差不大于正負(fù) 5%。 方波震蕩電路 分頻與濾波. 移相電路 加

3、法器 合成信號(hào) 6、總結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 、進(jìn)度安排： 第一階段（10 年下 13 周15 周）：搜集相關(guān)資料，復(fù)習(xí)掌握相關(guān)的理論知 識(shí)。 第二階段（16 周20 周）：方波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)、調(diào)試。 第三階段（11 年上 1 周8 周）：諧波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)、調(diào)試，方波合成。 第四階段（9 周13 周）：正弦波幅度測(cè)量和顯示電路設(shè)計(jì)。 第五階段（14 周）：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，答辯。 、主要參考資料： 1、鄭君里 等信號(hào)與系統(tǒng) （上） m.高等教育出版社，2005. 2、康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) （模擬部分）m.高等教育出版社,2003. 3、胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì).清華大學(xué) 出版社，

4、2002. 4、http:/www.ti.com. 指導(dǎo)教師： 張秀平 ， 2010 年 11 月 28 日 學(xué)生姓名： 周興平 ，專業(yè)年級(jí)： 07 級(jí)電子信息工程 系負(fù)責(zé)人審核意見（從選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、是否結(jié)合科研或工程實(shí)際、綜 合訓(xùn)練程度、內(nèi)容難度及工作量等方面加以審核）： 系負(fù)責(zé)人簽字： ， 2010 年 12 月 8 日 摘要 課題任務(wù)是對(duì)一個(gè)特定頻率的方波進(jìn)行變換產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的弦信號(hào)，再 將這些正弦信號(hào)合成為近似方波。首先設(shè)計(jì)制作一個(gè)特定頻率的方波發(fā)生器， 并在這個(gè)方波上進(jìn)行必要的信號(hào)轉(zhuǎn)換，分別產(chǎn)生 10khz、30khz 和 50khz 的正弦波，然后對(duì)這三個(gè)正弦波進(jìn)行

5、頻率合成，合成后的目標(biāo)信號(hào)為 10khz 近 似方波。 本課題的理論基礎(chǔ)是傅里葉級(jí)數(shù)。法國(guó)數(shù)學(xué)家傅里葉發(fā)現(xiàn)，任何周期函數(shù)都 可以用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級(jí)數(shù)來表示（選擇正弦函數(shù)與余弦函數(shù) 作為基函數(shù)是因?yàn)樗鼈兪钦坏模?，后世稱為傅里葉級(jí)數(shù)一種特殊的三角級(jí)數(shù)。 假設(shè)a0, a1, a2, a3, ., an, .和b1, b2, b3, ., bn, .是一組無窮的常數(shù)。這些常 數(shù)被稱為傅里葉系數(shù)。x 是一個(gè)變量。普通的傅里葉級(jí)數(shù)可以表示為： f(x) = a0/2 + a1 cos x + b1 sin x + a2 cos 2x + b2 sin 2x + .+ an cos nx

6、+ bn sin nx + . 一些波形比較簡(jiǎn)單，比如單純的正弦波，但是這些只是理論上的。在實(shí)際生 活中，大多數(shù)波形都包含諧波頻率（最小頻率或基波頻率的倍數(shù)）的能量。諧 波頻率能量相較于基波頻率能量的比例是依賴于波形的。傅里葉級(jí)數(shù)將這種波 形數(shù)學(xué)的定義為相對(duì)于時(shí)間的位移函數(shù)（通常為振幅、頻率或相位） 。1 隨著傅里葉級(jí)數(shù)中計(jì)算的項(xiàng)的增加，級(jí)數(shù)會(huì)越來越近似于定義復(fù)雜信號(hào)波 形的精確函數(shù)。計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算出傅里葉級(jí)數(shù)的成百上千甚至數(shù)百萬個(gè)項(xiàng)。 本課題就是基于此原理，取基波、三次諧波及五次諧波進(jìn)行合成。當(dāng)然諧 波之間要滿足一定相位及幅值比例關(guān)系，所以用同一振蕩器產(chǎn)生信號(hào)，再進(jìn)行 分頻及移相等處理。 關(guān)

7、鍵詞： 方波振蕩器； 傅里葉級(jí)數(shù)；分頻； 濾波； 移相電路 abstract mission is to issue a specific frequency square wave to transform strings produce multiple signals of different frequencies, then the synthesis of these sine square wave signal. first, to design a specific frequency square wave generator, and in this square wav

8、e signal on the need for conversion, were generated 10khz, 30khz and 50khz sine wave, then a frequency of the three sine wave synthesis, synthesis of the target after 10khz square wave signal. the project is based on fourier series theory. french mathematician fourier discovered that any periodic fu

9、nction can be used sine and cosine functions to represent the infinite series form (select the sine function and cosine function as basis functions because they are orthogonal), later known as the fourier a special series of triangular series. suppose a0, a1, a2, a3, ., an, . and b1, b2, b3, ., bn,

10、. is a set of infinite constant. these constants are called fourier coefficients. x is a variable. ordinary fourier series can be expressed as: f(x) = a0/2 + a1 cos x + b1 sin x + a2 cos 2x + b2 sin 2x + .+ an cos nx + bn sin nx + . some relatively simple waveforms, such as pure sine wave, but these

11、 are only theoretical. in real life, most of the waveforms contain harmonic frequency (minimum frequency or a multiple of the fundamental frequency) energy. harmonic frequency energy compared to the ratio of the fundamental frequency energy is dependent on the waveform. fourier series mathematical d

12、efinition of this kind of waveform relative to the displacement function of time (usually amplitude, frequency or phase). calculated as the fourier series of items increasing, the series will be more similar to the definition of the precise function of complex signal waveforms. computer can calculat

13、e the fourier series of hundreds of thousands or even millions of entries. this topic is based on this principle, take fundamental, third harmonic and fifth harmonic synthesis. of course, between the harmonic phase and amplitude to meet certain proportional relationship, so with the same oscillator

14、signal, then the frequency and the shift is equal treatment. keywords: square wave oscillator; fourier series; frequency; filter; phase-shifting circuit 目錄 第一章 系統(tǒng)方案比較1 一 、方波振蕩電路及濾波電路方案論證1 二、移相電路方案論證1 第二章 555 定時(shí)器設(shè)計(jì)3 一、555 芯片介紹3 二、振蕩器設(shè)計(jì)3 第三章 分頻電路的設(shè)計(jì)與分析 4 一、cd4017 介紹4 二、cd4013 介紹5 三、分頻電路設(shè)計(jì)6 第四章 濾波電路7 一

15、、濾波技術(shù)簡(jiǎn)介7 二、ne5532 芯片介紹10 三、濾波電路設(shè)計(jì)11 第五章 移相電路13 一、移相技術(shù)簡(jiǎn)介14 二、 移相電路設(shè)計(jì)15 第六章 放大及加法電路.16 第七章 總結(jié)與展望18 致謝19 參考文獻(xiàn)19 附錄一20 附錄二20 附錄三23 第一章第一章 系統(tǒng)方案比較系統(tǒng)方案比較 一一 、方波振蕩電路及濾波電路方案論證、方波振蕩電路及濾波電路方案論證 方案一：方案一：用 555 定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生 300khz 方波，或者用 msp430 單片機(jī)自帶定時(shí)器產(chǎn)生 300khz 方波，然后通過數(shù)字分頻電路分出 10khz，30khz 及 50khz 方波，再通過濾波提取相應(yīng)的正弦

16、波，這樣提取出來的 正弦波相位關(guān)系確定，適合于方波、三角波的合成。 方案二：方案二：用多個(gè) 555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生分別 10khz，30khz，50khz 的方波，然后用低通濾波電路分別把各自的基波提取出 來，產(chǎn)生 10khz，30khz，50khz 正弦波，但是這樣的正弦波相位關(guān)系不確定， 不能用于合成方波三角波。 方案三：方案三：cpld 可編程邏輯器分別產(chǎn)生 10khz，30khz，50khz 方波，并且三 種方波之間存在明確的相位關(guān)系，然后用巴特沃斯低通濾波器將 10khz 與 30khz 的基波提取出來，即產(chǎn)生 10khz，30khz 的正弦波，又因?yàn)樗x用的巴特 沃斯低

17、通濾波器 tlc04 的截止頻率達(dá)不到 50khz，所以 50khz 正弦波的提取采 用了帶通濾波器。這樣就可以產(chǎn)生出三種正弦波，在經(jīng)過移相電路將三種波形 的相位差調(diào)節(jié)為 0 度，在通過運(yùn)算放大電路使其幅度達(dá)到所需的要求，然后再 將這三種有明確相位關(guān)系的正弦波通過加法器相加，即可得到所需的方波了。 三種振蕩電路方案比較如下： 電路復(fù)雜程度波形失真度理論可行性 方案一易一般可行 方案二易一般不可行 方案三復(fù)雜小可行 由于 555 定時(shí)器多諧振蕩器構(gòu)造簡(jiǎn)單，頻率穩(wěn)定，所以選擇方案一。 二、移相電路方案論證二、移相電路方案論證 方案一：方案一：用 rc 構(gòu)成一級(jí)移相電路，該電路優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺

18、點(diǎn)是在 調(diào)節(jié)相位時(shí)，移相角度不大于 90 度，而且波形幅度的幅度發(fā)生變化，特別是移 相角度不大于 90 度不能滿足實(shí)際需要。 rcrc 一級(jí)移相電路一級(jí)移相電路 圖 1 rc 一級(jí)移相電路 如圖為 rc 滯后型移相網(wǎng)絡(luò)，其中 *| 1 2 a v v a 0 1 2f f tg 。即調(diào)節(jié) r 或 c，可以使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生 0-90的相移。2 rc f 2 1 0 方案二：方案二：用 rc 構(gòu)成多級(jí)移相電路，該電路結(jié)構(gòu)符合相位移位的需求，可以 在 0-180范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相移，但是波形會(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減。 方案三：方案三：利用全通濾波電路來構(gòu)成移相電路，該電路可以在 0-180范圍 內(nèi)調(diào)節(jié)相位，且幅度基本不變

19、化。 圖 2 二階全通濾波電路 ，其中。 jwrc jwrc au 1 1 0 1 2, 1| f f tga rc f 2 1 0 由此可以看出，二階全通濾波電路可以產(chǎn)生 0-180相移。2 方案四：方案四：在分頻電路末端使用 cd4013d 觸發(fā)器對(duì)方波進(jìn)行移相然后再進(jìn)行 濾波生成正弦波。 四種濾波電路方案比較如下 電路復(fù)雜程度波形失真度理論可行性 方案一簡(jiǎn)單失真較大可行 方案二簡(jiǎn)單失真較大可行 方案三復(fù)雜失真較小可行 方案四一般失真較小可行 rc 移相電路構(gòu)造簡(jiǎn)單但生成波形會(huì)有較大失真。全通濾波電路可以進(jìn)行在 0-180范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相位，波形失真較小且幅度基本不變化，但構(gòu)造復(fù)雜。經(jīng)考 慮選

20、擇方案三。 最終總方案流程圖如下： 方波震蕩電路 數(shù)字分頻電 路 10khz 方波 30khz 方波 50khz 方波 濾波電路 濾波電路 濾波電路 10khz 正弦波 30khz 正弦波 移相電路 50khz 正弦波 反相放大電路 反相放大電路 反相放大電路 加法電路 圖 3 第二章 555555 定時(shí)器設(shè)計(jì)定時(shí)器設(shè)計(jì) 一、一、555555 芯片介紹芯片介紹 1可產(chǎn)生精確的時(shí)間延遲和振蕩，內(nèi)部有 3 個(gè) 5k 的電阻分壓器，故稱 555。 2電源電壓電流范圍寬，雙極型：516v；cmos：318v。 3可以提供與 ttl 及 cmos 數(shù)字電路兼容的接口電平。 4可輸出一定的功率，可驅(qū)動(dòng)微電

21、機(jī)、指示燈、揚(yáng)聲器等。 5應(yīng)用：脈沖波形的產(chǎn)生與變換、儀器與儀表、測(cè)量與控制、家用電氣與 電子玩具等領(lǐng)域。 6ttl 單定時(shí)器型號(hào)的最后 3 位數(shù)字為 555，雙定時(shí)器的為 556；cmos 單 定時(shí)器的最后 4 位數(shù)為 7555，雙定時(shí)器的為 7556。它們的邏輯功能和外部引線 排列完全相同。 555 定時(shí)器的集成電路外形、引腳、內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。6 (a) 外引線排列圖(b) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 gnd：接地端：低觸發(fā)端 out：輸出端：復(fù)位端trr co：控制電壓端 th：高觸發(fā)端 d：放電端 vcc：電源端 圖 4555 定時(shí)器外引線排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 二、振蕩器設(shè)計(jì) 選擇采用 ne555

22、 多諧振蕩器。利用深度正反饋，通過阻容耦合使兩個(gè)電子器 件交替導(dǎo)通與截止，從而自激產(chǎn)生方波。根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，我最終選擇如圖 5 所示占空比及頻率可調(diào)振蕩電路，電阻選擇 3.3k 歐姆電位器，電容使用 1000pf。 圖 5 555 振蕩器電路 第三章 分頻電路的設(shè)計(jì)與分析 一、cd4017 介紹 十進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器 cd4017，其內(nèi)部由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯 碼輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分配，整個(gè)輸出時(shí)序就是 o0、o1、o2、o9 依次 出現(xiàn)與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期。 cd4017 有 10 個(gè)輸出端（o0o9）和 1 個(gè)進(jìn)位輸出端o5-9。每輸入 10 個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，o5-9

23、就可得到 1 個(gè)進(jìn)位正脈沖，該進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí) 的時(shí)鐘信號(hào)。 cd4017 有 3 個(gè)輸入（mr、cp0 和cp1），mr 為清零端，當(dāng)在 mr 端上 加高電平或正脈沖時(shí)其輸出 o0 為高電平，其余輸出端（o1o9）均為低電平。 cp0 和cpl 是 2 個(gè)時(shí)鐘輸入端，若要用上升沿來計(jì)數(shù)，則信號(hào)由 cp0 端輸入； 若要用下降沿來計(jì)數(shù)，則信號(hào)由cpl 端輸入。設(shè)置 2 個(gè)時(shí)鐘輸入端，級(jí)聯(lián)時(shí) 比較方便，可驅(qū)動(dòng)更多二極管發(fā)光。 由此可見，當(dāng) cd4017 有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠?平狀態(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。6 圖 6 二、cd4013 介紹 在電子技術(shù)中，n/

24、2(n 為奇數(shù))分頻電路有著重要的應(yīng)用，對(duì)一個(gè)特定的輸 入頻率，要經(jīng) n/2 分頻后才能得到所需要的輸出，這就要求電路具有 n/2 的非 整數(shù)倍的分頻功能。cd4013 是雙 d 觸發(fā)器，在以 cd4013 為主組成的若干個(gè)二 分頻電路的基礎(chǔ)上，加上異或門等反饋控制，即可很方便地組成 n/2 分頻電路 。 上面介紹的 n/2 分頻電路僅限于 n7，當(dāng) n7 時(shí)，可根據(jù)分頻 n 值的大小 ，相應(yīng)增加二分頻級(jí)數(shù)，并恰當(dāng)引接反饋信號(hào)走線，便可得到 n7 的分頻電路 。n/2 分頻電路的特性如下： 1.電路工作原理是，在第 n 個(gè)周期，末級(jí)兩分頻器的輸出為高電平時(shí)，輸 入時(shí)鐘脈沖的上升沿使分頻電路工作

25、；在第 n1 個(gè)周期，末級(jí)兩分頻器的輸出 為低電平時(shí)，輸入時(shí)鐘脈沖的下降沿使分頻電路工作。 2.電路采用的是異步觸發(fā)形式，各觸發(fā)器的初始狀態(tài)不會(huì)影響到分頻的功能 。如果要求初始狀態(tài)為“0”狀態(tài)，可以將 d 觸發(fā)器的復(fù)位端 r 引出，接至復(fù)位 控制電路。 3.輸入信號(hào) fi 的最高工作頻率 fimax 除受到 cmos 元件 fm 的限制外，還受 到 d 觸發(fā)器、反饋門翻轉(zhuǎn)延遲和電容 c 濾波頻率特性的影響，所以應(yīng)盡可能提 高 fi 的值。一般情況下，最高工作頻率 fimax 在幾百千赫以下。 cd4013 引腳圖如下：6 圖 7 三、分頻電路設(shè)計(jì) 根據(jù)題意要求，分頻電路實(shí)現(xiàn)將 300khz 方

26、波通過分頻產(chǎn)生 10khz、30 khz 和 50 khz 的新的方波。 在某特定頻率的方波上要產(chǎn)生幾個(gè)其他頻率方波，可按照這些頻率的最小公 倍數(shù)2 為原則，題目要求的三個(gè)頻率為 10khz、 30khz 和 50khz，其公倍數(shù) 為 150khz，再乘以 2，則上述方波發(fā)生器為 300khz。驗(yàn)證一下：300khz 頻率 30 分頻得 10khz，10 分頻 30khz，6 分頻 50khz。 采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)分配器 cd4017 配合 d 觸發(fā)器 cd4013 實(shí)現(xiàn)分頻為上述 3 個(gè)頻率的方波，cd4017 默認(rèn) 10 分頻，下圖中二極管正極連接位置決定分頻系數(shù)。對(duì)于 cd4013，所起的作

27、 用是將由 cd4017 分頻后非 50%占空比調(diào)節(jié)為 50%。設(shè)計(jì)電路見圖 所示， 300khz 輸入信號(hào)送 cd4017 的 clk（14pin） ，輸出信號(hào)從 cd4013 的 q 端送 出。 具體電路如圖所示： 圖 8 50khz 分頻電路 該圖中由于 d2 接 cd4017 的 q3，因此實(shí)現(xiàn)將 300khz 3 分頻，為 300khz/3=100khz 再經(jīng)后級(jí) cd4013 進(jìn)行 2 分頻，獲得了 100khz/2=50khz 的 頻率。 對(duì)于 30khz 和 10khz 的分析計(jì)算方法相同，不再細(xì)述。 第四章 濾波電路 一、濾波技術(shù)簡(jiǎn)介 濾波技術(shù)是通信和工程測(cè)試領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)，

28、濾波網(wǎng)絡(luò)的理論逼近問題，早 在上個(gè)世紀(jì)的三四十年代就已解決，但濾波器的綜合技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò)元件參 數(shù)的實(shí)際選擇和調(diào)試的困難，一直沒有長(zhǎng)足的發(fā)展。近年來雖然有開關(guān)電容式 專用集成濾波芯片問世，但價(jià)格不菲，電路噪聲也不盡人意。因此對(duì) rc 有源濾 波器優(yōu)化綜合技術(shù)的研究，在信號(hào)處理和實(shí)時(shí)工控等領(lǐng)域，仍有積極的實(shí)際意 義。所謂優(yōu)化綜合，指的是實(shí)現(xiàn)電路較簡(jiǎn)潔；或是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)易確定，調(diào)試方便； 或是濾波器有確定的截止頻率解析式，有較好的精度。10 濾波器分為無源濾波器與有源濾波器兩種： 無源濾波器: 由電感 l、電容 c 及電阻 r 等無源元件組成 有源濾波器: 一般由集成運(yùn)放與 rc 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體

29、積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同 時(shí)，由于集成運(yùn)放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波 器還兼有放大與緩沖作用。利用有源濾波器可以突出有用頻率的信號(hào)，衰 減無用頻率的信號(hào)，抑制干擾和噪聲，以達(dá)到提高信噪比或選頻的目的， 因而有源濾波器被廣泛應(yīng)用于通信、測(cè)量及控制技術(shù)中的小信號(hào)處理。 從功能來上有源濾波器分為： 低通濾波器（lpf） 、高通濾波器（hpf） 、 帶通濾波器（bpf） 、帶阻濾波器（bef） 、 全通濾波器（apf） 。 其中前四種濾波器間互有聯(lián)系，lpf 與 hpf 間互為對(duì)偶關(guān)系。當(dāng) lpf 的通帶截止頻率高于 hpf 的通帶截止頻率時(shí)，將 lpf 與 hpf 相串聯(lián)，就構(gòu)

30、 成了 bpf，而 lpf 與 hpf 并聯(lián)，就構(gòu)成 bef。在實(shí)用電子電路中，還可能同 時(shí)采用幾種不同型式的濾波電路。濾波電路的主要性能指標(biāo)有通帶電壓放 大倍數(shù) avp、通帶截止頻率 fp 及阻尼系數(shù) q 等。12 工作原理： 二階有源濾波器是一種信號(hào)檢測(cè)及傳遞系統(tǒng)中常用的基本電路, 也是高階慮 波器的基本組成單元。常用二階有源低通濾波器的電路型式有壓控電壓源型、 無限增益多路反饋型和雙二次型。 二階濾波，是實(shí)現(xiàn)高階濾波網(wǎng)絡(luò)的積木塊。butterworth 濾波網(wǎng)絡(luò)，又稱 “最平坦幅頻特性” 濾波網(wǎng)絡(luò)。式(1)是二階 butterworth 歸一化濾波網(wǎng)絡(luò)的 傳遞函數(shù)： 式中 系統(tǒng)阻尼系數(shù)

31、0系統(tǒng)固有角頻率 當(dāng)時(shí)，稱為最佳阻尼系數(shù)，此時(shí)系統(tǒng)的幅頻特性也最為平 坦。顯然，二階 butterworth 傳遞函數(shù)是取得最佳阻尼系數(shù)的傳遞函數(shù)。 可求得其傳遞函數(shù)為： 電路阻尼系數(shù)： 電路阻尼系數(shù)是一個(gè)重要的參數(shù)，傳遞函數(shù)的兩個(gè)極點(diǎn)均由阻尼系數(shù) 所 表征，它對(duì)系統(tǒng)在整個(gè)頻域內(nèi)能否穩(wěn)定工作起著決定性的作用。阻尼系數(shù) 越 小，在 s 平面內(nèi)越靠近虛軸，系統(tǒng)越不穩(wěn)定。因此我們的任務(wù)是既要使阻尼系 數(shù)取得 0.707 的最佳值，又要使阻容參數(shù)選擇和調(diào)試方便，同時(shí)還要保證截止 頻率 f0有較規(guī)范的解析式。13 rc 有源濾波器的共同特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)潔，有簡(jiǎn)潔明了的頻率解析式，網(wǎng)絡(luò)參 數(shù)調(diào)試方便，且有較好

32、的精度，同時(shí)均通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，性能穩(wěn)定，電路噪聲小， 已在多種場(chǎng)合得以應(yīng)用。14 二、ne5532 芯片介紹 ne5532 芯片構(gòu)成濾波電路。 ne5532ne5532 功能特點(diǎn)簡(jiǎn)介功能特點(diǎn)簡(jiǎn)介: : ne5532/se5532/sa5532/ne5532a/se5532a/sa5532a 是一種雙運(yùn)放高性能低 噪聲運(yùn)算放大器。 相比較大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，如 1458，它顯示出更好的 噪聲性能，提高輸出驅(qū)動(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號(hào)和電源帶寬。這使該器件特別 適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備，儀器和控制電路和電話通道放大器。如果 噪音非常最重要的，因此建議使用 5532a 版，因?yàn)樗鼙ＷC噪聲電壓指標(biāo)

33、。14 ne5532ne5532 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 小信號(hào)帶寬：10mhz 輸出驅(qū)動(dòng)能力：600，10v 有效值 輸入噪聲電壓：5nv/hz(典型值) 直流 電壓增益：50000 交流電壓增益：2200-10khz 功率帶寬： 140khz 轉(zhuǎn)換速率： 9v/s 大的電源電壓范圍：3v-20v 單位增益補(bǔ)償 ne5532ne5532 引腳圖：引腳圖： 圖 9 ne5532 8 腳引腳 ne5532ne5532 內(nèi)部原理圖內(nèi)部原理圖: : 圖 10 5532 內(nèi)部電路圖 三、濾波電路設(shè)計(jì) 為了便于計(jì)算，我電容都使用 1000pf。對(duì)于 10khz 分量，電阻使用 10k 歐姆。 具體電路如下圖： 圖

34、 11 它由兩節(jié) rc 濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn) 放同相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號(hào) 頻率 ff0 時(shí)（f0 為截止頻率） ，電路的每級(jí) rc 電路的相移趨于-90，兩 級(jí) rc 電路的移相到-180，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時(shí)通 過電容 c 引到集成運(yùn)放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào) 的作用，使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特 性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號(hào)通過。其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗 低。16 傳輸函數(shù)為： )( )( )( i o sv sv sa 2 f

35、 f )()-(31scrscra a v v 令 稱為通帶增益 f0v aa 稱為等效品質(zhì)因數(shù) f 3 1 v a q 稱為特征角頻率 rc 1 c 則 2 c n 2 2 c0 )( s q s a sa 上式為二節(jié)低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式 注： 濾波電路才能穩(wěn)定工作。時(shí)，即當(dāng) 3 03 ff vv aa 對(duì)于 50khz 和 30khz 的分析計(jì)算方法相同，不再細(xì)述。 第五章 移相電路 一、移相技術(shù)簡(jiǎn)介 線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)在正弦信號(hào)激勵(lì)下，其響應(yīng)電壓、電流是與激勵(lì)信號(hào)同頻 率的正弦量，響應(yīng)與頻率的關(guān)系，即為頻率特性。它可用相量形式的網(wǎng)絡(luò)函數(shù) 來表示。在電氣工程與電子工程中，往往需要在

36、某確定頻率正弦激勵(lì)信號(hào)作用 下，獲得有一定幅值、輸出電壓相對(duì)于輸入電壓的相位差在一定范圍內(nèi)連續(xù)可 調(diào)的響應(yīng)（輸出）信號(hào)。這可通過調(diào)節(jié)電路元件參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，通常是采用 rc 移 相網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的 最簡(jiǎn)單的模擬電路移相是rc移相和lc移相，我們一般采用rc移相電路。 圖 12 用相量圖表示了簡(jiǎn)單串聯(lián)電路中電阻和電容兩端的電壓ur、uc和輸 入電壓u的關(guān)系，值得注意的是：相量法的適用范圍是正弦信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)， 并且在r、c的值都已固定的情況下，由于xc 的值是頻率的函數(shù)，因此，同一 電路對(duì)于不同頻率正弦信號(hào)的相量圖表示并不相同。在這里，同樣的移相電路 對(duì)不同頻率信號(hào)的移相角度是不會(huì)相同的，設(shè)計(jì)中一定要針

37、對(duì)特定的頻率進(jìn)行。 18 我們一般將rc與運(yùn)放聯(lián)系起來組成有源的移相電路，圖 13 是個(gè)典型的可 調(diào)移相電路，它實(shí)際上就是圖 1 中兩個(gè)移相電路的選擇疊加：在圖 12 兩個(gè)移相 電路之后各自增加了一個(gè)跟隨器，然后用一個(gè)電位器和一個(gè)加法器進(jìn)行選擇相 加。 如果用相量法來表示輸出量和輸入量的關(guān)系，我們可以得到圖 2 電路的兩 個(gè)方程： 222 222 2 2 222 1 1 1 1 1 cr rcjcr u u jh cr rcj u u jh i i c c ui uo r r ui uo ur uc u i 圖 12 簡(jiǎn)單的 rc 移相 圖 13 典型的有源 rc 移相電路 ui rw r3f

38、 r31 uo ic3 c r ic1 c r ic2 u1 u2 u3 這里我們可以將以上方程稱為用相量形式表示的傳遞函數(shù)或傳遞方程。 以上兩個(gè)傳遞方程實(shí)際上就是圖 1 兩個(gè)電路的傳遞方程，它們表示出了輸 出信號(hào)和輸入信號(hào)之間的關(guān)系，從相位來看，如果把輸入信號(hào)看成是在橫軸正 向的單位為 1 的信號(hào)，則傳遞方程的實(shí)部對(duì)應(yīng)著輸出信號(hào)所處的橫坐標(biāo)，虛部 則對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)所處的縱坐標(biāo)，由于以上傳遞方程的分母恒大于零，因此h1表 示經(jīng)過 ic1后的信號(hào)相位在第 4 象限（實(shí)部為正，虛部為負(fù)） ，而h2表示經(jīng)過 ic2后的信號(hào)相位在第 1 象限（實(shí)部為正，虛部也為正） 。至于移相的具體角度 則應(yīng)該是輸入頻

39、率的函數(shù)。18 對(duì)圖 和圖 電路，經(jīng)過兩個(gè)簡(jiǎn)單移相電路的相移角度分別是 1=arctg（-rc）和2=arctg（1/rc） 對(duì)于周期為 2rc的信號(hào)來說，角頻率 =1/rc，這時(shí)的移相角度分別為- 45和+45，在這種情況下，圖 2 電路的移相角度不會(huì)大于45，當(dāng)圖 2 電 路的電位器調(diào)到盡頭都達(dá)不到規(guī)定的移相角度時(shí)，可考慮改變電路參數(shù)或者改 變電路。 在不改變?cè)?shù)的情況下，一個(gè)很笨的方法可以這樣來做：如果圖 2 中 的移相角度在rw向下調(diào)節(jié)的過程中逐漸接近要求，但將rw的滑動(dòng)臂調(diào)到最下方 仍然達(dá)不到理想結(jié)果時(shí)，我們就可以去掉 ic1和 ic3,再在 ic2后面加一個(gè)同樣的 ic2電路，

40、只不過這時(shí)可以把電阻r換成可調(diào)電阻以改變移相的角度。 有人會(huì)把圖 2 中 ic1電路和 ic2電路說成是低通電路和高通電路，因?yàn)樵谟?源濾波器中，這兩個(gè)電路確實(shí)是起到了低通和高通的作用。但正如我們這里只 稱圖 1 中間的電路是基本的rc移相電路，而不說它是微分電路、耦合電路、隔 直電路、復(fù)位電路和高通電路一樣，我們這里主要利用了圖 2 電路的移相作用， 因此我們這里就只說它是移相電路。 實(shí)際上，很多有源濾波器都有移相作用，在有源濾波器中考慮的主要是電 路的幅頻特性，而我們這里更重視的是相頻特性。在得到電路的傳遞函數(shù)后， 我們可以直接用 j 代替原傳遞函數(shù)中的 s，這樣就得到用相量形式表示的傳

41、遞函數(shù)或稱傳遞方程。然后有理化分母，并分析傳遞方程的實(shí)部和虛部，從而 就可以得到移相的角度，具體的移相角度應(yīng)該是 = tg-1(傳遞方程虛部)/(傳遞方程實(shí)部) 注意第 1 象限和第 3 象限的相應(yīng)角度具有相同的正切值，同樣第 2 象限和 第 4 象限的相應(yīng)角度也有相同的正切值，因此在使用公式“ = tg-1(傳遞方 程虛部)/(傳遞方程實(shí)部)”之前，應(yīng)該首先分析輸出信號(hào)所在的象限。19 二、 移相電路設(shè)計(jì) 由于方波信號(hào)經(jīng)由濾波器濾波處理后，其相位會(huì)發(fā)生改變，并且不同的頻 率，經(jīng)過濾波器后的相位移動(dòng)不同，而題目要求合成的方波和三角波的諧波信 號(hào)與基波信號(hào)皆同相位，故要求制作的移相器的作用是使濾

42、波后的三路信號(hào)移 至同相位。本次設(shè)計(jì)的移相電路采用的是全通濾波器能改變即能改變相位也可 以不改變信號(hào)的幅值的原理，如圖 14 所示，通過改變的阻值可以實(shí)現(xiàn)相位 5 r 的移動(dòng)，將該電路多級(jí)串聯(lián)，可以增大相角移動(dòng)的范圍。20 圖 14 經(jīng)過示波器觀察，基波 10khz 正弦波與 30kh 正弦波相位相同，所以只需對(duì) 50khz 正弦波進(jìn)行相位調(diào)節(jié)。 第六章 放大及加法電路 由傅里葉級(jí)數(shù)可知基波，三次諧波，五次諧波的振幅比為 ， 5 1 : 3 1 :1: 503010 khzkhzkhz aaa 在進(jìn)入加法器之前，我們應(yīng)當(dāng)把它們峰峰值分別調(diào)整為 6v，2v，1.2v。 現(xiàn)有型號(hào) tl082cp，該運(yùn)放采用 dip8 的封裝形式，各引腳如圖 1。 2 3 1 84 u1a tl 082 6 5 7 48 u1b tl 082 圖 15 tl082 系列 dip8 封裝引腳圖 具體電路圖如下： r1 10k r2 51k r3 51k r4 10k r5 29 3 2 1 84 u1a tl 082 +12v -12v