信號處理電路的設計講解

1、南京師范大學中北學院畢 業(yè) 設 計（論 文）（ 2013 屆）題 目： 信號處理電路的研究與設計 專 業(yè)： 電子信息工程 姓 名： 學 號： 指導教師： 職 稱： 教授 填寫日期： 2013-05-20 南京師范大學中北學院教務處 制摘 要目前，信號產生與處理電路應用非常廣泛。例如，在測量、遙控、通信、自動控制、和超聲波電焊等加工設備之中，都有正弦波振蕩器的應用；在工程應用中，例如在實驗用的低頻及高頻信號產生電路中，往往要求正弦波震蕩電路的震蕩頻率有一定的穩(wěn)定度，有時要求震蕩頻率十分穩(wěn)定，如通訊系統(tǒng)中的射頻振蕩電路、數字系統(tǒng)的時鐘產生電路等。非正弦波在一些電子系統(tǒng)中有著日益廣泛的應用，如數字系

2、統(tǒng)需要的特殊信號，如方波三角波都可以通過非正弦波產生電路來得到。此外，在電信裝備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應用極為廣泛；濾波器的優(yōu)劣直接決定產品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產歷來為各國所重視。基于TL082CD，本設計介紹了正弦波信號的產生，以及基于555定時器構成的多諧振蕩電路的探究與設計。同時也介紹了信號處理的相關內容，其中包括信號的疊加和二階有源濾波放大電路的探究與設計。使用Multisim電路仿真軟件對其進行仿真，用來驗證電路理論設計的正確性和可行性。關鍵詞：正弦波信號產生 方波信號產生 信號疊加 二階有源濾波放大 Abstract Currently, the signal gen

3、eration and processing circuit is widely used. For example, in the measurement, remote control, communication, automatic control, and ultrasonic welding and other processing equipment into, has a sine wave oscillator is applied; in engineering applications, for example in the experiment with the low

4、 and high frequency signal generating circuit, it is often sine-wave oscillation frequency of the oscillator circuit has a certain degree of stability, sometimes requires the oscillation frequency is very stable, as the radio communication system oscillation circuit, a digital system clock generatin

5、g circuit. Non-sinusoidal in some electronic systems has become increasingly wide range of applications, such as digital systems require a special signal, such as a square wave triangle wave are available through the non-sinusoidal wave generating circuit to get. In addition, various types of teleco

6、mmunications equipment and control systems, the filter wide range of applications; filter will directly determine the merits of products, so the research and production of the filter has always been valued by all countries. Based TL082CD, this design introduces the sine wave signal generation, and o

7、n the 555 timer consisting of multivibrator circuit inquiry and design. Also introduced the signal processing, including the signal superposition and second-order active filter amplifier circuit of inquiry and design. Its use Multisim circuit simulation software simulation, circuit theory is used to

8、 verify the correctness and feasibility of the design.Key words: Sine wave signal generator Square wave signal generation Signal superimposed Second-order active filter amplifier 目 錄 第一章 緒論41.1 課題的意義和應用背景41.2 本課題的研究內容4第二章 信號處理電路的系統(tǒng)方案52.1系統(tǒng)方案介紹52.2系統(tǒng)框圖5第三章 信號產生電路的分析及設計63.1正弦波產生電路的分析及設計63.1.1正弦波振蕩電路原理

9、63.1.2設計方案及比較63.1.3正弦波產生電路的實現方案63.2方波產生電路的分析及設計93.2.1 555定時器的電路結構和邏輯功能93.2.2方波產生電路的實現方案10第四章 信號處理114.1 求和電路114.2 濾波放大電路的設計與分析124.2.1 方案選擇124.2.2二階RC有源帶通濾波器的設計134.2.3 二階RC有源帶通濾波器的性能參數及器件參數的選取14第五章 結果分析15結束語15致謝16參考文獻16附錄16附錄一 信號處理的電路原理圖17附錄二 信號處理的PCB電路圖18第一章 緒論1.1 課題的意義和應用背景 在現代電子學中信號產生與處理應用于各個領域，其中信

10、號產生可以分為正弦波振蕩電路與非正弦波振蕩電路，正弦波振蕩電路在通信廣播電視系統(tǒng)中應用廣泛，常常用作載波。非正弦波在數字系統(tǒng)中得到日益廣泛的應用，如方波、三角波等。在電子電路設計中常常需要對產生的不同波形和頻率的信號進行處理，例如濾除信號中的噪聲干擾或將信號進行合成以及將信號變換成容易處理、傳輸分析與識別的形式等，以便提取出有用信號。1.2 本課題的研究內容設計制作能產生兩個不同頻率（記為f1，f2），不同波形信號的電路，將這兩個信號合成得到另一個信號，將其通過濾波電路，使得頻率為f1的信號能夠通過，而頻率為f2的信號不能夠通過，還原出頻率為f1的信號并將其放大。第二章 信號處理電路的系統(tǒng)方案

11、 2.1系統(tǒng)方案介紹整個電路由兩大部分電路組成，第一部分為信號產生，產生一個頻率為2kHz正弦波和10Hz的方波。第二部分為信號處理，將產生的正弦波和方波疊加，并設計濾波電路，濾除疊加波中的方波而輸出正弦波。2.2系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。通過框圖，可以清晰的看出系統(tǒng)的各個模塊的功能。 正弦波產生電路 求和疊加電路 二階有源濾波放大電路 方波產生電路 圖2-1 系統(tǒng)框圖 第三章 信號產生電路的分析及設計3.1正弦波產生電路的分析及設計3.1.1正弦波振蕩電路原理正弦波振蕩電路是一個沒有輸入信號，依靠自激振蕩產生正弦波輸出信號的電路。正弦波振蕩電路也稱為正弦波振蕩器，其實質是放大器引正反饋

12、的結果。正弦波振蕩電路一般由放大電路、選頻網絡、正反饋電路、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四部分組成。選頻網絡通常不是獨立存在，有時和正反饋網絡合二為一，有時和放大電路合二為一。其基本原理如下：在直流電源閉合的瞬間，頻率豐富的干擾信號串入振蕩電路的輸入端，經過放大后出現在電路的輸出端，但是由于幅值很小而頻率又雜，不是所要求的信號。此信號再經過選頻及正反饋網絡把某一頻率信號篩選出來（而其他信號被抑制），再送回放大電路的輸入端，整個電路的回路增益應略大于1，這樣不斷循環(huán)放大，得到失真的輸出信號，最后經穩(wěn)幅環(huán)節(jié)可輸出一個頻率固定、幅值穩(wěn)定的正弦波信號。3.1.2設計方案及比較正弦波振蕩電路的類型根據選頻網絡的組成元件可大

13、致分為RC正弦波振蕩電路、LC正弦波振蕩電路、石英晶體正弦波振蕩電路三種。其中RC正弦波振蕩電路一般用來產生1Hz到1MHz范圍內的低頻信號，而LC和石英晶體正弦波振蕩電路則一般用來產生1MHz以上的高頻信號。對于產生高頻信號的LC正弦波振蕩電路，主要有變壓器耦合式LC振蕩器和三點式LC振蕩器兩大類。其中變壓器耦合式LC振蕩器又可分為共發(fā)射極LC振蕩器和共基極LC振蕩器；而三點式LC振蕩器又可分為電感三點式LC振蕩器和電容三點式LC振蕩器。而對于產生低頻信號的RC正弦波振蕩電路，主要有RC文氏橋振蕩電路和雙T型RC振蕩電路兩類。RC正弦波振蕩電路沒有LC正弦波振蕩電路那樣尖銳的選擇性，振蕩波形

14、沒有LC振蕩器那樣純，但RC網絡簡單、便宜。RC振蕩電路的振蕩頻率一般在200KHz以下，LC 振蕩電路的選頻電路由電感和電容構成，可以產生高頻振蕩(幾百千赫以上)。由于高頻運放價格較高，所以一般用分離元件組成放大電路。根據本設計的設計要求，產生2kHz的正弦波，選用RC文氏橋式振蕩電路便能達到設計要求。3.1.3正弦波產生電路的實現方案 圖3-1 RC文氏橋式振蕩電路原理圖如圖3-1所示，RC串并聯構成選頻網絡，其中R1與R2阻值相等，均為8k，C1與C2容值相等，均為0.01uF,R3和R4構成反饋網絡，R4阻值取2k,R5、D1、D2構成穩(wěn)幅電路，R4阻值取2k,調節(jié)R3可改變反饋系數，

15、從而改變放大電路的電壓增益滿足振蕩的幅度條件，二極管利用其穩(wěn)壓特性來限制輸出幅度，改善輸出波形，避免失真。由圖所示RC串并聯電路令 其中 R2=R1=R , C2=C1=C 令其中,為運放正相端的電壓，為運放的輸出電壓，則得 = (3-1)當上式分母中虛部系數為零時，RC串并聯網絡的相角為零。滿足這個條件的頻率可由式(3-1)求出：或 （3-2）將（3-2）代入（3-1）中有 （3-3） 由式（3-3）可知，當 或 （3-4） 幅頻響應的幅值為最大，即而相頻響應的相位角為零。 起振條件：|AF|1 ，A3，其中，A為放大電路的增益，F為反饋系數。 圖3-1中兩個二極管的作用是起穩(wěn)定幅度的作用，

16、利用二極管導通電阻的非線性可控制負反饋的強弱，從而控制放大器電壓放大倍數以達到穩(wěn)定幅度的目的。當震蕩剛建立時，振幅較小，流過二極管的電流也小，其正向電阻大，負反饋減弱，保證了起震時振幅增大；但當振幅過大時，其正向電阻變小，負反饋加深，保證了震幅的穩(wěn)定。也可以用其它的非線性元件來自動調節(jié)反饋的強度，以穩(wěn)定震幅。如：熱敏電阻，場效應管等。電路仿真結果如圖3-2所示 圖3-2正弦波輸出 3.2方波產生電路的分析及設計多諧振蕩方波發(fā)生器在各理工科實驗中具有廣泛的應用，同時在生活中的數字設備、家用電器、電子玩具等許多領域也有需求。方波信號是一種應用極為廣泛的信號，它在科學研究、工程教育及生產實踐中的使用

17、非常普遍。它通常作為為標準信號，應用于電子電路的性能試驗或參數測量。另外，在許多測試儀中也需要用標準的方波信號檢測一些物理量。所以研究多諧振蕩方波發(fā)生器具有非常重要的現實意義。本節(jié)設計是基于555定時器設計方波產生電路3.2.1 555定時器的電路結構和邏輯功能 圖3-3 555定時器的電路結構 由圖可知555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個部分組成。它的各個引腳功能如下：1腳：GND(或Vss)外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：VCC(或VDD)外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.516V，CMOS型時基電路VCC的范圍為318V

18、。一般情況下選用5V。 3腳：OUT（或Vo）輸出端。2腳：TR低觸發(fā)端。6腳：TH高觸發(fā)端。 4腳：R是直接清零端。當R端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。 5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。 7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。電阻分壓器由三個5k的等值電阻串聯而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端，比較器C2的參考電壓為1

19、/3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個結構相同的集成運放C1、C2組成。高電平觸發(fā)信號加在C1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號。基本RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。3.2.2方波產生電路的實現方案圖3-4 555定時器構成的多諧振蕩器用555定時器構成的多諧振蕩器電路如圖3-4所示：圖中電容C、電阻R1和R2作為振蕩器的定時元件，決定著輸出矩形波正、負脈沖的寬度。定時器的觸發(fā)輸入端（2腳）和閥值輸入端（6腳）與電容相連

20、；集電極開路輸出端（7腳）接R1、R2相連處，用以控制電容C的充、放電；外界控制輸入端（5腳）通過0.01uF電容接地。電路接通電源的瞬間，由于電容C來不及充電，V=0v，所以555定時器狀態(tài)為1，輸出Vo為高電平。同時，集電極輸出端（7腳）對地斷開，電源對電容C充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)I，此后，電路周而復始地產生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個暫穩(wěn)態(tài)的維持時間取決于RC充、放電回路的參數。暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，即輸出Vo的正向脈沖寬度T10.7(R1+R2)C；暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，即輸出Vo的負向脈沖寬度T20.7R2C。因此，振蕩周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振蕩頻率f=1/T。正向

21、脈沖寬度T1與振蕩周期T之比稱矩形波的占空比，由上述條件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2R1，則D1/2，即輸出信號的正負向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。方波電路輸出仿真結果如圖3-5所示圖3-5方波輸出第四章 信號處理4.1 求和電路圖4-1信號疊加電路根據虛短虛斷的概念求得圖4-1電路圖的輸出表達式為：V0=+ (4-1)由（1）可以看出該電路的功能是將信號Vi1和Vi2疊加為一個信號輸出，其中Vi1為第三章產生的正弦波，Vi2為第三章產生的方波。Vo輸出波形如圖4-2所示 圖4-2疊加電路輸出4.2 濾波放大電路的設計與分析4.2.1 方案選擇濾波器是對輸入信號的頻率具

22、有選擇性的一個二端口網絡，它允許某些頻率（通常是某個頻率范圍）的信號通過，而其它頻率的信號幅值均要受到衰減或者抑制。這些網絡可以由RLC元件或RC元件構成無源濾波器，也可以由RC元件和有源器件（如集成運放）構成有源濾波器。由集成運放、R、C組成的有源濾波有不用電感、體積小、重量輕的特點，此外，由于集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，構成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用，因此本次實驗選擇有源濾波器。一個理想的濾波器應在要求的通帶內具有均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶以外則具有無窮大的衰減。然而實際的帶通濾波器距此有一定的差距，為此采用各種函數來逼近理想濾波器的頻率特性。常用

23、的逼近方法是巴特沃斯最大平坦響應和切比雪夫等波動響應，在不許帶內有波動時，用巴特沃斯響應較好，在給定帶內所允許的紋波差，則用切比雪夫響應比較好。為了獲得比較穩(wěn)定的信號，選擇具有巴特沃斯響應的二階RC有源濾波器設計方案。具有巴特沃斯響應的二階RC帶通濾波器的常用電路有電壓控制電壓源電路和無限增益多路反饋電路。電壓控制電壓源電路中的運放為同相輸入，輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當于一個電壓源，故稱電壓控制電壓源電路，其優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定，增益易調。而無限增益多路反饋電路的中的運放為反相輸入，輸出端通過電容和電阻形成兩條反饋支路，故稱無限增益多路反饋電路，其優(yōu)點是電路有倒相作用，使用元件較少，

24、但增益調節(jié)對其性能參數會有影響。為了使所設計的濾波器具有較好的增益可調性，選擇電壓控制電壓源電路。又由于本濾波器的作用是為了提取圖4-2V0中的正弦信號，經過傅里葉分析知，方波的頻譜分布非常廣泛，幾乎包含整個頻帶范圍。而正弦波的頻譜分布較為集中，主要集中在正弦波的中心頻率上。經過以上多方面的分析、比較，選出的方案為：設計一個具有巴特沃斯響應的二階RC有源帶通濾波電路。使得有源帶通濾波器的通帶包含正弦波的中心頻率，這樣便可有效的提取出正弦信號。4.2.2二階RC有源帶通濾波器的設計帶通濾波器的原理是通過對電容、電阻參數的配置，使得模擬濾波器對頻率在通帶內的頻率分量呈現很小的阻抗，而對頻帶外的頻率

25、分量呈現很大的阻抗，這樣當負載電流信號通過該模擬帶通濾波器的時候就可以把通帶內的信號提取出來，把通帶外的信號去除。 圖4-3二階有源濾波電路圖4-3所示電路為二階有源帶通濾波電路，圖中R22、C13組成低通網絡，R26、C10組成高通網絡，兩者串聯就組成了無源帶通濾波電路，圖中在帶通電路的輸出端再加上一個電壓跟隨器，使之與負載很好的隔離開，三者構成了一個簡單的二階有源帶通濾波電路，由于電壓跟隨器的輸入阻抗很高、輸出阻抗很低、并且有電壓放大功能的特性，將其改為同相比例放大電路如原理圖4-3中所示的接法即可實現對濾出的信號的電壓進行放大，通過改變R22、C13、R26、C10的值，可以調整帶通濾波

26、電路的中心頻率，通過改變R23、R25的值可以調整帶通濾波電路的品質因素、增益和帶寬。原理圖4-3所示電路有：電路簡單，元件參數少，電路穩(wěn)定性好，增益可調等特點。4.2.3 二階RC有源帶通濾波器的性能參數及器件參數的選取同相比例放大電路的電壓增益就是帶阻濾波器的通帶電壓增益，即AUF=AVF=1+。帶通濾波器的中心角頻率。帶通濾波器的帶寬：BW=fp2-fp1=2(2-AUF)f品質因數，它的大小影響帶阻濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。Q=。本次帶通濾波器設計的目的是將中心頻率為2KHz的正弦信號從正弦波與方波的疊加波中提取出來。故帶通濾波器的中心頻率為2KHz。根據中心頻率選擇電容，因為

27、中心頻率在1KHz至10KHz的范圍內，因此選擇電容值為的電容。根據所選的實際電容值以及公式K=（其中的單位為Hz；C的單位為F）計算出電阻換標系數K的大小，通過計算，K=5。再由參考資料基礎電子電路設計與實踐中的表4.5.5 二階帶通濾波器（巴特沃斯響應）設計表、濾波器參數和電阻換標系數，選擇電阻，如圖4-3所示。 最后，選擇的集成運算放大器為TL082CD。TL082CD的功能介紹為：TL082CD芯片具有高輸入阻抗，低輸入偏置電流，諧波失真0.003%，增益帶寬積3MHz，開環(huán)增益106Db，轉換速率13V/us。綜合考慮集成運算放大器TL082CD芯片的各方面特性，其正好符合有源帶通濾

28、波電路所需要的功能，故選擇它作為電路中的同相比例放大電路。第五章 結果分析Multisim仿真電路的仿真結果如圖5-1所示 圖5-1 濾波輸出信號圖中紅色的正弦波為正弦波振蕩電路產生的波形，綠色的正弦波為濾波器從正弦波和方波疊加波中提取出來的波形，從圖5-1可以看出兩個波形的頻率大致相等，幅度放大了近一倍，與設計相吻。但是存在相位差，其原因可能是由于運算放大器內部存在的延時。若要消除相位差，可以在電路的輸出端添加移項電路。結束語通過本課題的探究與設計，對大學中學到的許多專業(yè)知識和專業(yè)技能有了更深刻和全面的理解、體會。從一開始課題的選定、整體方案的確定，到最終電路功能的實現，中間經歷了很多困難，在王老師指導下和自己努力下，終于有所收獲。在前期的理論學習中，我在圖書館查閱相關書籍，以及在網絡上查找相關資料。當理論