信號處理電路的設(shè)計

PAGE第19頁南京師范大學(xué)中北學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）（2013屆）題目：信號處理電路的研究與設(shè)計專業(yè)：電子信息工程姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：職稱：教授填寫日期：2013-05-20南京師范大學(xué)中北學(xué)院教務(wù)處制摘要目前，信號產(chǎn)生與處理電路應(yīng)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(shè)備之中，都有正弦波振蕩器的應(yīng)用；在工程應(yīng)用中，例如在實驗用的低頻及高頻信號產(chǎn)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(shù)字系統(tǒng)的時鐘產(chǎn)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(yīng)用，如數(shù)字系統(tǒng)需要的特殊信號，如方波﹑三角波都可以通過非正弦波產(chǎn)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(yīng)用極為廣泛；濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。基于TL082CD，本設(shè)計介紹了正弦波信號的產(chǎn)生，以及基于555定時器構(gòu)成的多諧振蕩電路的探究與設(shè)計。同時也介紹了信號處理的相關(guān)內(nèi)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(shè)計。使用Multisim電路仿真軟件對其進(jìn)行仿真，用來驗證電路理論設(shè)計的正確性和可行性。關(guān)鍵詞：正弦波信號產(chǎn)生方波信號產(chǎn)生信號疊加二階有源濾波放大AbstractCurrently,thesignalgenerationandprocessingcircuitiswidelyused.Forexample,inthemeasurement,remotecontrol,communication,automaticcontrol,andultrasonicweldingandotherprocessingequipmentinto,hasasinewaveoscillatorisapplied;inengineeringapplications,forexampleintheexperimentwiththelowandhighfrequencysignalgeneratingcircuit,itisoftensine-waveoscillationfrequencyoftheoscillatorcircuithasacertaindegreeofstability,sometimesrequirestheoscillationfrequencyisverystable,astheradiocommunicationsystemoscillationcircuit,adigitalsystemclockgeneratingcircuit.Non-sinusoidalinsomeelectronicsystemshasbecomeincreasinglywiderangeofapplications,suchasdigitalsystemsrequireaspecialsignal,suchasasquarewavetrianglewave﹑areavailablethroughthenon-sinusoidalwavegeneratingcircuittoget.Inaddition,varioustypesoftelecommunicationsequipmentandcontrolsystems,thefilterwiderangeofapplications;filterwilldirectlydeterminethemeritsofproducts,sotheresearchandproductionofthefilterhasalwaysbeenvaluedbyallcountries.BasedTL082CD,thisdesignintroducesthesinewavesignalgeneration,andonthe555timerconsistingofmultivibratorcircuitinquiryanddesign.Alsointroducedthesignalprocessing,includingthesignalsuperpositionandsecond-orderactivefilteramplifiercircuitofinquiryanddesign.ItsuseMultisimcircuitsimulationsoftwaresimulation,circuittheoryisusedtoverifythecorrectnessandfeasibilityofthedesign.Keywords:SinewavesignalgeneratorSquarewavesignalgenerationSignalsuperimposedSecond-orderactivefilteramplifier目錄TOC\o"1-3"\h\u15517第一章緒論 497391.1課題的意義和應(yīng)用背景 4271221.2本課題的研究內(nèi)容 41301第二章信號處理電路的系統(tǒng)方案 522642.1系統(tǒng)方案介紹 584432.2系統(tǒng)框圖 517789第三章信號產(chǎn)生電路的分析及設(shè)計 6193633.1正弦波產(chǎn)生電路的分析及設(shè)計 6283813.1.1正弦波振蕩電路原理 6292153.1.2設(shè)計方案及比較 6142663.1.3正弦波產(chǎn)生電路的實現(xiàn)方案 6216393.2方波產(chǎn)生電路的分析及設(shè)計 9218133.2.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能 914043.2.2方波產(chǎn)生電路的實現(xiàn)方案 103620第四章信號處理 11221194.1求和電路 1127784.2濾波放大電路的設(shè)計與分析 12271344.2.1方案選擇 12108884.2.2二階RC有源帶通濾波器的設(shè)計 1353044.2.3二階RC有源帶通濾波器的性能參數(shù)及器件參數(shù)的選取 1416811第五章結(jié)果分析 1527513結(jié)束語 1517034致謝 1619605參考文獻(xiàn) 166827附錄 1624054附錄一信號處理的電路原理圖 1729921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(yīng)用背景在現(xiàn)代電子學(xué)中信號產(chǎn)生與處理應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其中信號產(chǎn)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(yīng)用廣泛，常常用作載波。非正弦波在數(shù)字系統(tǒng)中得到日益廣泛的應(yīng)用，如方波、三角波等。在電子電路設(shè)計中常常需要對產(chǎn)生的不同波形和頻率的信號進(jìn)行處理，例如濾除信號中的噪聲﹑干擾或?qū)⑿盘栠M(jìn)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(nèi)容設(shè)計制作能產(chǎn)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(chǎn)生，產(chǎn)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(chǎn)生的正弦波和方波疊加，并設(shè)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(chǎn)生電路正弦波產(chǎn)生電路求和疊加電路求和疊加電路二階有源濾波放大電路二階有源濾波放大電路方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路圖2-1系統(tǒng)框圖 第三章信號產(chǎn)生電路的分析及設(shè)計3.1正弦波產(chǎn)生電路的分析及設(shè)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(chǎn)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(zhì)是放大器引正反饋的結(jié)果。正弦波振蕩電路一般由放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋電路、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四部分組成。選頻網(wǎng)絡(luò)通常不是獨立存在，有時和正反饋網(wǎng)絡(luò)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(jīng)過放大后出現(xiàn)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(jīng)過選頻及正反饋網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(jīng)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(shè)計方案及比較正弦波振蕩電路的類型根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的組成元件可大致分為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(chǎn)生1Hz到1MHz范圍內(nèi)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(chǎn)生1MHz以上的高頻信號。對于產(chǎn)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(chǎn)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，振蕩波形沒有LC振蕩器那樣純，但RC網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成，可以產(chǎn)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(jù)本設(shè)計的設(shè)計要求，產(chǎn)生2kHz的正弦波，選用RC文氏橋式振蕩電路便能達(dá)到設(shè)計要求。3.1.3正弦波產(chǎn)生電路的實現(xiàn)方案圖3-1RC文氏橋式振蕩電路原理圖如圖3-1所示，RC串并聯(lián)構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，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(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，R4阻值取2k,R5、D1、D2構(gòu)成穩(wěn)幅電路，R4阻值取2k,調(diào)節(jié)R3可改變反饋系數(shù)，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(lián)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(dāng)上式分母中虛部系數(shù)為零時，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(dāng)或（3-4）幅頻響應(yīng)的幅值為最大，即而相頻響應(yīng)的相位角為零。起振條件：|A·F|≥1，A≥3，其中，A為放大電路的增益，F(xiàn)為反饋系數(shù)。圖3-1中兩個二極管的作用是起穩(wěn)定幅度的作用，利用二極管導(dǎo)通電阻的非線性可控制負(fù)反饋的強弱，從而控制放大器電壓放大倍數(shù)以達(dá)到穩(wěn)定幅度的目的。當(dāng)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(fù)反饋減弱，保證了起震時振幅增大；但當(dāng)振幅過大時，其正向電阻變小，負(fù)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(diào)節(jié)反饋的強度，以穩(wěn)定震幅。如：熱敏電阻，場效應(yīng)管等。電路仿真結(jié)果如圖3-2所示圖3-2正弦波輸出3.2方波產(chǎn)生電路的分析及設(shè)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(yīng)用，同時在生活中的數(shù)字設(shè)備、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域也有需求。方波信號是一種應(yīng)用極為廣泛的信號，它在科學(xué)研究、工程教育及生產(chǎn)實踐中的使用非常普遍。它通常作為為標(biāo)準(zhǔn)信號，應(yīng)用于電子電路的性能試驗或參數(shù)測量。另外，在許多測試儀中也需要用標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)實意義。本節(jié)設(shè)計是基于555定時器設(shè)計方波產(chǎn)生電路3.2.1555定時器的電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能圖3-3555定時器的電路結(jié)構(gòu)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(fù)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4.5～16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3～18V。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(dāng)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(yīng)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(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01μF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5kΩ的等值電阻串聯(lián)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1/3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(chǎn)生電路的實現(xiàn)方案圖3-4555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器用555定時器構(gòu)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(fù)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；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(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)I，此后，電路周而復(fù)始地產(chǎn)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(shù)。暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ的維持時間，即輸出Vo的正向脈沖寬度T1≈0.7(R1+R2)C；暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ的維持時間，即輸出Vo的負(fù)向脈沖寬度T2≈0.7R2C。

因此，振蕩周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振蕩頻率f=1/T。正向脈沖寬度T1與振蕩周期T之比稱矩形波的占空比Ｄ，由上述條件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，則D≈1/2，即輸出信號的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。方波電路輸出仿真結(jié)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(jù)虛短﹑虛斷的概念求得圖4-1電路圖的輸出表達(dá)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(chǎn)生的正弦波，Vi2為第三章產(chǎn)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(shè)計與分析4.2.1方案選擇濾波器是對輸入信號的頻率具有選擇性的一個二端口網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)可以由RLC元件或RC元件構(gòu)成無源濾波器，也可以由RC元件和有源器件（如集成運放）構(gòu)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(gòu)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(yīng)在要求的通帶內(nèi)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(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性。常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦響應(yīng)和切比雪夫等波動響應(yīng)，在不許帶內(nèi)有波動時，用巴特沃斯響應(yīng)較好，在給定帶內(nèi)所允許的紋波差，則用切比雪夫響應(yīng)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(yīng)的二階RC有源濾波器設(shè)計方案。具有巴特沃斯響應(yīng)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(dāng)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(diào)。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，但增益調(diào)節(jié)對其性能參數(shù)會有影響。為了使所設(shè)計的濾波器具有較好的增益可調(diào)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(jīng)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(jīng)過以上多方面的分析、比較，選出的方案為：設(shè)計一個具有巴特沃斯響應(yīng)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(shè)計帶通濾波器的原理是通過對電容、電阻參數(shù)的配置，使得模擬濾波器對頻率在通帶內(nèi)的頻率分量呈現(xiàn)很小的阻抗，而對頻帶外的頻率分量呈現(xiàn)很大的阻抗，這樣當(dāng)負(fù)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)，R26、C10組成高通網(wǎng)絡(luò)，兩者串聯(lián)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(fù)載很好的隔離開，三者構(gòu)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(xiàn)對濾出的信號的電壓進(jìn)行放大，通過改變R22、C13、R26、C10的值，可以調(diào)整帶通濾波電路的中心頻率，通過改變R23、R25的值可以調(diào)整帶通濾波電路的品質(zhì)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(shù)少，電路穩(wěn)定性好，增益可調(diào)等特點。4.2.3二階RC有源帶通濾波器的性能參數(shù)及器件參數(shù)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(zhì)因數(shù)，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(shè)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(jù)中心頻率選擇電容，因為中心頻率在1KHz至10KHz的范圍內(nèi)，因此選擇電容值為的電容。根據(jù)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μF）計算出電阻換標(biāo)系數(shù)K的大小，通過計算，K=5。再由參考資料《基礎(chǔ)電子電路設(shè)計與實踐》中的表4.5.5二階帶通濾波器（巴特沃斯響應(yīng)）設(shè)計表、濾波器參數(shù)和電阻換標(biāo)系數(shù)，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(zhuǎn)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(jié)果分析Multisim仿真電路的仿真結(jié)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(chǎn)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(shè)計相吻。但是存在相位差，其原因可能是由于運算放大器內(nèi)部存在