信號波形發(fā)生與合成實驗

創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日綱要之巴公井創(chuàng)始作創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日本系統(tǒng)主要以TL081A運放為核心，由方波發(fā)生器、濾波分頻電路、移相電路、加法器電路模塊構(gòu)成。實現(xiàn)了發(fā)生多個分歧頻次的正弦信號與鑒于多個正弦波合成方波信號的電路功能。系統(tǒng)基本工作過程為：1kHz方波信號經(jīng)過低通濾波器和帶通濾波器獲取按傅里葉級數(shù)睜開的1kHz基波正弦波信號和3kHz三次諧波正弦波信號。爾后將基波信號經(jīng)過移相電路使其相位調(diào)整到與三次諧波同樣，而后經(jīng)過加法電路將信號合成近似的方波信號。輸出波形結(jié)果注明，系統(tǒng)合成波形切合理論傅里葉剖析結(jié)果，比較準(zhǔn)確。正弦波及合成波的幅值測試偏差小于5%，切合題目要求。重點詞：方波發(fā)生器；傅里葉級數(shù)；分頻；濾波；移相一．整體方案設(shè)計及論證設(shè)計制作一個電路，能夠發(fā)生多個分歧頻次的正弦信號，并將這些信號再合成為近似方波信號。系統(tǒng)框圖以下列圖所示：詳細(xì)要求：1.2方案論證比較系統(tǒng)整體方案方波發(fā)生電路發(fā)生1kHz方波，對此中的基波和三次諧波重量進(jìn)行提取，1kHz基波可用截止頻次為1kHz的巴特沃斯低通濾波創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日器濾波獲取，3kHz諧波可用中心頻次設(shè)為3kHz的高Q值帶通濾波器濾波獲取。最后再經(jīng)相位調(diào)整從頭合成近似方波。本系統(tǒng)中的方波發(fā)生電路是實現(xiàn)后續(xù)各級電路功能的基礎(chǔ)，對頻率正確度和穩(wěn)固度的要求較高。方案一：555準(zhǔn)時器構(gòu)成的多諧振蕩器，直接調(diào)理至1KHz左右的對稱方波。此方案成本便宜，實現(xiàn)方便，但其穩(wěn)固性簡單遇到外面元件的影響，在振蕩頻次較高時頻次穩(wěn)固度不敷。方案二：使用石英晶振構(gòu)成高穩(wěn)固度的頻次參照源，并使用計數(shù)器和集成鎖相環(huán)芯片構(gòu)成分頻/倍頻環(huán)，以發(fā)生1KHz的方波。該方法發(fā)生的信號穩(wěn)固度高，但需要搭建石英晶體振蕩電路，并進(jìn)行鎖相環(huán)分頻、倍頻，電路較復(fù)雜。方案三：采納鑒于反相輸入的滯回比較器和RC電路的方波發(fā)生電路。該電路構(gòu)造簡單，性能穩(wěn)固，主要的限制要素在于比較器的速度。聯(lián)適合合的RC參數(shù)，可達(dá)到1KHZ的振蕩頻率。方案選擇：本系統(tǒng)采納方案三，此電路構(gòu)造簡單，發(fā)生的方波穩(wěn)固性較好。濾波電路的選擇本系統(tǒng)中所需正弦波均來自于方波信號，需使用低通濾波器和帶通濾波器。方案一：使用由LC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無源高階巴特沃斯濾波器。其通帶內(nèi)相應(yīng)最為平展，衰減特征和相位特征都很好，對器件的創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日要求也不高。但其在低頻范圍內(nèi)有體積重量大、價錢昂貴和衰減大等弊端。方案二：采納及時DSP數(shù)字濾波技術(shù)，數(shù)字信號靈巧性大，能夠在不增添硬件成本的基礎(chǔ)上對信號進(jìn)行有效的濾波，但要進(jìn)行濾波，需要A/D、D/A既有較高的變換速率，辦理器擁有較高的運算速度，成本高。方案三：以集成運放為核心的有源濾波電路，構(gòu)造簡單，所需元件少，成本低，且電路輸入阻抗高、輸出阻抗低，并有專門的設(shè)計軟件。方案選擇：選擇方案三作為系統(tǒng)的基波和三次諧波濾波方案。用集成運放TL081A和RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的二階有源濾波電路器的濾波器構(gòu)造清楚，幅頻響應(yīng)更靠近理想特征，截止頻次和增益能夠進(jìn)行充分調(diào)理，擁有較好的濾波成效，能夠發(fā)生非常理想的正弦波成效。移相電路對分頻濾波后的基波正弦信號進(jìn)行移相，使基波與三次諧波相位關(guān)系知足信號合成的需要。方案一：采納無源RC移相網(wǎng)絡(luò)。該方案電路簡單，能夠達(dá)成移相，可是經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)后信號有衰減，并且在調(diào)理相移的同時，信號的幅度也會發(fā)生更改，需要在后級再加入放大器進(jìn)行補償，增添了系統(tǒng)的復(fù)雜性。方案二：采納有源RC移相電路，經(jīng)過合理的設(shè)計，能夠達(dá)到信號的幅度增益恒定為1且相位可調(diào)的成效。創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日本系統(tǒng)中采納方案二進(jìn)行移相電路的設(shè)計。運用反相乞降運算電路。方波信號經(jīng)濾波和移相后，其輸出幅度將有分歧程度的衰減，合成前需要將各成分的信號幅度調(diào)整到規(guī)定比率，才華合成為新的合成信號。采納反向比利運算電路實現(xiàn)幅度調(diào)整，采納反向加法運算實現(xiàn)信號合成。二．理論剖析計算與電路仿真2.1系統(tǒng)原理框圖電路構(gòu)成及工作原理因為矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要構(gòu)成部分；因為發(fā)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動地互相變換，所以電路中一定引入反饋；因為輸出狀態(tài)應(yīng)按必定的時間間隔交替更改，即發(fā)生周期性更改，所以電路中要有延緩環(huán)節(jié)來切換每種狀態(tài)保持的時間。矩形波發(fā)生電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路構(gòu)成。RC回路既作為延緩環(huán)節(jié)，又作為反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過RC充放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動變換。振蕩周期經(jīng)過以上剖析可知，調(diào)整電壓比較器的電路參數(shù)R1和R2能夠改變Uc的幅值，調(diào)整電阻R1、R2、R3和電容C的數(shù)值能夠改變電路的振蕩頻次。而要調(diào)整輸出電壓Uo的振幅，則創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日要換穩(wěn)壓管以改變Uz，此時Uc的幅值也將隨之更改。仿真切現(xiàn)依據(jù)要求，矩形波發(fā)生電路發(fā)生1kHz的方波（占空比50％），方波幅度為5V，輸出阻抗為50Ω。依據(jù)仿真得方波發(fā)生電路發(fā)生方波峰峰值為12.5V，于是分壓R4=10kΩΩ。經(jīng)過跟從器電路以后獲取輸出方波電壓峰峰值為10V。仿真圖如下：電路構(gòu)成及工作原理濾波電路是一種能使實用信號經(jīng)過而克制無用頻次信號的電子裝置。工程上常常使用它來做辦理信號、數(shù)據(jù)傳遞和克制干擾等。而有源低通濾波器是同意低頻信號經(jīng)過而克制高頻信號的電路。本部分電路采納壓控電源型（VCVS）二階有源低通濾波器，VCVS采用同相輸入，其輸入阻抗很高，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)固、增益簡單調(diào)理。由FFT分解可知，方波可分解為一系列奇數(shù)的諧波構(gòu)成。詳細(xì)公式為：此中1，3次諧波是方波的主要成分，3次諧波是1次諧波的3倍頻程，所以要提取基波而將3次諧波有效濾除，這需要低通濾波器有足夠的衰減速度，采納二階巴特沃斯濾波器（基波頻次設(shè)定為截止頻次）可獲取較好的濾波成效。創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日由仿真切現(xiàn)獲取一階濾波頻次為985Hz，峰峰值為12.2V，偏差在5％以內(nèi)，切合要求。仿真切現(xiàn)電路構(gòu)成及工作原理帶通濾波器是一個同意特定頻段的波經(jīng)過同時障蔽其余頻段的設(shè)施。一個理想的濾波器應(yīng)當(dāng)有一個完整平展的通帶，比如在通帶內(nèi)沒有增益或許衰減，并且在通帶以外全部頻次都被完整衰減掉，此外，通帶外的變換在極小的頻次范圍達(dá)成。實質(zhì)上，其實不存在理想的帶通濾波器。濾波器其實不克不及夠?qū)⑾Ｍl次范圍外的全部頻次完整衰減掉往常，濾波器的設(shè)計盡量擔(dān)保滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計更為靠近。對比于無源濾波器，有源濾波器有很多長處：能夠按要求靈活設(shè)置增益，并且不論輸出端能否帶載，濾波特征不變，這也是有源濾波較無源濾波獲取更寬泛應(yīng)用的原由。仿真切現(xiàn)設(shè)計一個帶通濾波器，并經(jīng)Multisim仿真。中心頻次為3.01kHz，輸出信號波形無顯然失真，輸出電壓幅度峰峰值4.01V，幅度偏差小于5%。電路構(gòu)成及工作原理低通濾波器和帶通濾波器濾波獲取的兩路正弦信號的相位其實不克不及知足疊加成方波的同有關(guān)系，所以一定進(jìn)行相創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日位調(diào)整。因為模擬合成信號只有兩個，所以只要對此中的基波信號進(jìn)行調(diào)理即可。一階全通濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對特定頻次信號發(fā)生相移，而信號的幅值在濾波前后堅持不變，經(jīng)過改變電路參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信號在某一范圍內(nèi)的相移，相移電路以下列圖。仿真切現(xiàn)仿真結(jié)果以下所示：因為系統(tǒng)在前級對信號的幅度比率已調(diào)理適合且電路放大運算比率固定，不用在加法電路進(jìn)行輸入輸出信號的幅度調(diào)節(jié)，所以這里采納簡單的單個集成運放構(gòu)成加法電路就能夠很好的知足合成要求。加法電路相當(dāng)于輸入端有兩個電壓源，相應(yīng)的輸入電阻決定了每個電壓對電路的作用，而反應(yīng)電阻和輸入電阻的比率決定增益的大小。因R1=R2=R3,所以Uo=U1+U2。為防備靜態(tài)偏移，要將同樣端用電阻接地，接地電阻為R4=R1//R2//R3。設(shè)計電路圖以下列圖所示：創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日三．系統(tǒng)測試及剖析直流穩(wěn)壓電源HY1711-3S（1臺）信號源TFG3050L（1臺）示波器DS1102E（1臺）萬用表（1臺）測試方案說明使用直流穩(wěn)壓電源為各個電路模塊中的TL081ACP運放進(jìn)行±9V電壓供電，示波器雙蹤輸入察看信號波形，詳細(xì)測試步調(diào)以下：·焊接矩形波發(fā)生器電路發(fā)生1kHz方波信號，調(diào)整元件參數(shù)使輸出電壓幅度偏差小于5%；·焊接調(diào)試低通濾波器濾出獲取的基波正弦信號，使基波輸出電壓幅值偏差小于5%；·焊接調(diào)試帶通濾波器濾出獲取的三次諧波正弦信號，調(diào)整電阻參數(shù)使三次諧波輸出電壓幅值偏差小于5%，；·察看兩種正弦信號相位差，并依據(jù)實質(zhì)相位差調(diào)整移相電路設(shè)計（詳細(xì)參考移相電路），使兩路信號基本堅持同相；·將基波與三次諧波分別輸入加法器，察看輸出波形使其疊加成為近似方波，調(diào)整元件參數(shù)使輸出電壓幅度偏差小于5%；測試數(shù)據(jù)創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日矩形波發(fā)生器：低通濾波電路輸出的基波：帶通濾波器輸出的三次諧波：基波經(jīng)過移相電路：合成近似方波：測試模塊頻次頻次偏差幅度幅度偏差（峰峰值）方波發(fā)生器3.85%0低通濾波1.96%0電路帶通濾波0.8%2.0%電路加法器電路1.96%4.8%矩形波發(fā)生器發(fā)生的頻次為Hz、峰峰值為10.0V的方波經(jīng)濾波辦理后，能夠同時發(fā)生頻次為Hz和kHz的正弦波信號，其波形均無顯然失真，兩者峰峰值分別為1V、4.08V。由移相器和加法器構(gòu)成的信號合成電路，將發(fā)生的基波和三次諧波合成為近似方波。從測量的數(shù)據(jù)和波形能夠看出，本設(shè)計較好的實現(xiàn)了題目所要求的性能指標(biāo)。剖析從測量結(jié)果中能夠看出輸出頻次未完整知足要求，輸出幅度仍有可提高空間。調(diào)試過程集中在模擬電子電路部分。各模塊電路發(fā)生偏差的原由好多，一般來說，有以下幾點可致使實驗偏差的出現(xiàn)：運放的輸入偏置電流、失調(diào)電壓和失調(diào)電流及其創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日溫漂；電阻器的實質(zhì)阻值與標(biāo)稱值的偏差，以及元件參數(shù)遇到溫度影響而發(fā)生的更改。此外，電源和信號源的內(nèi)阻及電壓更改、環(huán)境擾亂和噪聲都會造成偏差。四．結(jié)論本設(shè)計主要敘述了方波信號發(fā)生與合成的工作原理和工作過程。在說明工作原理的過程中，突出了基本電路的構(gòu)成單元以及這些單元怎樣實現(xiàn)信號合成的功能。設(shè)計中碰到了好多實質(zhì)性的問題，同時也發(fā)現(xiàn)書籍中理論知識與在實質(zhì)運用有著必定的進(jìn)出，有些問題不但需要深入理解，并且要不斷地改正從前的錯誤思想。電路設(shè)計是一個很靈巧的東西，它反應(yīng)了一個人解決問題的邏輯思想和創(chuàng)新能力。這才是一個設(shè)計的靈魂所在。所以在整個設(shè)計過程中大多數(shù)時間是用在單元電路的理解和設(shè)計上邊。在實踐有一些條件限制以及因為元器件自己的特征而發(fā)生各種各種的偏差。所以，在設(shè)計時應(yīng)試慮到每一處細(xì)節(jié)，找出最適合的設(shè)計方法。也考證了侯老師的那句話：硬件不是調(diào)試出來的，是設(shè)計出來的。本次實驗過程中，有時機(jī)從頭回首模擬電子電路的原理和設(shè)計方法并且有了一些新的認(rèn)識。溫故而知新，能運用已學(xué)的知識解決我在設(shè)計中碰到的問題，使自己思慮問題的能力獲取了很大的提高。在做設(shè)計的過程中查閱了一些資料，經(jīng)過閱讀這些資料也使知識貯備量有所增添。經(jīng)過實踐自己也深刻認(rèn)識到關(guān)于理論知識的掌握缺少，各部分創(chuàng)作時間