信号波形发生与合成实验报告

电子电路综合实验

总结报告

题目：信号波形发生与合成

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日期：2015年3月12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r=50 ?;

o

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，通过稳压二极管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50 ?，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1

122

22ln(1)R T T T RC R =+=+

要求1f KHz =，选10C nF =，45.3R k =，1 5.1R k =，2 5.1R k =

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1 3。

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： 1.413OLP H =，0.707Q =

基波的频率为1KHZ ，所以电容的取值210C nF =。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147C nF =，18.2R k =，

2 4.7R k =，311R k =。

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：1OBP H =，6Q =

同理三次谐波的频率为3KHZ ，则电容的取值1210C C C nF ===，根据公式计算电阻值21163,32,0.45A B R k R k R k ===。

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Filter Solutions、Filter Wiz Pro、FilterCAD、FilterLab等，设计过程中采用TI公司的FilterPro Desktop。

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。

0121

2

(

)f f i i R R U U U R R =-+

，取标称值12 5.1f R R R k ===Ω，

12//// 1.7f R R R R k ==Ω。

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DS1102E

5.2 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。