实验一--谐波分析实验
S参数和谐波平衡仿真分析 实验报告
实验报告课程名称： ADS射频电路设计基础与典型应用实验项目名称： S参数和谐波平衡仿真分析学院：工学院专业班级：11信息工程姓名：学号：1195111016指导教师：唐加能预习报告一、实验目的本节实验课程将通过给出一个放大器S参数仿真历程的原理图与谐波平衡仿真历程的原理图，并将其电路通过仿真来实现，从而帮助大家对这两种模型有进一步的理解与认识。
二、实验仪器PC，ADS仿真软件三、实验原理S参数仿真中各项需要用到的模型介绍（1）放大器模型Motorola_PAS参数仿真原理图SP1.dsn中的放大器是一个电路模型。
Motorola_PA是这个电路模型的符号。
图1 Motorola_PA 电路模型Motorola_PA符号有子电路，它的特性是由子电路来决定，查看子电路的具体步骤如下：在原理同SP1.dsn中，单击按钮，再单击Motorola_PA电路模型。
其中的Motorola_Mosfet_Model也有子电路，可以通过相同方法进入查看。
图2 Motorola_Mosfet_Model电路模型（2）终端负载Term在S参数仿真中，各个端口都要加载终端负载Term。
（在本次S参数仿真中，电路输入端口没有加源，而在输入端口采用终端负载Term。
）图3 Term电路模型（3）直流电压源在SP1.dsn原理图中，有两个直流电压源V_DC,他们给放大电路提供静态工作点。
图4 直流电压源的电路模型（4）S参数仿真控制器SP1,.dsn原理图中，S参数的仿真控制器S-PARAMETERS用于设置所用到的参数，双击可以进入设置界面图5 仿真控制器的电路模型图6 仿真控制器的设置界面其中部分参数按如下要求设置：扫描的起始值为：800MHz扫描的终止值为：900MHz扫描间隔为：1MHZ谐波平衡仿真各项需要用到的模型介绍BJT晶体管原理图中，BJT_NPN晶体管没有子电路，他的参数主要有电路旁边的晶体管模型BJT_Model设定。
SPWM多重化及其谐波分析1
2. PWM多重化（MPWM）（续）
2.2.2 数字仿真
三角载波频率 1kHz 直流调制比 0.7 单重与四重（n=4）比较
2.3 结论
PWM n 重化后，其输出波形 的等效载波频率为多重化前载 波频率的 n 倍，而在等效载频 上的谐波幅值降为多重化前载 波频率上谐波幅值的 1/n 。 PWM n 重化后，其谐波分布 只取 n 重化前谐波分布的 kn 次载频谐波，其余各次谐波均 降为零。
3. SPWM多重化（MSPWM）（续）
3.2.2 输出移相方式
调制频率、等效载频、等效载波比、及重数 n 均相同时， 与载波移相方式进行对照比较。
不易消除低次谐波。 当载波比 D 较小时，基波损失较大。 载波比 D 较大时，二者比较接近。
调制频率 fm=100Hz 等效载频 fec=4000Hz 等效载波比 De=40
1. 载波频率 fc=2000Hz 载波比 D=20 重数 n=2
1. 载波频率 fc=1000Hz
载波比 D=10 重数 n=4 2. 载波频率 fc=250Hz 载波比 D=2.5 重数 n=16
3. SPWM多重化（MSPWM）（续）
3.3 结论
载波比 D 较小时，载波移相方式明显优于输出移相方式。 载波比 D 较大时，二者比较接近。 载波移相方式：
3.1.2 输出移相方式
先产生一路 SPWM 波形 u1 n 重化时，使 u2，u3，…，un 依次滞后 1/n 个载波周期，与 u1 一 起构成一个 n 相对称系统。 多重化复合。 优缺点 控制电路结构简单， 可能易于实现。 不易消除低次谐波。 当载波比 D 较小时， 基波损失较大。
3. SPWM多重化（MSPWM）（续）
Uk ∝1 k,
谐波分析实验报告
谐波分析实验机15 权奇勋2011010562一.合成方波对于方波，n次谐波的表达式为：1sin nx,n=1,3,5......n1) 合成基波与三次谐波，幅值分别为1、1／3，相角均为0，（2）分别合成叠加5次、7次、9次谐波：叠加5次谐波叠加7次谐波叠加9次谐波通过观察波形，发现：叠加谐波次数越高，合成波形越趋近于方波。
（3）分别改变3、5次谐波与基波间的相角，研究谐波间相角改变对合成波形的影响将3次谐波的初相角改为-π/2将5次谐波的初相角改为-π/2分析结论：改变谐波与基波间的相角，会使合成波形与方波相比有较大的失真。
且改变相角的谐波次数越低，失真越大。
（4）分别改变3、5次谐波与基波间的幅值比例关系，研究谐波间幅值比例改变对合成波形的影响3次谐波幅值改为(1/3)×2=2/35次谐波幅值改为(1/5)×2=2/5分析结论：改变谐波的幅值，会使合成波形与方波相比产生失真；且幅值改变的倍率相同的情况下，改变谐波的次数越低，失真越大。
二.合成锯齿波（最高谐波次数选为9）对于锯齿波，n次谐波的表达式为：π1nx+p),n=1,2,3......1)合成波的形状与谐波次数的关系叠加2次谐波叠加4次谐波叠加9次谐波通过观察波形，发现：叠加谐波次数越高，合成波形越趋近于锯齿波。
（2）分别改变2、4次谐波与基波间的幅值比例关系2次谐波的幅值改为(1/2)×2=14次谐波的幅值改为(1/4×2)=1/2分析结论：改变谐波的幅值，会使合成波形与锯齿波相比产生失真；且幅值改变的倍率相同的情况下，改变谐波的次数越低，失真越大。
（3）分别改变2、4次谐波与基波间的相角2次谐波的初相角改为pi+pi/2=3pi/24次谐波的初相角改为pi+pi/2=3pi/2分析结论：改变谐波与基波间的相角，会使合成波形与锯齿波相比有较大的失真。
且改变相角的谐波次数越低，失真越大。
三.合成三角波（最高谐波次数选为9）对于三角波，n次谐波的表达式为：π×π1nx,n=1,3,5......1)合成波的形状与谐波次数的关系叠加3次谐波叠加5次谐波叠加9次谐波通过观察波形，发现：叠加谐波次数越高，合成波形越趋近于三角波。
谐波分析实验
b、将3次谐波的相角改为+π/2：
c、将5次谐波的相角改为-π/2：
d、将5次谐波的相角改为+π/2：
分析结论：改变谐波与基波的相角会使合成波形与理想状态相比有较大变形失真。
（4）改变3、5次谐波与基波幅值比例关系：
a、3次谐波幅值为1／18：
b、3次谐波幅值为2／9：
（3）锯齿波仅保留偶次谐波后输出波形图：
由波形图可见，此时输出的波的频率变为关闭奇次谐波之前的2倍，在本次实验中为4π。
分析结论：改变谐波与基波的相角会使合成波形与理想状态相比有较大变形失真。
（4）改变3、5次谐波与基波幅值比例关系：
a、3次谐波幅值为1／6：
b、3次谐波幅值为2／3：
c、5次谐波幅值为1／10：
d、5次谐波幅值为2／5：
分析结论：改变谐波的幅值会使合成波形产生失真。
可见与前述方波相比，锯齿波谐波幅值不变为1/n（反比例逐次减小），但包含有偶次谐波，且相角都为π。
方波：
锯齿波：
三角波：
三种波形的相频图（最高9次谐波）：
方波：
锯齿波：
三角波：
二、问题讨论
（1）由“一、1、（3）（4）”的分析结论可见，相角对波形影响大。对于“一、1、”中的方波，改变相角会使整个波形产生较大变形失真，但改变幅值只会对波峰波谷处的波形有较大影响。
（2）用正弦波表合成“一、3、”中三角波时，由三角变换关系可知此种情况下相角相对“一、1、”中方波为π/2（见下图），即三种波都用正弦波叠加而成时，若方波相角为0，则锯齿波相角为π，三角波为π/2。
c、5次谐波幅值为1／50：
d、5次谐波幅值为2／25：
分析结论：改变谐波的幅值会使合成波形产生较小失真。
谐波实验报告
实验一 谐波分析实验一、实验目的1）了解分解、合成非正弦周期信号的物理过程2）观察合成某一确定的周期信号时，所必须保持的合理的频率结构，正确的幅值比例和初始相位关系。
二、实验原理本实验主要运用傅立叶分解的方式对方波、锯齿波以及三角波进行分解与合成。
下面就对这三种波形的傅立叶分解原理进行介绍。
傅立叶分解原理对某一个非正弦周期信号X(t)（在有限区间上满足狄里赫利条件的函数），若其周期为T 、频率为f ，则可以分解为无穷项谐波之和。
即010100122()(cos sin )22sin()2sin(2)2n n n n n n n n n a n n x t a t b t T T a n A t T a A f t πππφπφ∞=∞=∞==++ =++ =++∑∑∑ 上式表明，各次谐波的频率分别是基波频率0f 的整数倍。
只要选择符合要求的不同频率成分和相应幅值比例及相位关系的谐波，便可近似地合成相应的方波、三角波等非正弦周期波形，以及任何在有限区间上满足狄里赫利条件的函数。
三、实验内容（一）方波1）方波的谐波分析，右图的一个方波(),022()0,2()()E T x t t T x t t T x t nT x t ⎧=≤≤⎪⎪⎪= ≤≤ ⎨⎪+=⎪⎪⎩进行谐波分析可知：00n a a ==/20/22()sin (1cos )2,1,3,5...0,2,4,6...T n T b x t n tdt T En n En n n ωπππ-= =-⎧ =⎪ =⎨⎪ =⎩⎰ 所以 000211()(sin sin 3sin 5...)35Ex t t t t ωωωπ=+++ 根据实验要求取基波的幅值为1，即212E E ππ=⇒=为了方便，可以取01ω=即方波可以展开成傅立叶级数为：11()(sin sin 3sin 5...)35x t t t t =+++2）合成方波根据讲义的讲解，编写以下程序实现功能要求 a 、一次谐波、三次谐波合成 x=0:4*pi/100:4*pi; y1=sin(x); y2=sin(3*x)/3;plot(x,y1,x,y2,x,y1+y2); grid onb 、一次谐波、三次谐波、五次谐波合成 x=0:4*pi/100:4*pi;y1=sin(x);y2=sin(3*x)/3;y3=sin(5*x)/5;plot(x,y1,x,y2,x,y3,x,y1+y2+y3);grid on之后的谐波合成类似，省略程序，得到的合成方波分别如图所示一次谐波、三次谐波、五次谐波、七次谐波合成方波一次谐波、三次谐波、五次谐波、七次谐波、九次谐波合成方波总结：方波可以通过谐波的叠加得到，叠加的谐波级次越高，方波的失真越小。
谐波特征及重构实验报告心得
谐波特征及重构实验报告心得
在进行谐波特征及重构实验的过程中，我深刻认识到了信号的频谱分析对于理解信号特性的重要性。
通过添加谐波成分，我们可以改变信号的频谱结构，进而观察信号的特征变化。
在实验开始之前，我对信号的频谱和谐波的概念有了一定的了解，但实际操作中仍然遇到了一些挑战。
在添加谐波成分时，需要确定合适的谐波频率和幅值，以确保实验结果的准确性。
同时，在观察信号重构时，需要注意信号幅值的对比和频谱的变化，以评估谐波重构的效果。
通过实验，我了解到不同谐波成分对信号频谱的影响，并体会到了一些重要的观察结果。
例如，加入基频的第一个谐波会使频谱中出现一个明显的峰值，频谱图像会变得更加丰富和复杂。
此外，在谐波重构中，我注意到如果谐波成分的幅值较小，那么信号的重构效果可能会有所减弱。
通过这次实验，我不仅学到了关于信号频谱分析的理论知识，还培养了实际操作和观察的能力。
这对于我今后深入研究信号处理和频谱分析等领域，具有很大的帮助和指导作用。
总的来说，谐波特征及重构实验是一项有意义且有趣的实验，通过这个实验，我更深入地了解了信号的频谱特性，对信号处理和频谱分析有了更全面的认识。
希望将来继续学习和探索这一领域，为科学研究和实际应用做出更多贡献。
谐波如何测试？
谐波如何测试？1.谐波测试两种主要方式有源RF和FEM的第二个关键属性是谐波行为。
谐波行为由非线性器件引起，会导致在比发射频率高数倍的频率下产生输出功率。
由于许多无线标准对带外辐射进行了严格的规定，所以工程师会通过测量谐波来评估RF或FEM是否违反了这些辐射要求。
测量谐波功率的具体方法通常取决于RF的预期用途。
对于通用RF等器件备来说，谐波测量需要使用连续波信号来激励DUT，并测量所生成的不同频率的谐波的功率。
相反，在测试无线手机或基站RF时，谐波测量一般需要调制激励信号。
另外，测量谐波功率通常需要特别注意信号的带宽特性。
1)使用连续波激励测量谐波使用连续波激励测量谐波需要使用信号发生器和信号分析仪。
对于激励信号，需要使用信号发生器生成具有所需输出功率和频率的连续波。
信号发生器生成激励信号后，信号分析仪在数倍于输入频率的频率下测量输出功率。
常见的谐波测量有三次谐波和五次谐波，分别在3倍和5倍的激励频率下进行测量。
RF信号分析仪提供了多种测量方法来测量谐波的输出功率。
一个直截了当的方法是将分析仪调至谐波的预期频率，并进行峰值搜索以找到谐波。
例如，如果要测量生成1GHz信号时的PA三次谐波，则三次谐波的频率就是3GHz。
测量谐波功率的另一种方法是使用信号分析仪的零展频（zero span）模式在时域中进行测量。
配置为零展频模式的信号分析仪可以有效地进行一系列功率带内测量，并将结果以时间的函数形式表现出来。
在此模式下，可以在时域上测量选通窗口中不同频率的功率，并使用信号分析仪内置的取平均功能进行计算。
2)使用调制激励的谐波实际上，许多PA被用来放大调制信号，而且这些PA的谐波性能需要调制激励。
与使用连续波类似，通常在接近设备饱和点的功率电平下，将已知功率激励信号发送到PA的输入端。
测量谐波输出功率时，工程师通常会根据测量时间和所需的准确度等不同限制条件而采用图通方法。
实际上，3GPP LTE和IEEE 802.11ac等无线标准并没有对谐波的要求进行具体的规定，而是规定了在一定频率范围内最大杂散辐射要求。
“电力电子技术”课程中的谐波分析
“电力电子技术”课程中的谐波分析作者：王楠来源：《中国电力教育》2013年第26期摘要：谐波分析在电力电子技术的应用中有着极其重要的意义，针对教学中谐波分析的难点，引入Simplorer仿真软件辅助教学，借助软件的快速傅里叶变换（FFT）工具和功率（POWER）工具，使得谐波分析变得具体且形象，并能实现电力电子电路在各种控制状态下的有功功率、无功功率和功率因数的计算。
关键词：谐波分析；FFT；Simplorer仿真；电力电子技术作者简介：王楠（1963-），女，上海人，上海理工大学光电信息与计算机工程学院，讲师。
（上海 200093）基金项目：本文系上海理工大学2012-2013年度重点课程建设基金项目研究成果。
中图分类号：642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）26-0046-03随着众多新型的电力电子器件的不断研发和电力电子技术的发展，电力电子装置的应用越来越广泛。
电力电子技术的应用已经深入到工业生产和社会生活的各个方面，成为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技术。
然而，电力电子装置的应用使生产、生活更加便捷、智能化的同时，由于电力电子装置在运行时的非线性，使得大量的谐波和无功功率注入电网，降低了电网的电能质量，危及电网设备的安全运行。
因此，谐波分析在“电力电子技术”课程及其实际应用中有着极其重要的意义。
上海理工大学光电信息与计算机工程学院（以下简称“本校”）的“电力电子技术”课程所选用的教材是机械工业出版社出版的王兆安老师主编的《电力电子技术》，其中整流电路、交流调压电路和PWM逆变电路等章节中都涉及谐波分析。
谐波分析采用的数学工具为傅里叶变换，数学推导复杂且抽象，成为教学过程中的一大难点。
为了解决这个教学难点，在教学中引入Simplorer仿真软件辅助教学，借助于Simplorer仿真软件中的快速傅里叶变换（FFT）工具，使得谐波分析变得具体且形象，使用功率（POWER）工具，可方便地完成电力电子电路在各种状态下的有功功率、无功功率和功率因数的计算。
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一、实验目的
1．了解电涡流传感器的结构、工作原理及应用；
2．了解电涡流传感器调频电路的特点，测试电涡流传感器变换特性。
二、实验装置及原理
1．装置
图2.1
2．原理
电涡流传感器是七十年代以后发展较快的一
种新型传感器。它广泛应用在位移振动监测、金
属材质鉴别、无损探伤等技术领域中。
涡流传感器通常由扁平环形线圈组成。在线
圈中通以高频（通常为2.5MHZ左右）电流，则
在线圈中产生高频交变磁场。当导电金属板接近
线圈时，交变磁场在板的表面层内产生感应电流
即涡流。涡电流又产生一个反方向的磁场，从而
减弱了线圈的原磁场，也就改变了原线圈的自感
量L、阻抗Z及Q值。线圈上述参数的变化在其
它条件不变的情况下仅是线圈与金属板之间距离 图2.2
实验一 谐波分析实验
（波形分解、合成不失真条件研究）
一、实验目的
1．了解分解、合成非正弦周期信号的物理过程。
2．观察合成某一确定的周期信号时，所必须保持的合理的频率结构，正确的幅值比例和初始相位关系。
二、实验原理
对某一个非正弦周期信号X（t），若其周期为T、频率为f，则可以分解为无穷项谐波之和。即
(1－1)
它们是怎样分离开的？线路中L1、L2、Cl、C2起什么作用？ 采用单芯电缆有什么好处？
3．传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，对频率输出有无影响？可
以试一下）为什么？加入金属板是否也无影响？
4．由所得数据绘制出曲线，分析不同测试对象的材质对涡流传感器使用上有何影响？
（铝材质与45#钢材质在范围及灵敏度上有何不同。）
3分别改变3次、5次谐波与基波间的相角，研究谐波间相角改变对合成波形的影响，并记录波形。
4分别改变3次、5次谐波与基波间的幅值比例关系，研究谐波间幅值比例改变对合成波形的影响，并记录波形。
2．合成锯齿波
参照合成方波的步骤（选择最高次谐波数不得低于9），研究各谐波间的幅值、相位关系，并与方波做比较，记录波形。
5．实验中所用传感器的可测量范围为多少毫米？一般的涡流传感器的测量范围是多少？
实验三 电动力式速度传感器的校准
一、实验目的
1．熟悉电动力式传感器的工作原理和应用范围；
2．了解传感器绝对校准法的原理；标定电动力式速度传感器的灵敏度、幅值线性度、
幅频特性、固有频率等。
二、实验装置及原理
1． 装置
图3.1
上式表明，各次谐波的频率分别是基波频率 的整数倍。如果f（t）是一个锯齿波，其波形如图1.1所示，则其数学表达式为：
对f（t）进行谐波分析可知
所以
即锯齿波可以分解成为基波的一次、二次…n次…无数项谐波之和，其幅值分别为基波幅
值的 ，且各次谐波之间初始相角差为零（基波幅值为 ）。反过来，用上述这些谐波可以合成为一个锯齿波。
并比较二者同异之处。
（2）波形合成的不失真条件是什么？实验中
如何保证？用什么方法观察调节？
（3）当锯齿波合成后，如果将1、3、5及7
次谐波关闭，仅保留偶次谐波，最后的输出波形
是什么样，该信号的频率为多少？
五、预习要求
1．认真阅读实验指示书及其讲课有关内容。
2．对将要合成的几种典型的非正弦周期信号（如锯齿波、方波、三角波）进行傅氏级数展开，确定出所含谐波分量及各高次谐波与基波之间的初始相位差和幅值比例关系(要求此项工作在课前完成)。
钢板
f(kHz)
铝板
表2－2
h(μm)
V(mv)钢板V(m)铝板四、实验报告要求
1．数据整理、分析误差及其原因。
2．实验中所遇问题的讨论。
3．回答思考题。
五、思考问题
1．前置器是如何产生高频振荡电压的？振荡频率主要是由哪些元件决定的？传感器
到前置器之间的电缆为2米，如增长1米，会有什么影响？
2．前置器到电源之间及到调频输出之间共用一根单芯电缆，其上传输着几种信号？
的单值函数。
实验中采用了测量线圈自感量L的调频电路，即把线圈作为谐振回路的一个电感元 件。当线圈与金属板之间距离h发生变化时，谐振回路的频率f也发生变化，再用鉴频器
将频率变化转换成电压变化输出。调频、调幅线路如图2.3。
三、实验内容及步骤
1．测量前置器输出频率f与距离h之间的关系；输出电压V与距离h之间的关系。
2．原理
新制造的电动力式传感器需要对其参数和性能进行标定，以便检查是否合乎设计要
求。另外，随着时间和周围环境的变化，使用中的传感器的参数也会有所变化，也需要进
行定期核准。
校准项目因传感器类型、使用条件、精度等各有所异，其中最重要的有灵敏度、幅值
线性度、频率响应函数等。
校准方法有绝对校准法和比较（相对）校准法两种。本实验采用的“绝对法”就是用高精度的仪器和装置产生并测量传感器的输入信号（如位移、振幅、速度、加速度或力等）， 改变输入信号频率就可测出传感器频率特性。该方法的特点是核准精度高，但设备复杂。
①被测金属板先采用45＃钢。转动微调机构或千分尺使金属板与传感器端面接触即
h＝ 0，记下相应的输出信号频率，然后改变 h并记下相应的输出频率 f的数值（取20
个值）于表2－1中。
图2.3
②改变h并记下相应的输出电压值于表2－2中。（取20个值）。
2．换上铝板重复1的步骤
表2－1
h(μm)
f(kHz)
3．合成三角波
参照合成方波的步骤（选择最高次谐波数不得低于9），研究各谐波间的幅值、相位关系，并与方波、锯齿波做比较，记录波形。
四、实验报告要求
1．记录下每一步骤下的不同波形，将谐波与合成波形用不同色彩绘在同一图上，并加以说明。
2．讨论以下问题
1在合成波形时，各次谐波间的相角关系与幅值比例关系，哪一个对合成波形的影响大？
2如果用正弦波去合成波形，在合成三角波时，三次谐波的相位与合成方波、锯齿波时的相位是否一样？
3在一般的常规应用中，对于100HZ的方波、锯齿波及三角波信号，你认为所应考虑的频段范围各应为多少？
3．回答下列思考题。
（1）如果将图1.1所示的锯齿波仅把坐标移
一下使之成为图1.3所示。试对其进行谐波分析，
同理，只要选择符合要求的不同频率成份和相应的幅值比例及相位关系的谐波，便可近似地合成相应的方波、三角波等非正弦周期波形。
三、实验内容及操作步骤
利用计算机及Excel、Matlab或其它应用软件完成下面的工作：
1．合成方波
1观察基波与三次谐波幅值分别为1、1/3，相位差为零时的合成波波形；
2再分别将5次、7次、9次…谐波叠加进去（各次谐波的幅值为1/n，注意各次谐波与基波间的相位关系），观察并记录合成波的波形，找出合成波的形状与谐波次数之间有何关系。