信号波形合成实验

信号波形合成实验电路

实验报告

组员：于兴家、俞宝智、黄艳霞指导教师：赵娟老师

目录

一、系统设计................................................................ . (2)

1、设计任务 (2)

2、基本要求 (2)

3、发挥部分 (2)

二、方案论证 (3)

1、信号发生器电路 (4)

2、分频电路 (4)

3、滤波电路 (4)

4、移相电路.............. . (4)

5、加法电路 (5)

三、整体设计 (5)

原理图：整体方案设计 (5)

1、方波发生器的设计与实现 (5)

2、分频电路的设计与实现 (5)

3、电压跟随器 (6)

4、滤波电路的设计与实现 (7)

5、移向电路的设计与实现 (7)

6、合成电路的设计与实现 (8)

7、合成电路的设计与实现 (9)

四. 实验测试与结果分析 (10)

1、测试仪器与设备 (10)

2、整机标准 (10)

3、系统试验结果与分析 (10)

五、实物图片 (10)

一、系统设计

1、任务

设计制作一个电路，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和其他信号。电路示意图如图1所示：

图1 电路示意图

2、要求

1．基本要求

（1）方波振荡器的信号经分频与滤波处理，同时产生频率为10kHz和30kHz的正弦波信号，这两种信号应具有确定的相位关系；

（2）产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为6V和2V；

（3）制作一个由移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的10kHz和30kHz正弦波信号，作为基波和3次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为5V，合成波形的形状如图2所示。

图2 利用基波和3次谐波合成的近似方波

2．发挥部分

（1）再产生50kHz的正弦信号作为5次谐波，参与信号合成，使合成的波形更接近于方波；（2）根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号合成电路，将产生的10kHz、30kHz等各个正弦信号，合成一个近似的三角波形；

（3）设计制作一个能对各个正弦信号的幅度进行测量和数字显示的电路，测量误差不大于±5％；

（4）其他。

二、系统方案论证

1.1 方波发生电路方案

方案一：采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，然后根据需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，相位也不一致，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。

方案二：采用555振荡电路或函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。波形的频率可以通过调节555定时器电路的外接滑动变阻器来进行调节。该电路具有成本低廉，频率可调，电路灵活方便，结构简单，低功耗，输入阻抗高，上升沿陡等的特点，不用依靠单片机。但是经试验验证，555振荡产生的失真较大，所以放弃此方案。

方案三：由UA741集成运算放大器构成的方波信号发生器具有结构简单,调试方便，但它产生方波信号的可靠性差，易失真，稳定性差。

方案四：由CD4046芯片（CMOS锁相环电路）具有电源电压范围宽（3v至18v），输入阻抗高（为100M欧姆），动态功耗小，属微功耗器件等特点，构成的方波信号发生器，根据所接改变阻值大小即可改变方波输出范围。故采用此种方案，方便简单。

由CD4046构成的方波发生器

方案五：采用二级非门与晶振组合成形成正反馈电路产生正反振荡，其

中采用的 6MHZ 的晶振是起滤波作用。只有 6MHZ 频率的脉冲信号容易通

过该正反馈电路，其它频率的信号被抑制。故电路表现为只有 6MHZ 的方波

信号。该电路输出稳定，容易搭建。

1.2 分频电路设计方案

方案一：利用数字电路设计分频电路。通过计数器计数来实现，由待分频的时钟边沿触发集成计数器计数，当计数器到规定值时，输出时钟进行翻转，并给计数器一个复位信号，使得下一个时钟从零开始计数。以此循环下去。这种方法可以实现任意的整数分频电路，因操作方便，原理简单，选择方案一作为系统的分频方案。此次试验采用的为74LS161芯片。

方案二：使用编程方法实现分频电路。其原理与利用集成计数器相同，实现起来也十分简单，但分频得到的时钟可能会出现毛刺或不稳定的因素，适用于时钟要求不高的基本设计，且对于整数分频可以很容易地用计数器来实现，故不采用此方案。方案三：采用CD4017（5位johnson计数器）与CD4013进行计数，计数器在时钟上升时进行计数。

1.3 滤波电路设计方案

由分频电路产生的单极性方波需要经过窄带通滤波电路形成正弦波。其带通的范围很窄，要与各次谐波的频率接近。

方案一：使用由LC网络组成的无源高阶巴特沃斯滤波器。其通带内相应最为平坦，衰减特性和相位特性都很好，对器件的要求也不高。但其在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点。

方案二：采用实时DSP数字滤波技术，数字信号灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效的滤波，但要进行滤波，需要A/D、D/A既有较高的转换速率，处理器具有较高的运算速度，成本高。

方案三：以集成运放LM318为核心的有源滤波电路，结构简单，所需元件少，成本低，且电路输入阻抗高、输出阻抗低，但需要有专门的设计软件，所以不选择此方案。

方案四：运用RC滤波电路与同相比例放大电路构成的有源低通滤波器构成10k频率、30k频率的滤波。采用由RC滤波器与同相比例放大电路组成的低通滤波器与高通滤波器构成的有源带通滤波器构成50k频率滤波。因操作简单，所用元件简单容易获得，故采用此种方法。