非正弦信号的分解与合成设计报告

非正弦周期信号的分解与合成设计报告

杨磊

（渭南师范学院物理与电气工程学院电子信息科学与技术2008级2班）摘要：本作品主要用于非正弦信号的分解与合成实验验证，电路主要由滤波电路模块、放大器模块、移相器模块和加法电路模块组成。将50Hz方波接至带通滤波器模块的输入端，再将各带通滤波器的输出信号接至示波器，观察各次谐波的频率和幅值，然后再将基波和各次谐波分量接至加法器进行合成，记录合成后的波形。

关键字：函数信号发生器带通滤波器加法器分解合成

前言

本设计的任务是使我们获得信号与系统分析方面的基本理论、基本知识和基本技能,培养我们分析问题和解决问题的能力,为深入学习通信、电子信息类专业有关课程及以后从事专业工作打下良好的基础。如何把抽象的数学语言和具体的物理概念与实际应用联系起来,也是学习中要解决的重要问题。让我们有机会尽早接触正弦波、方波等周期信号以及调幅波、调频波等调制信号,通过多观察、多测试、多分析,理论联系实际,举一反三,融会贯通,掌握观察、测试和分析信号与系统的基本方法,培养使用基本分析工具的能力。为此我们引入信号的分解与合成来解决这样的问题。从而有了我们这次的课题——信号波形合成。

1 方案的设计和论证

通过控制系统的要求可知，本系统是由函数信号发生器、带通滤波器、移相电路和加法电路四大模块组成。其中方函数信号发生器由据的采集用高精度的MAX038来实现，带通滤波器由LC并联谐振电路来实现，移相电路由RC移相电路实现，加法电路由高度集成运放TI公司生产的低噪声高精度运算放大器OP07来设计。系统结构框图如下：

图1 系统框图

1.1 方波信号发生器的设计

方案1：采用AT89S52的时钟信号，采用软件编程输出50Hz的方波信号。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

方案2：通过反相器，外加电阻和电容来产生频率可调，占空比可调的方波信号其有点电路简单，但是工作频率不稳定。

方案3：用MAX038精密、高频波形发生器来产生方波信号，电路结构简单，能产生0.1Hz～20MHz的方波信号，波形的频率和占空比可以由电流、电压或电阻

控制。MAX038构成的电路低失真、低漂移、外围元件少、可靠性和稳定性好，但相对于上面的方案而言，价格会稍高一点。

MAX038芯片介绍：

MAX038是MAXIM公司生产的一个只需要很少外部元件的精密高频波形产生器，在适当调整其外部控制条件时，它可以产生准确的高频方波、正弦波、三角波、锯齿波等信号，这些信号的峰峰值精确地固定在2V，频率从0.1Hz~20MHz连续可调，方波的占空比从10%~90%连续可调。通过MAX038的A0、A1引脚上电平的不同组合，可以选择不同的输出波形类型。

其性能特点如下：

(1) 0.1 Hz～20 MHz工作频率范围；

(2) 15％～85％可变的占空比；

(3) 低阻抗输出缓冲器：0.1；

(4) 低失真正弦波：0.75％；

(5) 低温度漂移：200 ppm／℃。

MAX038引脚排列如图所示

综合以上的分析可知，MAX038是波形发生器领域中的理想器件，因此选择方案三。

1.2 带通滤波器BPF的设计

方案1：采用无源滤波元件。由无源元器件（电阻、电容、电感）组合设计，利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类电路的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大。

方案2：由有源器件OPA842和无源元件RC组成的带通滤波电路。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽；缺点是：需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。从实际制作、调试方便考虑，这里采用方案一。

1.3 放大电路的设计

方案一：在引入加法器之前，我们应当把50Hz、150Hz、250Hz的峰峰值调整为6V，2V，1.2V。我们可以用TL082，TL082是一通用的J-FET双运算放大器其有较低的输入偏置电压和偏移电流；输出没有短路保护；输入级具有较高的输入阻抗；内建频率补偿电路；较高的压摆率。

1、TL082引脚功能：

2、内部框图：

方案二：利用TI公司的OP07、3091这两种集成运放做为放大电路的核心，根据放大倍数的不同，采用多级放大电路，适当调节放大倍数。

这里选用方案一。

1.4移相电路的选择

方案一：利用RC移相电路。RC移相电路主要是由电容的电流超前电压90度这一特性。RC滞后移相电路是电阻在前面，电容在后面。输入信号从电阻进入，输出信号是从电容上输出，其与电容并联，电压相等，所以输出电路的电压也滞后电流。同理，RC超前移相电路是电容器在前面，电阻在后面。可通过改变RC的值来改变移相的度数，相移在0°—90°之间变化。

方案二：使用数字移相技术实现。主要分为两类：一类为是运用直接数字式频率合成技术DDS；一类是先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。DDS技术的实现电路较为复杂；以D／A转换方式实现的移相，虽然所用元件少，但输出信号的频率难以细调，特别是移相的最小单位太大，只适合于对频率要求不高，且移相角度固定的场合。

考虑到电路制作、调试方便，这里选用方案一。

1.5 加法电路的选择

方案一：利用TI公司的低噪声高精度运算放大器OP07组成加法电路，在进行电压相加时，能保证各Vi 及 Vo间有公共的接地端。输出vo分别与各个 Vi间的比例系数仅仅取决于Rf与各输入回路的电阻之比，而与其它各路的电阻无关。因此，参数值的调整比较方便。

OP07低噪声高精度运算放大器OP07简介：

1特点：

1）低的输入噪声电压幅度-0.35uVpp(0.1Hz~10Hz)

2）极低的输入失调电压-10uV

3）极低的输入失调电压温漂-0.2uV/℃

4）具有长期的稳定性-0.2uV/M

5）低的输入偏置电流+lnA

6）高的共模输入电压范围+14V

7）宽的电源电压范围+3V~+22V

8）可替代725、108A、741、AD510等电路

2 应用简介

OP07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非