信號(hào)波形產(chǎn)生與濾波電路設(shè)計(jì)

1、 模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課題名稱：信號(hào)波形的產(chǎn)生與濾波電路專業(yè)班級(jí)：*學(xué)生姓名：*學(xué)生學(xué)號(hào)：*指導(dǎo)教師：韓焱青設(shè)計(jì)時(shí)間：2012年6月13日摘要 方波信號(hào)是一種應(yīng)用極為廣泛的信號(hào)，它在科學(xué)研究、工程教育及生產(chǎn)實(shí)踐中的使用也非常普遍。它通常作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，應(yīng)用于電子電路的性能試驗(yàn)或參數(shù)測(cè)量。另外，在許多測(cè)試儀中也需要標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)檢測(cè)一些物理量。方波產(chǎn)生電路可以由遲滯比較器和R、C基本回路構(gòu)成，也可以由555定時(shí)器加一些電阻、電容組成外圍電路構(gòu)成。 濾波電路也在電子電路中也有較大的應(yīng)用，例如人們往往要得到某種特定頻率的信號(hào)，而實(shí)際輸入的包含有各種頻率的信號(hào)，這時(shí)就要用到與之相對(duì)應(yīng)的濾波電路濾去不需要頻

2、率的信號(hào)，而保留人們想要頻率的信號(hào)。構(gòu)成濾波電路的有低通濾波、高通濾波及帶通濾波電路，本設(shè)計(jì)是基于二階帶通濾波電路的一個(gè)中心頻率為10KHZ的濾波電路。關(guān)鍵字:二階無(wú)線增益帶通濾波電路；中心頻率；遲滯比較器；Abstract Square wave signal is a kind of application of the signal, it is widely in scientific research, engineering education and the use of the production practice and is very popular. It is usu

3、ally used as standard signal, used in electronic circuit performance test or parameter measurement. In addition, in many tester are required in the standard square wave signal detection some physical quantities. Produced by square wave circuit can hysteresit comparator and R C, basic circuit structu

4、re, by 555 the timer add some resistance, capacitance of a peripheral device. Filter circuit is also in electronic circuits also have larger applications, such as people tend to get a specific frequency of the signal, but the actual input contains various frequency signal, would then use with the co

5、rresponding filter circuit to filter the frequency of the signal don't need and keep that people want to frequency signal. Constitute the filter circuit with low pass filter high-pass filter, and bandpass filter circuit, the design is based on second-order band-pass filter circuit of a center fr

6、equency for 10 KHZ filter circuit.Key words: Second order wireless gain bandpass filters circuit;Center frequency； hysteresit comparator;第一章 緒論1.1 設(shè)計(jì)目的由于在課堂上學(xué)習(xí)的都是一些純粹的理論知識(shí)，沒(méi)有在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，始終無(wú)法令人信服。本設(shè)計(jì)基于對(duì)濾波電路的基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)處理做了一個(gè)簡(jiǎn)單大設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)輸入一個(gè)方波時(shí)，輸出同頻率的正弦波，完成方波到正弦波的轉(zhuǎn)化，通過(guò)設(shè)計(jì)可以將所學(xué)的電子技術(shù)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際上，加深對(duì)濾波電路、方波產(chǎn)生電路的理解，鍛煉自己

7、的動(dòng)手能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容（1） 了解信號(hào)波形的產(chǎn)生于濾波電路的基本原理；（2） 完成信號(hào)波形的產(chǎn)生與濾波電路（設(shè)計(jì)并分析計(jì)算單元電路，對(duì)元器件進(jìn)行選型）；（3） 繪制信號(hào)波形的產(chǎn)生與濾波電路電路圖；（4） 組裝調(diào)試濾波電路；（5） 進(jìn)行實(shí)物檢查，設(shè)計(jì)答辯并完成設(shè)計(jì)報(bào)告；1.3 設(shè)計(jì)要求1、 在教師指導(dǎo)下完成信號(hào)波形的產(chǎn)生與濾波電路設(shè)計(jì)2、 組裝、調(diào)試信號(hào)波形的產(chǎn)生與濾波電路3、 按指導(dǎo)老師要求撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告，畫(huà)出完整的電路圖。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 方案的設(shè)計(jì)與選擇 （1） 方波產(chǎn)生電路 方案一：用MAX0832集成芯片產(chǎn)生所需的方波，可靠性好，穩(wěn)定性好，但經(jīng)濟(jì)很貴

8、。 方案二：用NE555集成芯片外接幾個(gè)電阻電容，雖經(jīng)濟(jì)比較合理但波形有可能失真，必須經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器整形十次產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)方波，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較麻煩。 方案三：用遲滯比較器外接R、C積分回路構(gòu)成多諧振蕩電路，由于設(shè)計(jì)和原理比較簡(jiǎn)單，雖然對(duì)于高頻來(lái)說(shuō)方波的前后沿不是很陡峭，但可以用轉(zhuǎn)換速率比較高的集成電壓比較器來(lái)代替運(yùn)放基本能達(dá)到要求。 為此我們組最終選擇了第三種方案，仿真效果還可以。（2） 雙電源產(chǎn)生電路 經(jīng)過(guò)查資料，對(duì)于直流電源的設(shè)計(jì)我們就給出了一種方案：220v交流電經(jīng)過(guò)三端輸出的變壓器后先經(jīng)過(guò)橋式整流電路得到脈動(dòng)直流，在經(jīng)過(guò)濾波電路得到波動(dòng)較小的紋波，最后接7812、7912（輸出5V時(shí)則換成7

9、805、7905）輸出正12V、5V,負(fù)12V、5V。（3） 濾波產(chǎn)生電路 方案一：由老師提供的在由二階無(wú)線增益帶通濾波器構(gòu)成的濾波電路,其中運(yùn)放為反相輸入，輸出端通過(guò)、形成兩條反饋回路，其優(yōu)點(diǎn)是電路具有倒相作用，使用元件較少，但增益調(diào)節(jié)對(duì)其性能參數(shù)會(huì)有影響，因此應(yīng)用范圍較小。 方案二:由一個(gè)二階的低通濾波電路和一個(gè)二階的高通濾波電路串聯(lián)構(gòu)成。 方案三：由電壓控制電壓源電路構(gòu)成的帶通濾波電路，其優(yōu)點(diǎn)是電路性能穩(wěn)定、增益容易調(diào)節(jié)。 在此我們選用第三種方案來(lái)設(shè)計(jì)電路。第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 方波產(chǎn)生電路模塊 （1）a 方案二電路原理圖 圖3.1 源圖像（a） b 原理555定時(shí)器內(nèi)部有部有兩個(gè)電壓

10、比較器、一個(gè)基本RS觸發(fā)器和一個(gè)集電極開(kāi)路的三極管組成。為了能讓555定時(shí)器產(chǎn)生脈沖，就得在外部電路上加一個(gè)RC充放電回路。在一個(gè)周期上給相應(yīng)端口輸入一定的電壓。就可以實(shí)現(xiàn)所達(dá)到的效果。c 周期 計(jì)算產(chǎn)生高低電平占空比的公式如下： ，即當(dāng)時(shí)，占空比為50% ，要產(chǎn)生頻率為10kHZ的方波，T=0.0001s=2*R*,=0.1uF,=72。（2）a 方案三的電路圖圖3.1 源圖像（b）b 設(shè)計(jì)說(shuō)明 集成電壓比較器比集成運(yùn)放放大器的開(kāi)環(huán)增益低、失調(diào)電壓大、共模抑制比小，因而它的靈敏度往往不如用集成運(yùn)放構(gòu)成的比較器高，但由于集成電壓比較器通常工作在兩種狀態(tài)（輸出為高電平或低電平），因此不需要頻率補(bǔ)

11、償電容，也就不存在像集成運(yùn)放那樣因頻率補(bǔ)償電容引起轉(zhuǎn)換速率受限。設(shè)計(jì)題目給出的LM324運(yùn)放只有在低頻的時(shí)候，方波效果比較好，但對(duì)于設(shè)計(jì)所要求的10KHZ的方波，頻率已很高了，這時(shí)產(chǎn)生的方波用multisim軟件仿真可以觀察到前后沿不陡峭，有點(diǎn)像正弦波，因此改換成了高速集成電壓比較器AD9631，后面仿真圖中會(huì)有二者的對(duì)比。c 設(shè)計(jì)原理該電路實(shí)際上就是在遲滯比較器的基礎(chǔ)上加了一個(gè)積分回路，遲滯比較器自身的特點(diǎn)有兩個(gè)閾值電壓+FVz和-FVz，再接通電源的瞬間，輸出電壓處于不定狀態(tài)，假設(shè)輸出電壓偏于正向飽和，即Vo=+Vz時(shí)，加到電壓比較器同相端得電壓為+FVz，而加于反相端的電壓，由于電容上的

12、電壓不能突變，只能由輸出電+FVz時(shí)，輸出電壓迅速翻轉(zhuǎn)到-Vz,-Vz又通過(guò)R3對(duì)C進(jìn)行反相充電，知道Vc略負(fù)于-Vz值時(shí)，輸出狀態(tài)再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)。如此循環(huán)不已，形成一系列的方波。3.2 直流電源模塊a 電路原理圖圖3.2 源圖像|b 設(shè)計(jì)原理首先交流店通過(guò)整流變壓器把220V的交流電變成12V的交流電，然后通過(guò)整流橋，將交流電變成直流，然后通過(guò)電容濾波，使電壓變得平穩(wěn)然后通過(guò)集成穩(wěn)壓芯片LM7805、LM7812、LM7905、LM7912，最后得到12V、5V的穩(wěn)定直流電壓。c 參數(shù)計(jì)算與元件選型 首先是變壓器的選擇，由于要把220V的交流電降到12V,所以應(yīng)選擇變比為18左右的3端或2端輸

13、出的變壓器，由于在Multisim軟件中沒(méi)有找到這樣的變壓器，所以暫時(shí)只能將輸入電壓改為150V。由于是整流橋，所以每只二極管鎖車(chē)感受的最大方向電壓： =*12=17V對(duì)于橋式整流電路，每只二極管的平均電流： < 1 (A)為此我選擇了1B4B42的整流橋，它能承受的最大反向電壓為100V>17V,額定電流為1A，都能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。整流之后的電壓=(1.1-1.2） ,為副邊電壓。RC濾波電路中，C的選擇應(yīng)適應(yīng)下式，即RC放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足：RC=(3-5）,式中T為輸入交流信號(hào)周期：R為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻，阻值一般較小。所以電容選擇為1000u，后面4個(gè)瓷片電容是為了更

14、好的濾去紋波。穩(wěn)壓的作用是將濾波電路輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓芯片后，輸出較穩(wěn)定的電壓，因此選擇7805、7905、7812、7912，是輸出穩(wěn)定在5V、12V。3.3 濾波電路模塊（1）a 方案三原理圖 圖3.3 源圖像ab 設(shè)計(jì)原理由遲滯比較器輸出的方波信號(hào)包含極豐富的諧波，即是由很多個(gè)頻率不同的正弦諧波疊加而成，從濾波電路中輸入時(shí)，其低次諧波和高次諧波都被濾去，只有頻率為10KHZ的正弦諧波被保留下來(lái)，沒(méi)有衰減，因此輸入為10KHZ的方波時(shí)輸出為同頻率的正弦波，10KHZ既是方波的頻率也是濾波電路的中心頻率。c 濾波器的性能參數(shù)濾波電路中性能參數(shù)有：中心角頻率或，在所有頻率中對(duì)應(yīng)的增益最大為；帶寬B

15、W=-或BW=-，其中稱為上解直角頻率，為下截止角頻率；品質(zhì)因數(shù)Q=或Q=,Q值越高，濾波器的選擇性越好，衰減速率越高，但Q值也不能太高，否則會(huì)使電路難以調(diào)整，一般取 較好。d 參數(shù)計(jì)算及元件選型 1，設(shè)計(jì)要求濾波器的中心頻率是10KHZ,即=10KHZ,先確定一個(gè)電容的標(biāo)稱值為0.002uF,由=5(公式中C的單位是uF）。 2，這里取Q=10，查表得Q=10時(shí)，得=2、K=1時(shí)的電阻值=，,。3，將上述電阻值乘以參數(shù)K=5，得,取標(biāo)稱值79.7K；,取標(biāo)稱值5.8；R2=,取標(biāo)稱值11.68,取標(biāo)稱值23.3。4，其用到的公式有： 或(BW遠(yuǎn)小于時(shí)） （2）方案一電路原理圖 圖3.3 源圖

16、像b3.4 系統(tǒng)總體的電路圖 圖3.4 源圖像此電路圖將方波產(chǎn)生電路，濾波電路，以及直流電源電路整合成一個(gè)總的電路圖，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。第四章 調(diào)試與仿真4.1 方波電路調(diào)試b 方案三用的是遲滯比較器構(gòu)成的電路，輸出波形如下： 圖4.1 源圖像b可以觀察出占空比也差不多是50%，其輸出波形比較方正，只是在邊沿部分有點(diǎn)紋波，不平穩(wěn)，但這是在誤差范圍之內(nèi)的。 下面是用頻率計(jì)測(cè)量其輸出頻率： 圖4.1 源圖像c仿真得出的結(jié)果與實(shí)際算出的結(jié)果10KHZ誤差不大，基本上符合要求。4.2 濾波電路調(diào)試這一部分主要是對(duì)輸出波形、中心頻率、帶寬BW、增益等要素進(jìn)行調(diào)試。a 輸出波形： 圖4.3 源圖像a 理論上是

17、方波輸入時(shí) ，正弦波輸出，但好像看起來(lái)有點(diǎn)像三角波輸出，不符合要求，可能與電路有關(guān)，電路還要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。b 輸出頻率： 圖4.3 源圖像 b頻率是滿足要求的。c 帶寬BW 圖4.3c 波特圖 由波特圖我們可以大致求出其通頻帶寬 ，由圖可知在9.836KHZ時(shí)，其增益是最大的，為4.555dB,也就是中頻增益，理論上是10KHZ,好在誤差不是很大，基本滿足要求。BW=，由3分貝帶寬的定義可知，當(dāng)增益降到1.555dB時(shí)對(duì)應(yīng)2個(gè)頻率分別就是上、下限截止頻率。 圖4.3d 源圖像 圖4.3e 源圖像 由以上2個(gè)圖可知 大致為8.07kHZ，大致為12kHZ，BW=12-8.027=3.93kHZ

18、，Q=2,5與理論值5也有誤差，因此要對(duì)參數(shù)做進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整?？偨Y(jié) 經(jīng)過(guò)幾個(gè)星期的艱苦奮戰(zhàn)，終于勉強(qiáng)完成了任務(wù)，雖然最后感覺(jué)有點(diǎn)累，特別是當(dāng)調(diào)試出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，心情很糟糕，比較急，現(xiàn)在體會(huì)到急也沒(méi)有用，只會(huì)讓事情變得更糟糕，出現(xiàn)問(wèn)題后要冷靜下來(lái)分析，到底問(wèn)題出在哪兒，要在大學(xué)期間就開(kāi)始培養(yǎng)自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，訓(xùn)練一種科學(xué)的解決問(wèn)題的思維，我個(gè)人覺(jué)得這才是最重要的，才是我在這次課程設(shè)計(jì)中最大的收獲和體會(huì)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程遇到了很多的困難和困惑最后通過(guò)不停的查資料和一遍遍的仿真和調(diào)試基本上使問(wèn)題得到解決，基本上達(dá)到了老師的要求，雖然過(guò)程看起來(lái)是艱苦的，但最后的結(jié)果是令人喜悅的。這次課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了自己動(dòng)手能力，掌握和鞏固了書(shū)本上的理論知識(shí)，綜合運(yùn)用了本專業(yè)的相關(guān)知識(shí)，對(duì)知識(shí)有了系統(tǒng)的重新認(rèn)識(shí)?？梢哉f(shuō)真正做到了理論與實(shí)踐相結(jié)合。這次課程設(shè)計(jì)的順利完成可以為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)、電賽甚至是以后的工作打下了基礎(chǔ)，而且我也深深體會(huì)到自己還有很多東西都不懂，需要我在以后的時(shí)間多花點(diǎn)時(shí)間給自己沖一下電，為未來(lái)的就業(yè)做好充分準(zhǔn)備。 還給我的一點(diǎn)體會(huì)是就是要多查資料，不論上網(wǎng)上的還是從書(shū)上獲得的資料，都是很有用的，因?yàn)樽约褐赖臇|西畢竟有限，要充分利用現(xiàn)有的資料，實(shí)行拿來(lái)主義，把別人研究出來(lái)的成果為我所用，我覺(jué)得這也是一種能力的體現(xiàn)，給你現(xiàn)有的