信的產(chǎn)生分解與合成

1、電子實驗報告東南大學電工電子實驗中心實驗報告課程名稱：電子線路實踐第七次實驗實驗名稱：信號的產(chǎn)生、分解與合成院(系)：電子科學與工程學院專業(yè)：姓名：姜勖學號：06A11315實驗室:104實驗組別：27同組人員：徐媛媛實驗時間：年月日評定成績：審閱教師：實驗四信號的產(chǎn)生、分解與合成一、實驗內(nèi)容及要求設計并安裝一個電路使之能夠產(chǎn)生方波，并從方波中分離出主要諧波，再將這些諧波合成為原始信號或其他周期信號。1. 基本要求(1) 設計一個方波發(fā)生器，要求其頻率為1kHz，幅度為5V；(2) 設計合適的濾波器，從方波中提取出基波和3次諧波；(3) 設計一個加法器電路，將基波和3次諧波信號按一定規(guī)律相加，

2、將合成后的信號與原始信號比較，分析它們的區(qū)別及原因。2. 提高要求設計5次諧波濾波器或設計移相電路，調(diào)整各次諧波的幅度和相位，將合成后的信號與原始信號比較，并與基本要求部分作對比，分析它們的區(qū)別及原因。3. 創(chuàng)新要求用類似方式合成其他周期信號，如三角波、鋸齒波等。分析項目的功能與性能指標：功能：通過振蕩電路產(chǎn)生一個方波，并將其通過濾波得到1、3、5次諧波，最后通過加法電路合成新的波形。性能指標：（1）方波：頻率lKHz，幅度5V。（2）濾波器：基礎要求從方波中提取基波和三次諧波，提高要求提取五次諧波。（3）移相電路：通過移相電路調(diào)節(jié)濾出來的1、3、5次諧波相位，使得其與原方波相位差近似為0。（

3、4）加法器電路：將基波和3次諧波和5次諧波信號按一定規(guī)律相加。1、信號的產(chǎn)生通過震蕩電路產(chǎn)生1kHz，幅度為5V的方波信號。2、濾波器的設計根據(jù)方波的傅里葉展開式:可知原信號分解只包含奇次諧波分量。因此設計不同中心頻率的帶通濾波器，可將各次諧波濾出。3、相位校正電路由于濾波器用到了對不同頻率有不同響應的儲能元件，對于濾除的波形會產(chǎn)生附加相位。若要讓各次諧波疊加出原有信號，必須調(diào)節(jié)其相位使之同相。用全通濾波器可在不影響相對幅度的前提下改變相位。4、加法電路將濾除的基波、3次諧波、5次諧波相加，得到近似的方波信號。對于濾波器對不同頻率分量不成比例的衰減，可在加法電路中選擇合適的比例給予響應的補償。

4、二、電路設計（預習要求）（1）電路設計思想（請將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求分別表述）：1、信號發(fā)生電路：利用運放和RC回路構(gòu)成振蕩電路，通過分別調(diào)節(jié)正反向RC回路的時間常數(shù)和運放同相輸入端的參考電壓來調(diào)節(jié)震蕩電路的頻率以及占空比。用一對穩(wěn)壓二極管限制輸出電壓幅度，并對穩(wěn)壓管導通壓降進行一定的補償。2、有源帶通濾波器：根據(jù)實驗要求，設計有源帶通濾波器，將所需頻率的信號以盡量小的衰減輸出，同時對其它頻率有非常大的衰減。因此需要增加濾波器的階數(shù)。初步選擇采用二階有源帶通濾波器，通過理論計算，調(diào)節(jié)其中一個電阻來改變中心頻率。根據(jù)實際搭出的電路效果，可嘗試使用四階有源帶通濾波器，以求獲得更好的濾波效果

5、。3、相移電路：由于濾波器難免對濾出的諧波分量產(chǎn)生附加相位，需要在選頻電路之后加一全通網(wǎng)絡校正相位，抵消相位差。移向電路有兩種，分為正向移向和反向移向。4、加法電路將所得到的各次諧波分量疊加，得到近似的方波。同時，加法電路可對濾波對原信號分量的衰減進行補償。（2）電路結(jié)構(gòu)框圖（請將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求分別畫出）：基礎要求：因基礎要求與提高要求相比，除缺少5次濾波與移相電路外，其余部分均相同，其結(jié)構(gòu)框圖已包含在提高要求的框圖中，故不單獨列出。提高要求：（3）電路原理圖（各單元電路結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)計算和元器件選擇說明）：R1AMr-J1Q0k£lC11Q0nF:調(diào)節(jié)占空土時L

6、igiH4.55k分工：徐媛媛（濾波電路的設計、搭建和調(diào)試）；姜勖（方波產(chǎn)生、相移及加法電路設計搭建和調(diào)試）方波振蕩及鑒幅電路：采用遲滯比較及RC反饋回路以及比較器鑒幅電路，總電路圖如下：設從輸出端的對輸入端的負反饋電阻分別為R和R，則前部分方波的WX調(diào)到30%R2一W'L1001vcc廠f1：f2振蕩周期為T二RCln（l+2R真尺刑（1+瘵蘇|通過電位器分別調(diào)節(jié)的阻值使方波的頻率為1kHz|占空比為50%叫訕務占發(fā)|在輸出方波時跳變沿斜率較低訶下團所芝JL1k£lA殳_15Vi-R>u-f2VEER410k£4iKeyAR510kD40%Key=AflKe

7、y=AR1CR和調(diào)到100%XSC1t二Key=A<iknVL_在振蕩電路后追加高壓擺率的LM311構(gòu)成的鑒幅比較電路',對波形進行修正*正效果如下圖所示。同時，為了防止鑒幅已電路輸入過大，在級聯(lián)處喊對信號予以衰減；另外，為了補償穩(wěn)壓管正向?qū)▔航翟斐傻妮敵鲭妷捍笥赺5V的情況本來想用LM311直接構(gòu)成RC方波振蕩電路的，但或許是因為上拉電阻的影響，電路輸出的方波的占空比總不為50%且偏差較大，故仍采用741作為振蕩電路的運放。LM311構(gòu)成振蕩電路的輸出波形如下所示，可以發(fā)現(xiàn)，占空比明顯不為50%。，在輸出端再對信號進行一定的可調(diào)衰減。丄3帶通濾波器：使用TI公司的Filter

8、ProDT設計有源帶通濾波器，基本電路圖如下：因該軟件使用的并非標準電阻，所以實際應用的時候?qū)⒆柚到茷闃藴孰娮韬罂赡軙V波效果造成很大影響。若將三個電阻均改為電位器進行調(diào)節(jié)則難度極大，因此進一步計算其傳遞函數(shù)進行分析。傳遞函數(shù)：H(s)=sRC21_Rs2CCRR+s(C+C)R+1+_L1212121R取s=j®，求解h(j®)l=0得取得最大增益時的角頻率d®1R1+_LR3CCRR1212實際試驗中，取R>>R,C二C二C，貝U：1312當R二80kO，R二160kO，C二C二10nF時，對于不同的R取值，理論值如下:12123R二80k0，

9、1R二63.40，3格對比可心頻率是R值不是3中心頻率受受R影響要大得多。而且R阻值為幾十千歐，選用的標準電阻與設計中的理論阻值相差不大,因此R選為標準電阻對中心頻率基本沒有影響。由此可見，R不宜用標準化參數(shù)的23電阻，選用電位器調(diào)節(jié)更為合適。從上面的分析可知，固定C、C、R，調(diào)節(jié)R改變通頻帶中心頻率。1223實際調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，即使將R改為電位器調(diào)節(jié)，濾得的波形雖然頻率大概符合要3求，但存在高低不齊的問題。因此選擇采用有源四階帶通濾波器?；倦娐穲D如下：與以上分析相似，可知R是調(diào)節(jié)通頻帶中心頻率的關(guān)鍵，不宜用標準化參數(shù)的3電阻，選用電位器調(diào)節(jié)更為合適。實際操作中，將第一級濾波電路的R改為電位器3

10、調(diào)節(jié)即可，濾得的波形與二階濾波相比要準確很多。移向電路：考慮幅值的損失，應使得最終輸入輸出表達式為兩個共軛復數(shù)的相除，使得模值比為1，而使輸出相對源輸入產(chǎn)生附加相移。通過可變電阻對輸出的相移進行改變，輸入輸出比表達式應該是R的函數(shù)，即f(R)選擇圖所示的電路實現(xiàn)移項功能。由下左圖，聯(lián)立方程組（U-U）j®C二inU1R3U-Uin1R2U-U1outR1*注：圖示參數(shù)并未調(diào)整，具體取值以后面解說為準，在此僅做功能分析。RjCR-i解得U3Rou=2-UjSCR+1左圖0180°移相電路'右圖-1800°移相電路U_jCR-1=3若選擇參數(shù)Ri=R2，則表達

11、式化簡為Un何CR3+1，其模為1。針對濾波器網(wǎng)絡輸出的不同頻率的波形適當選擇C的大小，®CR3在調(diào)節(jié)的過程中大小在1左右變動實現(xiàn)相移。當R3=0時，相移為n；當CR3=8時，相移為0,相移的變化范圍可以滿足調(diào)整的需要。UjCR+1ow=3同理，如圖4.5,有Unj°CR3+1，當R3=0時，相移為0；當CR3=8時，相移為-n；在本實驗中，取R1=R2=10kQ，電容選用100nF的電容，電位器選用10kQ?？梢愿鶕?jù)實際的情況來選擇以上兩種移項，其中第一種移相器的可移動相位角為0180°，第二種移相器的可移動相位角為-1800°。仿真波形如下所示，其中

12、，紅色為輸入波形，黃色為左圖相移波形，綠色為右圖相移波形。illspe-XSCl加法器電路：由于濾波使得合成的波至懦要的值，過大也不過/（4）列出系統(tǒng)需到的器件請注明）：I有一定的衰減，若要增益使得各次諧波達IR、R<10kQ,阻值不II 23要求、創(chuàng)新要求多用山口:IYHEXMtlJ,J/tITReverse丨Sav皀GNDfS)T1®l+T2一土元1TimeChannel_AChannel_BChanneljCCharmel_D19.578s-4.839V-4.827V-3.239V數(shù)量-Scale5V/Div乙一兀件王乂：放ua7417+【Sing.】Nor.|Auto|

13、None|aa數(shù)量電阻80kQ2（提咼）穩(wěn)壓二極管5.1V2電阻150kQ2LM3111電阻450kQ2電位器100Q1+1（提高）電容10nF4+4（提高）電位器10kQ2+1（提高）電容100nF2電位器1kQ3電阻（3）電路的仿真結(jié)果（請將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求中的仿真結(jié)果分別列（提1T運AcirolSclPI®®Scale500us/Div10kQ：y/HIa/b>|a-fb>)出）：TimeChannelAChannelB32.046ms-5.-W6V-4.753V32.046ms-5.-W6V-4.753V0.000s0.000V0.000VT

14、rrReversesa-T1122TTTSaveExt.triggerTimebaseScale:500us/DivXpos.fpiv):0Sole:5V/DivSole:5¥pos.fpiv):0Ypos.flDiv):0ChannelAChannelBTriggerEdge:國國瓦可魚Level:Xpos.fpiv):00T2-T1TimebaseScale:500us/DivtiS私sTimeChannelAChannelBfr143.554ms-5.495V-3.023V1Reverse40.554ms-5.495V-3.023V(0.000s0.000V0.000VSave

15、ChannelA畫叵|回口'j)Sole:5V/tiivSole:5U/DW¥pos.fpiv):0Ypos.fpiv):0ChannelB逐：國國囚回國Level:|SingleNormal|AutoNone|求阿顧迥匝I邑叵I因畫叵I回'譽|Single師ormmlXZjNcine三、硬件電路功能與指標，測試數(shù)據(jù)與誤差分析(1) 硬件實物圖(照片形式)：(2) 制定實驗測量方案：1、用數(shù)字存儲示波器測量方波產(chǎn)生的信號，測量幅度、頻率。調(diào)節(jié)電位器，使頻率為1kHz，占空比為50%。2、用雙蹤示波器分別測量方波和濾波器輸出。利用電位器調(diào)節(jié)5次諧波。3、用雙蹤示波器分別

16、測量方波和經(jīng)過調(diào)相電路的信號輸出，分別使基波、3次諧波、5次諧波與方波同相位。4、加法電路中，依次將其中一路諧波輸入信號輸入，其余接地，通過雙蹤示波器觀察，調(diào)節(jié)電位器，使之輸出幅度滿足傅里葉系數(shù)。5、將三個信號疊加，觀察示波器波形，與原方波對比。(3) 使用的主要儀器和儀表：1、直流電源2、雙蹤數(shù)字存儲示波器(4) 調(diào)試電路的方法和技巧：采用分模塊調(diào)試的方法，保證各模塊指標符合要求后在進行組合。方波振蕩電路：通過調(diào)節(jié)電位器，使得頻率為1kHz,占空比為50%,由于穩(wěn)壓管不是準確5.1V，又對產(chǎn)生的方波進行比例調(diào)節(jié)，使得幅值為準確的5V。濾波電路：基波與3次濾波電路實際效果很好，不需要進行調(diào)節(jié)(

17、3次濾波因采用四階帶通有源濾波器的緣故，且接地電阻與理論值十分接近，因而不需要電位器進行調(diào)節(jié)即可得到頻率符合要求、最大值與最小值相同的正弦波。)調(diào)節(jié)5次濾波電路的接地電阻，使其中心頻率到達所要的頻率點。移相電路:用雙蹤示波器觀察所產(chǎn)生方波與濾除波形，調(diào)節(jié)電位器，使兩者無相位差。加法電路：依次將其中一路諧波輸入信號輸入，其余接地，通過雙蹤示波器觀察輸出波形的幅值，調(diào)節(jié)電位器，使之滿足傅里葉系數(shù)。各路諧波調(diào)節(jié)好后，再用示波器分別觀察基波與3次諧波疊加及基波、3次諧波、5次諧波全部疊加后的波形。(5) 測試的數(shù)據(jù)和波形并與設計結(jié)果比較分析：【1】方波：頻率：1.013kHz正頻寬：493.9皿負頻寬

18、：493.0皿占空比：50.04%最小值：-5.04V最大值：5.04V頻率、占空比、幅值均達到要求?！?】基波方波頻率1.013kHz，基波頻率1.014kHz，與理論值吻合。因本圖為直接濾波后得到的波形，濾波電路對增益存在一定的衰減，所以基波幅值較小，將在后面的加法電路中對增益進行補償?！?】三次諧波方波頻率1.013kHz，3次諧波頻率3.056kHz，與理論值十分接近。關(guān)于幅值的解釋同基波?！?】五次諧波方波頻率1.013kHz，5次諧波頻率5.023kHz，與理論值相近。關(guān)于幅值的解釋同基波?！?】基波+3次諧波方波頻率1.013kHz，疊加后的頻率也為1.013kHz，符合要求。疊

19、加后的波形與方波相比幾乎沒有相位差?！?】基波+3次諧波+5次諧波方波頻率1.013kHz，疊加后的頻率為1.014kHz，十分接近。疊加后的波形與方波相比幾乎沒有相位差。與上圖相比，基波和3次、5次諧波疊加的結(jié)果更接近原方波。(6) 調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法：由于級間耦合的影響，五次諧波濾波電路單級調(diào)試正常，在經(jīng)相移電路后波形出現(xiàn)失真，為了消除該影響，在兩級之間連入一電壓跟隨器，起到隔離作用，解決了問題。因為作品焊接在了洞洞板上，對焊接要求較高。在最終調(diào)試的時候，發(fā)現(xiàn)加法電路無法輸出波形，檢查許久后，終于發(fā)現(xiàn)是741芯片引腳接觸不良導致，重新焊接芯片座之后問題解決，再次級聯(lián)后效果很好。四、總結(jié)(1) 闡述設計中遇到的