信號波形發(fā)生與合成實驗報告

電子電路綜合實驗實驗報告題目：信號波形發(fā)生與合成班級：20130821學號：2013082117姓名：肖珩成績：日期：2015年3月17日2)分頻電路方案論證與選擇低通濾波器：方案一：無源低通濾波器方案二：有源低通濾波器實驗要求帶外衰減≥-40dB/十倍頻程下降，因此選擇二階有源低通濾波器，且利用運算放大器輸入電阻大的特點，隔離了負載對濾波特性的影響，同時可以使用運算放大器放大信號，所以選擇此方案。帶通濾波器：方案一：壓控電壓源型（VCVS）方案二：無限增益多路反饋型（MFB）對比這兩種方案，方案一計算比較復雜且在調(diào)試過程中可能會遇到一些問題，而方案二簡單可行，減少調(diào)試的復雜性，故選擇方案二來設計帶通濾波器。3）移相電路方案論證與選擇方案一：用RC移相網(wǎng)絡構(gòu)成移相電路。此種移相方法移相后的信號衰減很大，移相后需要進行放大處理，這無疑增加了系統(tǒng)的復雜性和不穩(wěn)定性。方案二：用運算放大器構(gòu)成穩(wěn)幅移相電路。這種方法不僅能達到RC移相網(wǎng)絡的移相效果，還能穩(wěn)定信號幅度不發(fā)生大的變化，選擇此方案為本電路的移相電路。其基本原理圖如下：電路單元參數(shù)的選定和設計實現(xiàn)矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路由兩級構(gòu)成，第一級由一個運放震蕩產(chǎn)生1kHz的方波，通過電阻分壓電路將輸出幅度設置到實驗要求5V,然后緊跟一個射隨電路，前后級隔離，同時設置輸出電阻為50?，電路如圖4所示。圖4矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路參數(shù)計算過程如下：振蕩周期要求，選，，，仿真輸出波形如圖5所示圖5第一級輸出波形VPP=10.1V，在誤差允許范圍內(nèi)，滿足設計要求。濾波分頻電路設計原理如下：式中A為方波的幅度。由上式知，三次諧波幅值是基波的?；óa(chǎn)生要求采用低通濾波器（LPF），由題目要求可知至少需要一個二階的LPF。由于濾波器的截止頻率為1kHz，因此基波分量通過LPF濾波器會有-3dB的衰減，同時會有相移（相移值與采用的濾波器階數(shù)有關(guān)），因此需要設計LPF的通帶增益為3dB，來滿足輸出幅度要求，相移值可通過濾波器設計軟件的相頻特性圖標可以得到。圖6基波電路基波產(chǎn)生電路參數(shù)計算過程如下：根據(jù)題目要求知：，基波的頻率為1KHZ，所以電容的取值。因此根據(jù)計算公式分別求取剩下的電阻電容值并取標稱值為，，，。仿真輸出波形如圖7所示圖7基波輸出波形VPP=12.2V，在誤差允許范圍內(nèi)，滿足設計要求。三次諧波產(chǎn)生要求采用帶通濾波器（BPF），這一部分設計時需要考慮濾波器的帶外衰減特性，如果帶外衰減不夠，基波分量通過BPF之后幅度較大，與三次諧波進行疊加，三次諧波產(chǎn)生電路輸出的波形失真會比較嚴重。圖8三次諧波電路三次諧波產(chǎn)生電路參數(shù)計算過程如下：根據(jù)題目要求選?。?，同理三次諧波的頻率為3KHZ，則電容的取值，根據(jù)公式計算電阻值。仿真輸出波形如圖9所示圖9三次諧波輸出波形VPP=3.99V，在誤差允許范圍內(nèi)，滿足設計要求。移相器電路由于仿真過程中基波的相位落后于三次諧波，因此選擇超前全通濾波電路來改變相位差。具體電路圖如下：圖10移相電路濾波器設計計算比較復雜，經(jīng)常需要借助EDA軟件來輔助完成，比較常用的EDA軟件有FilterSolutions、FilterWizPro、FilterCAD、FilterLab等，設計過程中采用TI公司的FilterProDesktop。加法器電路實驗過程中采用了反相加法電路原理，從而將基波和三次諧波信號的疊加，達到預期的效果。，取標稱值，。合成波形如圖所示：圖11利用基波和3次諧波合成的近似方波VPP=10.3V，在誤差允許范圍內(nèi)，滿足設計要求。裝調(diào)測試過程圖12實物圖5.1測試儀器直流穩(wěn)壓電源HY1711-3S（2）信號源TFG3050L（3）示波器DS1102E5.2矩形波發(fā)生電路部分電路測試矩形波發(fā)生電路加正負9V電源電壓后，用示波器測試能夠輸出穩(wěn)定方波，實際第一級輸出波形如圖13所示。圖13使用示波器觀察矩形波發(fā)生電路的輸出波形，正常工作狀態(tài)時是頻率為1.020KHz的方波信號，幅度峰峰值為8.24V。實驗過程中由于所選穩(wěn)壓二極管不能達到要求的輸出幅度，因此以后所測數(shù)據(jù)均以此方波為標準。5.3基波發(fā)生電路部分電路測試矩形波發(fā)生電路與基波發(fā)生電路相連分別加正負9V電源電壓后，用示波器測試能夠輸出正弦波，實際輸出波形如圖14所示。圖14使用示波器觀察基波發(fā)生電路的輸出波形，正常工作狀態(tài)時是頻率為1.020KHz的正弦波信號，幅度峰峰值為10.1V，誤差為2%，在允許的范圍內(nèi)，設計滿足實驗要求。5.4三次諧波發(fā)生電路部分電路測試矩形波發(fā)生電路與三次諧波發(fā)生電路相連分別加正負9V電源電壓后，用示波器測試能夠輸出正弦波，實際輸出波形如圖15所示。圖15使用示波器觀察三次諧波發(fā)生電路的輸出波形，正常工作狀態(tài)時是頻率為3.049KHz的正弦波信號，幅度峰峰值為3.32V，誤差為0.7%，在允許的范圍內(nèi)，設計滿足實驗要求。5.5移相電路部分電路測試圖16圖中波形分別為基波和移相后的波形，觀察移相的輸出波形，波形幅度和頻率都不發(fā)生變化。5.6總電路測試圖17使用示波器觀察總電路的輸出波形，正常工作狀態(tài)時是頻率為1.025KHz的近似方波信號，幅度峰峰值為8.24V，誤差為0，在允許的范圍內(nèi)，設計滿足實驗要求。實驗注意事項及主要可能故障分析6.1實驗結(jié)果分析根據(jù)實驗最終得出的數(shù)據(jù)和波形可以得出結(jié)論，電路基本實現(xiàn)了實驗要求。在關(guān)鍵的測試點用示波器觀察其波形并讀取幅值和頻率，均滿足設計要求，電路很好地將方波經(jīng)兩路不同頻率有源濾波處理后，同時產(chǎn)生頻率為1kHz和3kHz的正弦波信號,將這些信號再合成為近似方波信號，實驗設計較成功。實驗過程中存在一定的誤差，經(jīng)分析，一方面可能由于仿真環(huán)境與實際電路不一樣，從而影響實驗中元件的選取，另一方面測試儀器示波器也有一定的測量誤差，以及模擬電路本來就存在不確定的特點，最終對實驗結(jié)果造成了誤差，經(jīng)過檢驗這些誤差在允許的范圍之內(nèi)。6.2問題分析在基波測試時發(fā)現(xiàn)沒有波形，首先檢查了電路的連接，經(jīng)與電路圖比較發(fā)現(xiàn)無錯誤，接著用萬用表測量每一個管腳電壓值，發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)現(xiàn)電路中存在虛焊，于是對問題部分進行了重新焊接。在調(diào)試三次諧波電路時，電路輸出不是正弦波，出現(xiàn)了下削波，猜測是由于帶通濾波器中某個元件損壞所致，經(jīng)過用萬用表排查后發(fā)現(xiàn)電阻存在問題，更換后波形正常。最終調(diào)試時，波形幅值沒有達到要求，考慮到加法器有放大的作用，并經(jīng)過Multisim軟件仿真后，更換了電阻，幅值達到要求。6.3心得體會本實驗主要是考察運算放大器的使用，涉及矩形波發(fā)生電路、比例運算電路、加減運算電路、有源濾波電路，通過實驗加深對這些電路的理解，能夠靈活去運用解決實際需要。調(diào)試過程中遇到問題，積極尋找故障原因，并運用所學放大器的原理加以解決，從而鍛煉了獨立動手能力。當然在電路布局方面，自己也學會如何靈活選擇減少搭線的困難，同時實驗前老師的指導對我順利完成實驗也起了重要作用，這次實驗提升了自己的獨立思考能力，讓我受益匪淺。附：參考資料[1]謝紅編.《模擬電子技術(shù)》[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2008.[2]童詩白.

模擬電子技術(shù)基礎[M].北京：高等教育出版社，2006年5月第四版.[3]聶典