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(xué)號：2013082117：肖珩成績：日期：2015年3月17日一、摘要實驗采用純硬件電路設(shè)計形式完成實驗任務(wù),實現(xiàn)實驗功能。首先用帶限幅器滯回比較器和RC充放電回路構(gòu)成的方波發(fā)生電路產(chǎn)生頻率為1KHZ的方波信號。作為一個信號源,需要低阻抗輸出,因此在方波發(fā)生器之后連接一個射隨電路。信號經(jīng)兩路不同頻率有源濾波處理,同時產(chǎn)生頻率為1kHz和3kHz的正弦波信號。其中基波產(chǎn)生采用低通濾波器,三次諧波產(chǎn)生采用帶通濾波器。為了將基波和三次諧波疊加之后最終恢復(fù)出近似方波信號,因此需要根據(jù)濾波分頻電路輸出的基波和三次諧波的延時,設(shè)計移相電路,其設(shè)計采用全通濾波器原理。最后運用反相加法器將基波和三次諧波信號疊加,從而完成設(shè)計要求。實現(xiàn)功能：設(shè)計一個電路,能夠產(chǎn)生多個不同頻率的正弦信號,并將這些信號再合成為近似方波信號。方案特點：電路為純硬件電路,采用運算放大器TL081,原理圖簡單易懂,硬件調(diào)試容易,部分實現(xiàn)功能明確且輸出可測,有助于電路問題檢測。設(shè)計任務(wù)2.1設(shè)計選題選題十四：信號波形發(fā)生與合成2.2設(shè)計任務(wù)要求圖1系統(tǒng)框圖1矩形波發(fā)生電路產(chǎn)生1kHz的方波〔50%占空比,頻率誤差小于5%,方波波形幅度峰峰值為10V,幅度誤差小于5%,且輸出阻抗=50?;2基波頻率為1kHz,設(shè)計的低通濾波器要求-3dB帶寬為1kHz,帶外衰減≥-40dB/十倍頻程下降,產(chǎn)生的信號波形無明顯失真,幅度峰峰值為12V,幅度誤差小于5%；3三次諧波頻率為3kHz,設(shè)計的帶通濾波器要求中心頻率為3kHz,-3dB帶寬小于500Hz,帶外衰減≥-40dB/十倍頻程下降,產(chǎn)生的信號波形無明顯失真,幅度峰峰值為4V,幅度誤差小于5%；4設(shè)計移相電路,完成對基波正弦信號的移相,使移相后的基波和三次諧波的波形如圖2所示,要求移相電路的增益為1,增益誤差≤5%；圖2移相后的基波和三次諧波波形設(shè)計加法器,將移相器輸出的基波與三次諧波相加,合成近似正弦波,波形幅度峰峰值為10V,誤差不大于0.5V,合成波形的形狀如圖3所示。圖3利用基波和3次諧波合成的近似方波方案設(shè)計與論證1矩形波發(fā)生電路方案論證與選擇方案一：采用由NE555組成的或其它由門電路構(gòu)成的方波發(fā)生電路。這種電路外圍電路設(shè)計較少比較簡單,但是輸出信號頻率很難調(diào)到某一固定值而且受環(huán)境影響明顯。本電路要求固定頻率的方波〔1kHZ>,因此方案不予采納。方案二：由運算放大器構(gòu)成的信號發(fā)生電路。原理比較簡單,調(diào)試過程容易,且電路的搭建需要用到運放TL081,充分利用電路已有資源。此方案經(jīng)濟穩(wěn)定,故電路的方波發(fā)生器模塊采用此方案。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(fù)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(fù)雜性,故選擇方案二來設(shè)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(luò)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(fù)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(luò)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(shè)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(shè)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(shè)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,在誤差允許圍,滿足設(shè)計要求。濾波分頻電路設(shè)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(shè)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(shè)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,在誤差允許圍,滿足設(shè)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(shè)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,在誤差允許圍,滿足設(shè)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(shè)計計算比較復(fù)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(shè)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(yù)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,在誤差允許圍,滿足設(shè)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%,在允許的圍,設(shè)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%,在允許的圍,設(shè)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,在允許的圍,設(shè)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(shè)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(shè)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圍之。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(xué)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(xué)會如何靈活選擇減少搭線的困難,同時實驗前老師的指導(dǎo)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]紅編.《模擬