1、LimsEER .電子實驗報告東南大學(xué)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(xué)與工程學(xué)院專業(yè)： 姓名：姜勖學(xué)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(shè)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(shè)計一個方波發(fā)生器，要求其頻率為 1kHz,幅度為5V;(2)設(shè)計合適的濾波器，從方波中提取出基波和 3次諧波；(3)設(shè)計一個加法器電路，將基波和

2、3次諧波信號按一定規(guī)律相加，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(shè)計5次諧波濾波器或設(shè)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(biāo)：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(biāo)：(1)方波：頻率1KHz幅度5V。(2)濾波器：基礎(chǔ)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，

3、使得其與原方波相位差近似為00（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(shè)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(shè)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(yīng)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

4、加法電路中選擇合適的比例給予響應(yīng)的補償。二、電路設(shè)計（預(yù)習(xí)要求）（1）電路設(shè)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(dǎo)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(shè)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

5、嘗試使用四階有源帶通濾波器，以求獲得更好的濾波效果。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(luò)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(chǔ)要求：因基礎(chǔ)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）：分工：徐

6、媛媛（濾波電路的設(shè)計、搭建和調(diào)試）；姜勖（方波產(chǎn)生、相移及加法電路 設(shè)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(shè)從輸出端的對輸入端的負(fù)反饋電阻魚別為 Rf1和Rf2,則前部分方波的振蕩周fBV2logR2-WvJ；期為T RI- 15Vgc 請 5.3CW2c ln(1 1p八 R 一 nCln(1 2. Rf萬泉衰灌 R2R7號儂財波的頻率翻飄耐z,占空比為50%iOOnFRI六%、一 uohn741），遮飆仙例分別調(diào)節(jié)Rf1和Rf2的阻值DI1HA721AUlfl 調(diào)到用E1科存.王告早重任際由于運放741的壓擺率較小，在輸出方波時跳變

7、沿斜率較低，如下圖所示。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， 修正效果如下圖所示。同時，為了防止鑒幅電路輸入過大，在級聯(lián)處對信號予以衰 減；另外，為了補償穩(wěn)壓管正向?qū)▔航翟斐傻妮敵鲭妷捍笥?V的情況，在輸出端再對信號進行一定的可調(diào)衰減。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%!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%帶通濾波器： 使用TI公司的FilterProDT 設(shè)計有源帶通濾波器，基本電路圖如下：因該

8、軟件使用的并非標(biāo)準(zhǔn)電阻，所以實際應(yīng)用的時候?qū)⒆柚到茷闃?biāo)準(zhǔn)電阻后可能會對濾 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)C1c2RR2 s(C1 C2)R 1R1R3|H(j)| 0得取得最大增益時的角頻率:sR2cl1R1實際試驗中，取R,C1C2RR2Ci C2C ,貝1：f當(dāng) R1 80k , r2 160k,Ci C2 10nF時，對于不同的R3取值，理論值如下:用電位器調(diào)節(jié)更為合適。從上面的分析可知，固定C1、C2、0,調(diào)節(jié)R3改變通頻帶中心頻率。實際調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，即使將R3改為電位器調(diào)節(jié)，濾得的波形雖然頻率大

9、概符合要求，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。基本電路圖如下：與以上分析相似，可知R3是調(diào)節(jié)通頻帶中心頻率的關(guān)鍵，不宜用標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)的電阻， 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飛改為電位器調(diào)節(jié)即可，濾得的波形與二階濾波相比要準(zhǔn)確很多。移向電路：考慮幅值的損失，應(yīng)使得最終輸入輸出表達式為兩個共腕復(fù)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(yīng)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。Uin Ui由下左圖,Uin 3R2聯(lián)立方程組Ui UoutRi解得UoutU7j CR3RR

10、2j CR3 1左圖0180移相電路右圖U1R3-180 0*注：圖示參數(shù)并未調(diào)整, 具體取值以后面解說為 準(zhǔn)，在此僅做功能分析。移相電路Uout j CR31若選擇參數(shù)R1 = R2 ,則表達式化簡為Uin j CR3 1 ,其模為1。針對濾波器 網(wǎng)絡(luò)輸出的不同頻率的波形適當(dāng)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(dāng)R3=0時，相移為冗；當(dāng) CR3=oo時，相移為0,相移的變化范圍可以滿足調(diào)整的需要。Uout同理，如圖, 相移為-九；在本實驗中,有Uinj CR3 1j CR3 1 ,當(dāng)R3=0時，相移為0;當(dāng)CRoo時,取Ri R2=10kQ,電容選用100nF的電

11、容，電位器選用10k Q。可以根據(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，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。加法器電路：由于濾波 成的波形與原 增益應(yīng)該1 合適。(4)列出系統(tǒng)需要 注明)： d. 干，3基礎(chǔ)要rMr-mTri期事產(chǎn)：0匡同levEfc 口v電路仿真總?cè)?、硬件電路功能與指標(biāo)，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

12、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(biāo)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(zhǔn)確，又對產(chǎn)生的方波

13、進行比例調(diào)節(jié)，使得幅值為準(zhǔn)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)( 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

14、部疊加后的波形。(5) 測試的數(shù)據(jù)和波形并與設(shè)計結(jié)果比較分析：【 1】方波：頻率：正頻寬： s 負(fù)頻寬： s 占空比： 50.04%最小值：最大值：頻率、占空比、幅值均達到要求?！?2】基波方波頻率，基波頻率，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。【 3】三次諧波方波頻率， 3 次諧波頻率，與理論值十分接近。關(guān)于幅值的解釋同基波?！?4】五次諧波方波頻率， 5 次諧波頻率，與理論值相近。關(guān)于幅值的解釋同基波?！?5】基波+3 次諧波方波頻率，疊加后的頻率也為，符合要求。疊加后的波形與方波相比幾乎沒有相位差

15、。【 5】基波+3 次諧波 +5 次諧波方波頻率，疊加后的頻率為，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(dǎo)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(shè)計中遇到的問

16、題、原因分析及解決方法：電路設(shè)計中所用到的電阻很多都不是標(biāo)準(zhǔn)電阻， 取相近的標(biāo)準(zhǔn)電阻后， 電路功能會 出現(xiàn)一定的變化，特別對于濾波電路來說精確的電阻非常重要。實際中采用定值電阻和電位器組合的方式解決了該問題。(2) 總結(jié)設(shè)計電路和方案的優(yōu)缺點：優(yōu)點： 產(chǎn)生方波的各個參數(shù)可控而且瞬時性很好， 同時， 采用較多電位器對電路結(jié)構(gòu)進行微調(diào)，使最終波形較為平滑而完整。濾波器采用四階濾波， 帶內(nèi)波動較小， 輸出波形的頻率穩(wěn)定； 可通過加法電路補償衰減；各部分電路結(jié)構(gòu)相似，便于統(tǒng)一分析與調(diào)試。不足：對通頻帶帶寬缺少實時調(diào)節(jié)辦法， 同時，用了較多的運放和電位器，電路連接較為復(fù)雜。(3) 指出課題的核心及實用價值，提出改進意見和展望：核心： 信號的產(chǎn)生；濾波器的設(shè)計；波形的相移及合成實用價值： 可對混雜在一起的信號進行分解， 并分離高頻噪聲， 將有用的信號保留，還原有價值的信息，對采樣定理等的原理能有一種較為感