信号波形发生与合成实验.doc

摘要本系统主要以TＬ0８1A运放为核心,由方波发生器、滤波分频电路、移相电路、加法器电路模块组成。实现了产生多个不同频率得正弦信号与基于多个正弦波合成方波信号得电路功能。系统基本工作过程为：1kHz方波信号通过低通滤波器与带通滤波器得到按傅里叶级数展开得1kHz基波正弦波信号与3kHz三次谐波正弦波信号。而后将基波信号通过移相电路使其相位调整到与三次谐波相同，然后通过加法电路将信号合成近似得方波信号。输出波形结果表明，系统合成波形符合理论傅里叶分析结果,比较准确。正弦波及合成波得幅值测试误差小于5％，符合题目要求.关键词：方波发生器;傅里叶级数;分频;滤波;移相一．总体方案设计及论证1、１题目设计任务设计制作一个电路,能够产生多个不同频率得正弦信号,并将这些信号再合成为近似方波信号。系统框图如下图所示：具体要求：1、2方案论证比较１、２、１系统总体方案方波发生电路产生1kHz方波，对其中得基波与三次谐波分量进行提取，1ｋＨz基波可用截止频率为1ｋＨz得巴特沃斯低通滤波器滤波得到，3kHz谐波可用中心频率设为３kHz得高Q值带通滤波器滤波得到。最后再经相位调整重新合成近似方波。1、2、2方波振荡电路得选择本系统中得方波发生电路就是实现后续各级电路功能得基础，对频率准确度与稳定度得要求较高。方案一:55５定时器组成得多谐振荡器,直接调节至1ＫHz左右得对称方波.此方案成本低廉,实现方便,但其稳定性容易受到外部元件得影响,在振荡频率较高时频率稳定度不够。方案二:使用石英晶振组成高稳定度得频率参考源，并使用计数器与集成锁相环芯片构成分频/倍频环，以产生1KHz得方波.该方法产生得信号稳定度高,但需要搭建石英晶体振荡电路，并进行锁相环分频、倍频,电路较复杂。方案三：采用基于反相输入得滞回比较器与RC电路得方波产生电路.该电路结构简单,性能稳定,主要得限制因素在于比较器得速度。结合适当得RC参数，可达到1KHZ得振荡频率。方案选择:本系统采用方案三，此电路结构简单，产生得方波稳定性较好.1、2、3滤波电路得选择本系统中所需正弦波均来自于方波信号，需使用低通滤波器与带通滤波器。方案一:使用由LＣ网络组成得无源高阶巴特沃斯滤波器。其通带内相应最为平坦，衰减特性与相位特性都很好，对器件得要求也不高。但其在低频范围内有体积重量大、价格昂贵与衰减大等缺点.方案二:采用实时DSP数字滤波技术,数字信号灵活性大,可以在不增加硬件成本得基础上对信号进行有效得滤波，但要进行滤波,需要A/D、D／A既有较高得转换速率，处理器具有较高得运算速度,成本高。方案三：以集成运放为核心得有源滤波电路,结构简单,所需元件少，成本低,且电路输入阻抗高、输出阻抗低,并有专门得设计软件。方案选择:选择方案三作为系统得基波与三次谐波滤波方案。用集成运放ＴL081A与RC网络组成得二阶有源滤波电路器得滤波器结构清晰,幅频响应更接近理想特性,截止频率与增益可以进行充分调节，具有较好得滤波效果，可以产生非常理想得正弦波效果。１、2、4移相电路得选择移相电路对分频滤波后得基波正弦信号进行移相，使基波与三次谐波相位关系满足信号合成得需要。方案一:采用无源RＣ移相网络。该方案电路简单,可以完成移相，但就是通过移相网络后信号有衰减,而且在调节相移得同时，信号得幅度也会发生变化，需要在后级再加入放大器进行补偿，增加了系统得复杂性。方案二：采用有源RC移相电路,通过合理得设计，可以达到信号得幅度增益恒定为１且相位可调得效果。本系统中采用方案二进行移相电路得设计。1、2、5加法器电路运用反相求与运算电路.方波信号经滤波与移相后，其输出幅度将有不同程度得衰减,合成前需要将各成分得信号幅度调整到规定比例,才能合成为新得合成信号。采用反向比利运算电路实现幅度调整，采用反向加法运算实现信号合成．二.理论分析计算与电路仿真2、1系统原理框图2、２方波信号发生电路２、2、１电路组成及工作原理因为矩形波电压只有两种状态,不就是高电平，就就是低电平,所以电压比较器就是它得重要组成部分；因为产生振荡，就就是要求输出得两种状态自动地相互转换,所以电路中必须引入反馈;因为输出状态应按一定得时间间隔交替变化,即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来切换每种状态维持得时间。矩形波发生电路由反相输入得滞回比较器与ＲC电路组成。RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络，通过ＲC充放电实现输出状态得自动转换。振荡周期通过以上分析可知，调整电压比较器得电路参数Ｒ1与R2可以改变Ｕc得幅值,调整电阻R1、R2、R3与电容C得数值可以改变电路得振荡频率。而要调整输出电压Uo得振幅,则要换稳压管以改变Ｕz,此时Uc得幅值也将随之变化．2、2、２仿真实现根据要求,矩形波发生电路产生１kHz得方波（占空比50%),方波幅度为5V，输出阻抗为