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的正弦信号与基于多个正弦波合成方波信号的电路功能。系统基本工作过程为：1kHz方波信号通过低通滤波器和带通滤波器得到按傅里叶级数展开的1kHz基波正弦波信号和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的方波信号。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。正弦波及合成波的幅值测试误差小于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的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方波对其中的基波和三次谐波分量进行提取1kHz基波可用截止频率为1kHz的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的高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方波振荡电路的选择本系统中的方波发生电路是实现后续各级电路功能的基础对频率准确度和稳定度的要求较高。方案一：555定时器组成的多谐振荡器直接调节至1KHz左右的对称方波。此方案成本低廉实现方便但其稳定性容易受到外部元件的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的频率参考源并使用计数器和集成锁相环芯片构成分频/倍频环以产生1KHz的方波。该方法产生的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：采用基于反相输入的滞回比较器和RC电路的方波产生电路。该电路结构简单性能稳定主要的限制因素在于比较器的速度。结合适当的RC参数可达到1KHZ的振荡频率。方案选择：本系统采用方案三此电路结构简单产生的方波稳定性较好。1.2.3滤波电路的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和带通滤波器。方案一：使用由LC网络组成的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和相位特性都很好对器件的要求也不高。但其在低频范围内有体积重量大、价格昂贵和衰减大等缺点。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的基础上对信号进行有效的滤波但要进行滤波需要A/D、D/A既有较高的转换速率处理器具有较高的运算速度成本高。方案三：以集成运放为核心的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的设计软件。方案选择：选择方案三作为系统的基波和三次谐波滤波方案。用集成运放TL081A和RC网络组成的二阶有源滤波电路器的滤波器结构清晰幅频响应更接近理想特性截止频率和增益可以进行充分调节具有较好的滤波效果可以产生非常理想的正弦波效果。1.2.4移相电路的选择移相电路对分频滤波后的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的需要。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是通过移相网络后信号有衰减而且在调节相移的同时信号的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的复杂性。方案二：采用有源RC移相电路通过合理的设计可以达到信号的幅度增益恒定为1且相位可调的效果。本系统中采用方案二进行移相电路的设计。1.2.5加法器电路运用反相求和运算电路。方波信号经滤波和移相后其输出幅度将有不同程度的衰减合成前需要将各成分的信号幅度调整到规定比例才能合成为新的合成信号。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是高电平就是低电平所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡就是要求输出的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的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的时间。矩形波发生电路由反相输入的滞回比较器和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的自动转换。振荡周期通过以上分析可知调整电压比较器的电路参数R1和R2可以改变Uc的幅值