综合实验(三)信号波形发生与合成实验讲义.doc

实验讲义信号波形发生与合成I实验题目一、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。系统框图如图1所示。图1 系统框图二、要求 实验1矩形波发生电路1、矩形波发生电路产生1kHz的方波（50%占空比），频率误差小于5%，方波波形幅度为5V，幅度误差小于5%。2、矩形波发生电路输出阻抗=50 。3、使用示波器测量矩形波的上升时间和下降时间，用数学表达式表达输出的矩形波信号。 实验2滤波分频电路1、矩形波发生电路产生的信号经两路不同频率有源滤波处理，同时产生频率为1kHz和3kHz的正弦波信号。2、其中基波产生采用低通滤波器，要求-3dB带宽为1kHz，带外衰减-40dB/十倍频程下降，产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值为12V，幅度误差小于5%。3、其中三次谐波产生采用带通滤波器，要求中心频率为3kHz，-3dB带宽小于500Hz，带外衰减-40dB/十倍频程下降，产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值为4V，幅度误差小于5%。4、使用示波器观察基波和三次谐波的波形，测量基波和三次谐波的延迟时间大小。 实验3移相器电路1、 设计并制作一组移相电路，完成对基波正弦信号的移相，使移相后的基波和三次谐波的波形如图2所示，要求移相电路的增益为1，增益误差5%。图2 移相后的基波和三次谐波波形 实验4加法器电路1、设计并制作加法器将3中移相器输出的基波与三次谐波相加，合成近似正弦波，波形幅度为5V，误差不大于0.5V。合成波形的形状如图3所示。图3 利用基波和3次谐波合成的近似方波三、说明1、可以用实验直流稳压电源提供9V、12V电源供电。2、留出关键的测试点（输入、输出、中间某些关键点），以备测试。3、设计报告 1）电路设计（根据技术指标要求及提供的器件（运算放大器、电阻、电容），说明设计思路及参数计算过程，并画出电路原理图）。 2）技术指标测试方法及数据（如何测各项指标？用什么仪器，怎么连接？记录测试数据）。 3）测试结果分析（分析计算过程，测试结论：电路的各项实际指标是多少？并分析误差原因）。四、器件清单运算放大器TL081、5%系列碳膜电阻、5%系列陶瓷电容、电解电容10uF。五、考查知识点1、运放非正弦波发生电路，涉及矩形波发生电路。2、运放基本运算电路，涉及比例运算电路、加减运算电路。3、有源滤波电路，涉及滤波电路的幅频特性和相频特性。4、示波器的使用。A-2II设计思路本实验题目主要是考察运算放大器的使用，涉及矩形波发生电路、比例运算电路、加减运算电路、有源滤波电路。下面根据题目要求，分析各部分设计。一、矩形波发生电路矩形波振荡电路设计请参考模拟电子线路矩形波发生电路原理。由于实验要求矩形波的输出幅度，而矩形波振荡电路的输出幅度和运算放大器的输出特性有关，因此需要通过稳压二极管电路将输出幅度设置到实验要求。作为一个信号源，需要低阻抗输出，因此在电阻衰减网络之后连接一个射随电路，射随电路输出串联电阻即为矩形波发生电路的输出电阻（由于运算放大器输出电阻很小）。注意，在这里需要考虑运放的压摆率对矩形波上升沿和下降沿的影响。压摆率越大，矩形波的上升沿和下降沿时间越短。上升时间和下降时间可通过示波器测量，然后由输出幅度、上升时间、下降时间可以准确表达矩形波发生电路的输出波形，然后进行傅里叶级数分解，就可以得出其基波和谐波分量大小。（标准矩形波通过傅里叶级数分解，是没有偶次谐波的。）二、滤波分频电路滤波电路是电路设计里面非常重要的一个内容，在电子设备中几乎都有体现。滤波电路设计时，需要考虑幅频特性和相频特性，在一些简单应用中，主要考虑幅频特性。滤波器设计计算比较复杂，经常需要借助EDA软件来辅助完成，比较常用的EDA软件有Filter Solutions、Filter Wiz Pro、FilterCAD、FilterLab等，推荐采用TI公司的FilterPro Desktop。基波产生要求采用低通滤波器（LPF），由题目要求可知至少需要一个二阶的LPF。由于滤波器的截止频率为1kHz，因此基波分量通过LPF滤波器会有-3dB的衰减，同时会有相移（相移值与采用的滤波器阶数有关），因此需要设计LPF的通带增益为3dB，来满足输出幅度要求，相移值可通过滤波器设计软件的相频特性图标可以得到。三次谐波产生要求采用带通滤波器（BPF），这一部分设计时需要考虑滤波器的带外衰减特性，如果带外衰减不够，基波分量通过BPF之后幅度较大，与三次谐波进行叠加，三次谐波产生电路输出的波形失真会比较严重。三、移相器电路要将基波和三次谐波叠加恢复出近似方波信号，需要使基波和三次谐波波形满足题目图2的要求，因此需要根据滤波分频电路输出的基波和三次谐波的延时，设计移相电路，移相电路的设计请参考模拟电子线路全通滤波器原理。四、加法器电路加法器完成基波和三次谐波信号的叠加，电路相对简单，电路设计请参考模拟电子线路反向求和电路原理。A-4III知识点1、信号与系统傅里叶级数。2、运放非正弦波发生电路，涉及矩形波发生电路。3、运放基本运算电路，涉及比例运算电路、加减运算电路。4、有源滤波电路，涉及滤波电路的幅频特性和相频特性。5、示波器的使用。IV参考资料1 谢红编.模拟电子技术M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2008.2 童诗白.模拟电子技术基础M .北京：高等教