波形产生器及谐波滤波器

1、西安外事学院课程设计报告（2012-2013学年第1学期） 题 目： 波形产生器及谐波滤波器 学 院： 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子1001班 学生姓名： 日期：20 12 年 01 月 04 日波形产生器及谐波滤波器设计与制作一.设计要求：1. 设计一方波三角波产生器（模拟方法），频率为自己学号的后两位数（以KHZ为单位）。2. 设计滤波器（低通、带通）电路，将方波的基波分量及三次谐波分量滤出。3. 设计频率计，分别测量方波、三角波、基波分量、三次谐波分量的频率，并用数码管或液晶屏显示频率值。（选作）附图图1 波形产生器及谐波滤波器（参考）二.方案论证及选择：方案一用555定时器产

2、生电路 首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变总电路图的原理：555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2R3RPC2；C2的放电回路是C2RPR3IC的7脚(放电管)。由于R3+RPR2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。三角波再经R5、C6积分网络，输出近似的

3、正弦波。C1是电源滤波电容。发光二极管VD用作电源指示灯。 方案二用压控振荡器： 如图所示为具有三角波和方波输出的压控振荡电路。该电路是一个受控制电压控制的振荡器。它具有很好的稳定性和极好的线性，并且有较宽的频率范围。电路有两个输出端，一个是方波输出端，另一个为三角波输出端。图中，A1为倒相器，A2为积分器，A3为比较器。场效应管Q1用来变换积分方向。比较器的基准电压是由稳压二极管D1、D2提供，积分器的输出和基准电压进行比较产生方波输出。电阻R5、R6用来降低Q1的漏极电压，以保证大输入信号时Q1能完全截止。电阻R7、R8和二极管D3、D4是为了防止A3发生阻塞。按图中所标元件数值，电源电压

4、用 15V，则变换系数为1kHzV。电路在100：1频率范围内具有低于±0.5的线性误差。 方案三用集成电路实现 采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器LM318、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真，可产生精度较高的方波、三角波，且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。其输出频率能在 20Hz-5kHz 范围内连续调整，达到调试简单、性能稳定、使用方便等优点，使信号发生器电路大大简化。 +15V C R1 2 7 uo1 +15V A1 6 Ro R4 2 7 3 4 A2 6 uo2 -15V 3

5、 4 R3 D1 R5 -15V R2 D2 a 分析以上三种方案，比较他们的利弊，方案三集成电路要简单很多，精度也较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，所以选择方案三三.波形产生器电路原理图及原理讲解3.1.波形产生器电路组成框图如下所示：由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波。3.2各组成部分的工作原理 （1） 方波发生电路的工作原理 此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。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实

6、线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。（2） 方波-三角波转换电路的工作原理其中上图为比较器的电压传输特性 上图为波形关系工作原理如下： 若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电

7、压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则 1将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度 2Uo1，则积分器的输出Uo2为 3时，时，可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度

8、相等的三角波，其波形关系图2.2-3所示。a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为 4 方波-三角波的频率f为 5由以上两式可以得到以下结论：1. 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。2. 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。（3）低通滤波器 一阶RC低通滤波电路转移函数:令 得 其幅频特性：其相频特性：四.相关参数分析与计算没有接通时，滞回比较器

9、V0=+UZ，则集成运放同相输入端，同时给C充电，使VR由0上升，在Vi之前，不变；当时，V0跳变到-VZ。当V0=-VZ时,同时C经反向输入端等效电阻）使VR降低，在VRVi之前V0=-VZ不变，当VRVi时，Vi跳变到+VZ（1） 方波部分方波的波幅由稳压管的参数决定，这里使用，方波的周期取决于充放电回路RC的数值。若R或C其中一个增大，和周期T均会增大，频率f也会增大。计算周期T：通过对方波发生电路的分析，可以想象，与改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，则占空比可调。则可求出周期T：带入值得T=48.4f=1/

10、T=20KHz（2） 三角波部分在方波发生电路中，当阈值电压数值较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。所以只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在其输出就得到三角波电压。如图5.2.2的仿真结果所示，当方波发生电路的输出电压u01=-Uz时，积分运算电路的输出电压u0将线性下降；而当u01=Uz时，将线性上升。积分电路的输入电压u01，而且u01不是+Uz，就是-Uz，所以输出电压的表达式为 式中u0(t0)为初态时的输出电压。设初态时u01正好从-Uz跃变为+Uz,则式子变为 积分电路反向积分，u0随时间的增长线性下降，一旦u0=-UT，再稍减小，u01将从+Uz跃变为-Uz。式子变为

11、 U0(t1)为u01产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，u0随时间的增长线性增大，一旦u0=+UT，再稍加增大，u01将从-UZ跃变为+UZ，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，因此产生自己震荡。由以上分析可知，u0是三角波，幅值为±UT；u01是方波，幅值为 ±UZ，由于积分电路引入了深度电压负反馈，所以在负载电阻相当大的变化范围里，三角波电压几乎不变。设正向积分起始值为-UT，终了值为+UT，积分时间为二分之一周期，则有 +UT= 得出震荡周期 震荡频率 调节电路中的R5，可以改变震荡频率和三角波的幅值。仿真结果： 图3.4（3） 低通滤波器 二阶

12、滤波器滤波器阶数不同对性能有着影响，我们选用在一阶滤波器基础上建立的二阶有限增益的低通滤波器，下图为二阶有限增益的低通滤波器的原理图。一般的，电路中通常取 幅频特性:传递函数为：增益为：滤波器的低通截止频率为： 1、这种二阶低通滤波器中，放大倍数H0不能任意指定，当 ，滤波器电路不稳定。2、电路中元件离散性少，电路参数调整方便。不过由于电路中通过引进了正反馈，所以整个电路的增益大小受到一定的限制。（4） 有源二阶带通滤波器它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率ff0时（f0 为截止频率），电路的

13、每级RC 电路的相移趋于-90º，两级RC 电路的移相到-180º，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。传输函数为： 令 称为通带增益 称为等效品质因数 称为特征角频率 则上式为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式原理图五仿真结果（1） 方波的基波分量输出（2）方波的三次谐波分量（3）实物图 六.心得体会 由于此次是首次课程设计，我这次的设计是通过与同学的讨论

14、与认真计算设计分析所完成的，课程设计的任务一般是设计、组装并调试一个简单的电子电路装置。需要我们综合运用“模拟电子技术基础”课程的知识，通过查阅资料、方案论证与选定；设计和选取电路和元器件；分析指标及讨论，完成设计任务。 在这次课程设计中，我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。动手能力得到很大的提高。从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的模电知识。在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。但由于电路比较简单、定型，而不是真实的生产、科研任务，所以我们基本上能有章可循，完成起来并不困难。把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步，元器件选择等手段结合起来，掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。这对今后从事技术工作无疑是个启蒙训练。通过这种综合训练，我们可以掌握电路设计的基本方法，提高动手组织实验的基本技能，培养分析解决电路问题的实际本领，为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。 同时也让我充分认识到自己的空想与实践的差别，认识莫眼高手低，莫闭门造车，知识都在不断更新和流动之中，而扎实的基础是一切创造的源泉，只有从本质上理解了原理，才能更好的于疑途寻求柳暗花明，实现在科学界的美好畅游和寻得创造的快乐。