信号的产生分解与合成

1、LimsEER .电子实验报告东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：电子线路实践第七次实验 实验名称：信号的产生、分解与合成 院(系)：电子科学与工程学院专业： 姓名：姜勖学号:06A11315 实验室:104实验组别:27同组人员：徐媛媛实验时间：年月日 评定成绩：审阅教师：实验四信号的产生、分解与合成一、实验内容及要求设计并安装一个电路使之能够产生方波，并从方波中分离出主要谐波，再将这些谐波 合成为原始信号或其他周期信号。1 .基本要求(1)设计一个方波发生器，要求其频率为 1kHz,幅度为5V;(2)设计合适的滤波器，从方波中提取出基波和 3次谐波；(3)设计一个加法器电路，将基波和

2、3次谐波信号按一定规律相加，将合成后的信 号与原始信号比较，分析它们的区别及原因。2 .提高要求设计5次谐波滤波器或设计移相电路，调整各次谐波的幅度和相位，将合成后的信 号与原始信号比较，并与基本要求部分作对比，分析它们的区别及原因。3 .创新要求用类似方式合成其他周期信号，如三角波、锯齿波等。分析项目的功能与性能指标：功能：通过振荡电路产生一个方波，并将其通过滤波得到1、3、5次谐波，最后通过加法电路合成新的波形。性能指标：(1)方波：频率1KHz幅度5V。(2)滤波器：基础要求从方波中提取基波和三次谐波，提高要求提取五次谐波。(3)移相电路：通过移相电路调节滤出来的 1、3、5次谐波相位，

3、使得其与原方波相位差近似为00（4）加法器电路：将基波和3次谐波和5次谐波信号按一定规律相加。1、信号的产生通过震荡电路产生1kHz,幅度为5V的方波信号。2、滤波器的设计根据方波的傅里叶展开式：可知原信号分解只包含奇次谐波分量。因此设计不同中心频率的带通滤波器，可将各 次谐波滤出。3、相位校正电路由于滤波器用到了对不同频率有不同响应的储能元件，对于滤除的波形会产生附加相 位。若要让各次谐波叠加出原有信号，必须调节其相位使之同相。用全通滤波器可在不影 响相对幅度的前提下改变相位。4、加法电路将滤除的基波、3次谐波、5次谐波相加，得到近似的方波信号。对于滤波器对不同频 率分量不成比例的衰减，可在

4、加法电路中选择合适的比例给予响应的补偿。二、电路设计（预习要求）（1）电路设计思想（请将基本要求、提高要求、创新要求分别表述）：1、信号发生电路：利用运放和RC回路构成振荡电路，通过分别调节正反向 RC回路的时间常数和运 放同相输入端的参考电压来调节震荡电路的频率以及占空比。用一对稳压二极管限制 输出电压幅度，并对稳压管导通压降进行一定的补偿。2、有源带通滤波器：根据实验要求，设计有源带通滤波器，将所需频率的信号以尽量小的衰减输出，同时对其它频率有非常大的衰减。因此需要增加滤波器的阶数。初步选择采用二阶有源带 通滤波器，通过理论计算，调节其中一个电阻来改变中心频率。根据实际搭出的电路 效果，可

5、尝试使用四阶有源带通滤波器，以求获得更好的滤波效果。3、相移电路：由于滤波器难免对滤出的谐波分量产生附加相位，需要在选频电路之后加一全通 网络校正相位，抵消相位差。移向电路有两种，分为正向移向和反向移向。4、加法电路将所得到的各次谐波分量叠加，得到近似的方波。同时，加法电路可对滤波对原 信号分量的衰减进行补偿。（2）电路结构框图（请将基本要求、提高要求、创新要求分别画出）：基础要求：因基础要求与提高要求相比，除缺少 5次滤波与移相电路外，其余部分均 相同，其结构框图已包含在提高要求的框图中，故不单独列出。提高要求：（3）电路原理图（各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明）：分工：徐

6、媛媛（滤波电路的设计、搭建和调试）；姜勖（方波产生、相移及加法电路 设计搭建和调试）方波振荡及鉴幅电路：采用迟滞比较及RC反馈回路以及比较器鉴幅电路，总电路图如下：设从输出端的对输入端的负反馈电阻鱼别为 Rf1和Rf2,则前部分方波的振荡周fBV2logR2-WvJ；期为T RI- 15Vgc 请 5.3CW2c ln(1 1p八 R 一 nCln(1 2. Rf万泉衰灌 R2R7号侬财波的频率翻飘耐z,占空比为50%iOOnFRI六%、一 uohn741），遮飙仙例分别调节Rf1和Rf2的阻值DI1HA721AUlfl 调到用E1科存.王告早重任际由于运放741的压摆率较小，在输出方波时跳变

7、沿斜率较低，如下图所示。在振荡电路后追加高压摆率的 LM311构成的鉴幅比较电路，对波形进行修正， 修正效果如下图所示。同时，为了防止鉴幅电路输入过大，在级联处对信号予以衰 减；另外，为了补偿稳压管正向导通压降造成的输出电压大于5V的情况，在输出端再对信号进行一定的可调衰减。本来想用LM311直接构成RC方波振荡电路的，但或许是因为上拉电阻的影响， 电路输出的方波的占空比总不为 50%!偏差较大，故仍采用741作为振荡电路的运 放。LM311构成振荡电路的输出波形如下所示，可以发现，占空比明显不为50%带通滤波器： 使用TI公司的FilterProDT 设计有源带通滤波器，基本电路图如下：因该

8、软件使用的并非标准电阻，所以实际应用的时候将阻值近似为标准电阻后可能会对滤 波效果造成很大影响。若将三个电阻均改为电位器进行调节则难度极大，因此进一步计算 其传递函数进行分析。传递函数：H (s)C1c2RR2 s(C1 C2)R 1R1R3|H(j)| 0得取得最大增益时的角频率:sR2cl1R1实际试验中，取R,C1C2RR2Ci C2C ,贝1：f当 R1 80k , r2 160k,Ci C2 10nF时，对于不同的R3取值，理论值如下:用电位器调节更为合适。从上面的分析可知，固定C1、C2、0,调节R3改变通频带中心频率。实际调试时发现，即使将R3改为电位器调节，滤得的波形虽然频率大

9、概符合要求，但 存在高低不齐的问题。因此选择采用有源四阶带通滤波器。基本电路图如下：与以上分析相似，可知R3是调节通频带中心频率的关键，不宜用标准化参数的电阻， 选用电位器调节更为合适。实际操作中，将第一级滤波电路的飞改为电位器调节即可，滤得的波形与二阶滤波相比要准确很多。移向电路：考虑幅值的损失，应使得最终输入输出表达式为两个共腕复数的相除，使得模 值比为1,而使输出相对源输入产生附加相移。通过可变电阻对输出的相移进行改 变，输入输出比表达式应该是 R的函数，即f(R)选择图所示的电路实现移项功能。Uin Ui由下左图,Uin 3R2联立方程组Ui UoutRi解得UoutU7j CR3RR

10、2j CR3 1左图0180移相电路右图U1R3-180 0*注：图示参数并未调整, 具体取值以后面解说为 准，在此仅做功能分析。移相电路Uout j CR31若选择参数R1 = R2 ,则表达式化简为Uin j CR3 1 ,其模为1。针对滤波器 网络输出的不同频率的波形适当选择 C的大小，CR3在调节的过程中大小在1左 右变动实现相移。当R3=0时，相移为冗；当 CR3=oo时，相移为0,相移的变化范围可以满足调整的需要。Uout同理，如图, 相移为-九；在本实验中,有Uinj CR3 1j CR3 1 ,当R3=0时，相移为0;当CRoo时,取Ri R2=10kQ,电容选用100nF的电

11、容，电位器选用10k Q。可以根据实际的情况来选择以上两种移项，其中第一种移相器的可移动相位角为 0180 ,第二种移相器的可移动相位角为-1800。仿真波形如下所示，其中，红色为输入波形，黄色为左图相移波形，绿色为右图相移波形。加法器电路：由于滤波 成的波形与原 增益应该1 合适。(4)列出系统需要 注明)： d. 干，3基础要rMr-mTri期事产：0匡同levEfc 口v电路仿真总三、硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析(1) 硬件实物图(照片形式)：(2) 制定实验测量方案：1、 用数字存储示波器测量方波产生的信号，测量幅度、频率。调节电位器，使频率为1kHz,占空比为50%2、 用

12、双踪示波器分别测量方波和滤波器输出。利用电位器调节5 次谐波。3、 用双踪示波器分别测量方波和经过调相电路的信号输出， 分别使基波、 3 次谐波、5 次谐波与方波同相位。4、 加法电路中，依次将其中一路谐波输入信号输入，其余接地，通过双踪示波器观察，调节电位器，使之输出幅度满足傅里叶系数。5、 将三个信号叠加，观察示波器波形，与原方波对比。(3) 使用的主要仪器和仪表：1、直流电源2、双踪数字存储示波器(4) 调试电路的方法和技巧：采用分模块调试的方法，保证各模块指标符合要求后在进行组合。方波振荡电路： 通过调节电位器，使得频率为 1kHz, 占空比为50%，由于稳压管不是准确，又对产生的方波

13、进行比例调节，使得幅值为准确的5V。滤波电路： 基波与 3 次滤波电路实际效果很好，不需要进行调节( 3 次滤波因采用四阶带通有源滤波器的缘故，且接地电阻与理论值十分接近，因而不需要电位器进行调节即可得到频率符合要求、最大值与最小值相同的正弦波。)调节5 次滤波电路的接地电阻，使其中心频率到达所要的频率点。移相电路 : 用双踪示波器观察所产生方波与滤除波形，调节电位器，使两者无相位差。加法电路： 依次将其中一路谐波输入信号输入，其余接地，通过双踪示波器观察输出波形的幅值，调节电位器，使之满足傅里叶系数。各路谐波调节好后，再用示波器分别观察基波与3 次谐波叠加及基波、 3 次谐波、 5 次谐波全

14、部叠加后的波形。(5) 测试的数据和波形并与设计结果比较分析：【 1】方波：频率：正频宽： s 负频宽： s 占空比： 50.04%最小值：最大值：频率、占空比、幅值均达到要求。【 2】基波方波频率，基波频率，与理论值吻合。因本图为直接滤波后得到的波形，滤波电路对增益存在一定的衰减，所以基波幅值较小，将在后面的加法电路中对增益进行补偿。【 3】三次谐波方波频率， 3 次谐波频率，与理论值十分接近。关于幅值的解释同基波。【 4】五次谐波方波频率， 5 次谐波频率，与理论值相近。关于幅值的解释同基波。【 5】基波+3 次谐波方波频率，叠加后的频率也为，符合要求。叠加后的波形与方波相比几乎没有相位差

15、。【 5】基波+3 次谐波 +5 次谐波方波频率，叠加后的频率为，十分接近。叠加后的波形与方波相比几乎没有相位差。与上图相比，基波和 3 次、 5 次谐波叠加的结果更接近原方波。(6) 调试中出现的故障、原因及排除方法：由于级间耦合的影响， 五次谐波滤波电路单级调试正常， 在经相移电路后波形出现失真， 为了消除该影响， 在两级之间连入一电压跟随器， 起到隔离作用， 解决了问题。因为作品焊接在了洞洞板上，对焊接要求较高。在最终调试的时候，发现加法电路无法输出波形，检查许久后，终于发现是741 芯片引脚接触不良导致，重新焊接芯片座之后问题解决，再次级联后效果很好。四、总结(1) 阐述设计中遇到的问

16、题、原因分析及解决方法：电路设计中所用到的电阻很多都不是标准电阻， 取相近的标准电阻后， 电路功能会 出现一定的变化，特别对于滤波电路来说精确的电阻非常重要。实际中采用定值电阻和电位器组合的方式解决了该问题。(2) 总结设计电路和方案的优缺点：优点： 产生方波的各个参数可控而且瞬时性很好， 同时， 采用较多电位器对电路结构进行微调，使最终波形较为平滑而完整。滤波器采用四阶滤波， 带内波动较小， 输出波形的频率稳定； 可通过加法电路补偿衰减；各部分电路结构相似，便于统一分析与调试。不足：对通频带带宽缺少实时调节办法， 同时，用了较多的运放和电位器，电路连接较为复杂。(3) 指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望：核心： 信号的产生；滤波器的设计；波形的相移及合成实用价值： 可对混杂在一起的信号进行分解， 并分离高频噪声， 将有用的信号保留，还原有价值的信息，对采样定理等的原理能有一种较为感