东南大学模电实验报告

1、东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：模拟电子电路实验第 四 次实验实验名称： 信号的产生、分解与合成院（系）：自动化学院专业：自动化姓名：某某学号：实验 室 :101实验组别：同组人员：实验时间：2017年5月10日评定成绩：审阅教师：实验四 信号的产生、分解与合成一、实验目的掌握方波信号产生的基本原理和基本分析方法、电路参数的计算方法、各参数对电路性 能的影响；掌握由运算放大器组成的RC有源滤波器的工作原理，熟练掌握RC有源滤波器的基本 参数的测量方法和工程设计方法；掌握移相电路设计原理与方法；掌握比例加法合成器的基本类型、选型原则和设计方法；掌握多级电路的级联安装调试技巧；熟悉Fil

2、terPro、Multisim软件高级分析功能的使用方法。二、预习思考方波发生电路(Multisim仿真)图4.1中RW调到最小值时输出信号频率是多少，调到最大值时输出信号频率又是多少。稳压管为6V，要求输出方波的前后沿的上升、下降时间不大于半个周期的10%，试估 算图 4.1 电路的最大输出频率。如果两个稳压管中间有一个开路，定量画出输出波形图，如果两个稳压管中间有一个短 路呢？简单总结一下，在设计该振荡器时必须要考虑运算放大器的哪些参数。州a(Up-iMa,1州a(Up-iMa,1佩门lOkQMKikUiikij21)X-7(1) Rw 最小时，T=2.290ms, f=436.7Hz；

3、Rw最大时,T=24.4ms, f=41Hz。实际设计1kHz, 5Vp方波发生器电路时应该选择更小的R1，通过调整人的阻值获得1 kHz的输出信 号。 实验中使用的Ua741运放，数据手册中指出转换速率SR为0.5V/A，于是稳压管为6V 情况下，AU=12V, At=12/0.5=24Ms,Tm.n=At/10%*2=480Ms,可得 fmax=2.08kHzo(3) 有一个开路：上短路：下短路：000 AD 1* ITiftiebaseTimifi 1B0.139 r*iE 196-107 ms 15.Q6S ms:Hs-T11T2-2-ChBnnl_A5.OM V5.052 V2.Q2

4、2 mVChannal_BReverseSaveExt mggerScales5 ms/DivCFiannel AChannel QSeale-:2 V/Div呂 cate:X p&Sl(Dfv： n P0SL(DVSingle Normal AutE NoneTime CtionneLA ChonneLB 117.001 rns-D22 V133.050 ms-5.D3fi V16,048 ms-14.170 mV(Mcilloscope-XSClY PO5J；DW)： 0T in-ie-baseScoIe: 5 nns/DivX ptJS.(DfV)： 0F 1 00EU0V回回回(4)

5、运放的电压转换速率； 运放的最大输出电流； 运放的增益带宽积(高频时可能产生不了能够使稳压管正常工作的电压)滤波器电路(Multisim仿真)截止频率f0截止频率f0=2kHz,Q值为0.7, ff0的衰减速率不低于30dB/10截止频率fo= 500Hz, f=0.5f0的幅度衰减速不低于12dB。 上限频率2kHz，下限频率500Hz。设计一个高通滤波器设计一个带通滤波器(1) 使用 FilterPro 软件进行设计,所填参数如下Step 2: Filter SpecificationsPlease ente filter specifications!Gain MR:Passband F

6、requency (用：Allowable Passband Ripple備Stopband Frequency l：Stopband Attenuallon (A:Gain MR:Passband Frequency (用：Allowable Passband Ripple備Stopband Frequency l：Stopband Attenuallon (A:|200QV/V odBHzdBOptional - FfIter Order| SOODpisHzdB*/ Set Fixed选择Q值较为接近要求的Butterworth滤波器:；理 Typ*6曲rNa 卅 Stages；Max.

7、 cLinear Phase O.ffi32严ILinear Phase 0.5fi2ho.&i:&uttarw&rth2li;d-71Chebyshev D 5 dB2;c泪选择较为常见的多重复反馈型电路:Step 4: Filter TopologyMultiple Frrd b&ck topokigy is & seconri-order filter tapaiogy having inverting gain Since g亦n dars not re-quinr isolfltrd resistorSi thh tapolcgy is deEiirble in cases wher

8、-e low connipQnpnt count is required.在 Multisim 中仿真可得：A-w-5：.63H3C1 HI 10nFVW-KE :isv：R3 -Wl 7.gikRJOAFlUAM1CPBode Plotter-XBPIModeMngnrtudEHwiEontnlVartiralCcfrtnols*A-w-5：.63H3C1 HI 10nFVW-KE :isv：R3 -Wl 7.gikRJOAFlUAM1CPBode Plotter-XBPIModeMngnrtudEHwiEontnlVartiralCcfrtnols*2.037 kHz-3AB2 dB3.1

9、8210 20 可知Q =0.692，大致符合要求。200kHz1HZLog | LinLogLin10dB-200dBPhdiseRevErsE |535eta.un f=50.241kHz时，增益为-55.761dB，下降速度符合要求。(2) FilterPro 中所填参数如下：Step 2: Filter SpeifictiansPlease enter filter 刍戸包匚ificatinnrs:Gain Wd：Gain Wd：Passband Frequency （启：Allowable Paband Ripple俯：Stopband Frequency 闵：Stopband At

10、tenuation C4s国:Optional - Filter Order1wv|odB|500Hzn-dB|25OHzdB厂 Set Fixed |z所得电路为：ClCl1 DDnFR2RR3-1KD4fl0nFS5T.9nR1AW-3.1晦j-OpAmpMultisim 仿真得：Xvec15VUAFiiC.C2HHJiM-nFHF4D0nFXvec15VUAFiiC.C2HHJiM-nFHF4D0nFClII2QnFi S.llkCJt41QQnF3.006可知f=500Hz时，Au = 3Jq0.7，大致符合要求。1tMJpPktwKFiiW和吨申卩舟-+ h - g可知f=250Hz

11、时，增益为-18.087dB，相对于f=500Hz时下降了 15dB以上，符合要求。 中心频率应为V500Hz * 20kHz二1kHz。FilterPro中所填参数如下：Step 2: Filter SpecificationsPlease nterti ter specifications:dBGain GM：dBCenter Frequency (Aj):Allowable Passband Ripple丽：Passband Bandwidth BW 1500 Hz Stop ba nd Bandwidth 10OOOC HzStopband AttEnuation WjS: | -45

12、dBQpt ion al - : il ter O rderZ Hiecl所得电路为：Multisim 仿真得：10rFR5f :JNf- q-X3P1 :Wv:ri:R10Mode| everg? | Saw 5et.MsgnrtijdePh5M2D0kHz7HZHoriinrrtslLog 11 UnContrds30-zoodBVert cal所得电路为：Multisim 仿真得：10rFR5f :JNf- q-X3P1 :Wv:ri:R10Mode| everg? | Saw 5et.MsgnrtijdePh5M2D0kHz7HZHoriinrrtslLog 11 UnContrds3

13、0-zoodBVert cal吨.Un3.005可知，f=500Hz 时，Au = 10 20 - 0.7;13.005当f=500Hz时，Au = g - 0.7o大致符合要求。13.移相电路(Multisim仿真)波形合成时为何需要移相电路？ 移相是由于电路附带的电容引起的，在方波正弦波的转换过程中，相移在所难免的， 这就需要移相来解决附加相移。移相电路是对分频滤波以后的各个谐波信号进行相位的 调整，是它们的相位关系能同步。移相电路应该怎样调节？应该先调节好各次谐波的相位再合成？还是将各次谐波 合成后，再调节移相电路？请分析并写出原因。以原始的方波信号为基准信号，接到示波器的 CH1 输入

14、端，将移相网络的输出端接到CH2端，双踪是示波，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Rw 的函数;应先将滤好的各次谐波分别移相后再合成。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不同的附加相位，并且加法电路不含相移功能，此时设计 一个相移网络是不同频率的波形经过其得到符合各自要求移相比较困难或者根本不可能实 现，因此要对各次谐波进行不同程度的移相。三、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。设计一个方波发生器，要求其频率为1kHz，幅度为5V；设计合适的滤波器，从方波中

15、提取出基波和3次谐波；设计一个加法器电路，将基波和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。分析实验的功能与性能指标： 功能：此次实验主要功能是实现信号的产生，并让我们在对信号的分解过程中体会傅里叶级数对周期信号的展开，以及滤波器的设计(该实验主要使用带通和全通滤波器(即移相 器)，最后通过将分解出的谐波分量合成。性能指标：1、对于方波而言：频率要为1kHz，幅度为5V (即峰峰值为10V),方波关键顶部尽可 能是直线，而不是斜线。2、滤出的基波：波形要为正弦波，频率为1kHz，幅度理论值为6.37V (注：其实滤除 的基波幅度只要不太离谱即可，因为后

16、面的加法器电路可以调整增益，可以调到6.37V，后面的 3 次谐波也一样）故最主要的是波形和频率。3、3次谐波：波形要为正弦波，频率为3kHz，幅度理论值为2.12V。4、移相器（即全通滤波器）：不能对信号的幅度和频率有影响，只能改变信号的相位 使信号与输入方波的相位相等。5、加法器：能够弥补滤波出的信号幅度与理论值的误差，将各个谐波分量合成。6、最后合成的信号与产生的方波信号相位与频率应相等。实验电路的结构如下：四、实验电路设计实验电路的结构如下：1、方波发生电路使用稳压管与运算放大器构成的方波发生电路，再使用分压电路将之调整到-55V的双极性 方波。VEE-RfZQkQRwlODkQK&y

17、=A -RfZQkQRwlODkQK&y=A 40%伽F通过调整电位器RW可以得到精确的频率，调节电位器R57可以得到精确的幅度值。 仿真结果如下：Oscilloscope-XSClxTime匚 harnel_AChamd J7J5fi ms-35.704 ftlV0.000 V8,302 ms97.93 mV0,000 VluOOd Oscilloscope-XSClxTime匚 harnel_AChamd J7J5fi ms-35.704 ftlV0.000 V8,302 ms97.93 mV0,000 VluOOd MS133.647 mVfl-ODOVbiHHr2 CT|TIt2-TL

18、TnggerEdge:Lovol:TlrabflseScale: 20D usDivChannel A5cde: 2 叩DMChannel BScale: 6 W咖pn=.Div): 0Y pDL(Ckv: 0X pMLfOrv:U.lAdd B/A | WE | 城 0 OU |:| AC nDC |打卜IaId冋11 1VSingle2、滤波电路设计： 本设计采用带通有源滤波电路，借助 Filterpro 软件，同时考虑现有的器件条件，通过大量 的 Multisim 仿真实验实现获得效果较为理想的一次和三次滤波电路。(1) 基波：波形为正弦波，频率为1kHz，峰峰值理论上12.732V,幅

19、度可以允许存在误差，在后面的加法器进行调整，故最主要的是波形和频率。R24WnFUA741CPVEE10nF-1R24WnFUA741CPVEE10nF-1仿真结果如下：(2) 3 次谐波波形为正弦波，频率为3kHz，峰峰值理论上4.244V。小|A B|E.d|匚VVEE15V仿真结果如下：IllChannd_A 斗九 SCG V0.000 VChonnalH -L1R6 V -JL19Q V D.DOOVTims26.M4 ms26.534 msOlODD sOsillosc-Dpe-XSC2XT2-TILrhiebas?ChamS A5呦|帜5 WDMOiamJ b諭出I1G WkAut

20、o NoneEdflat | JR T| iLeveil:Yfw*Dhr:|丽瓯riTri o ipcixp幅伽：d移相电路不能对信号的幅度和频率有影响，只能改变信号的相位，是信号与输入方波的相位相等。从上面的设计图和实际此时的结果来看，我们的滤波器会使滤除的波形相对于原来的超前 但是由于采用了反相加法电路进行最后的波形叠加，相当于给每个谐波的相位不上180 度，反而能使相位超期，即时用如下图的一项电路进行移相：kOkfl1CP-15 VUA74RJ1一WvkOkfl1CP-15 VUA74RJ1一Wv1 Ok 口TH-100hF加法器能过弥补滤波出的信号幅度与理论值的误差，将各谐波分量合成，

21、实验设计中采用反相 加法电路，如下图：本实验中还用到了跟随器和反相器。添加跟随器的目的是实验中发现不接跟随器时将方 波引入3kHz滤波电路时，会发现方波受到了很大的干扰，因此采用跟随器能起到一个很好 的隔离作用。电压跟随器反相器将以上各电路模块化，最后综合电路如下：KS1四、硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析硬件实物图：测试的数据和波形并与设计结果比较分析(1) 方波：F別2二eTri曲L.-VM 2QDjjs Delay Q ODpsf = D57E7kl-k-LXilvSl. OZGSu.; C urr 2 SMfJIS阻抗1MQ2 00 VJdivD.ao mvBVVictW.F別2

22、二eTri曲L.-VM 2QDjjs Delay Q ODpsf = D57E7kl-k-LXilvSl. OZGSu.; C urr 2 SMfJIS阻抗1MQ2 00 VJdivD.ao mvBVVictW.0.00m%那下_页Page 1/2直流H.U-LUA 带竞限制 全带竟-10.00- =4册=4押丿1.血，= OEOrW：l JEO%上匕pi-EEdge QJQ jfL 0 DOrrf/Ampl CmeanChnsRRREMa二5E4/MnBase=jjBtJVWear时RV6FFRE=1$5%ROTl42mWP3-SR310.4mWppFreq=1.06kHz+ dthl厂一,

23、D4piEWirtt1.421 ii(4.9p5TM95.7 jjsCH1 R1.06kHz 询节探头粗迴：Ar-312(x. VhT-3 2lhHz 臨-308J0U5XI - -4.00us4.20V rFS3irAI -e：n=lU.I tzI4 “I 于I re；r=J.JLk- Iz_TLi： F-Pk Top Std&/ FOV LT Frd Rise -Dlty2.a o yjdiv0.00 mV_ HSE)2 ao yjdivo.ao mvBas 认=-6.21.則l卅e FFHE 卿 Freq Fal D翻12.72V6.W4.47V l0.E3% I -160 0947Eu

24、s 273.EJS603% .-iT-312.qjf vir=a J1kHlX2 - 308JOJS x = -n.mpEi Av= 4.20V-a. = 52am1T = -3JMWMn Mean 辭 01)0%ROVlamV/xjs=?J 06kHz+Widtr：_BWIcih3：-OusTVIt = 5-li Hd 7 Eu BOOMSaJS一 mi：tc由上图示波器测得的数据显示，生成的基波峰峰值为12.72V,频率为1.06kHz(3) 三次谐波自动F 宀门-ILLk-kPk_Fk2=4.2&/Freq2=3 ITkHiJWL_TL/Z)AArB.H： 耳-PR Top Std&/

25、F叫 血r Rd ; Rise -Dliiv牡8V2.1EV1.43VP_ .H： 耳-PR Top Std&/ F叫 血r Rd ; Rise -Dliiv牡8V2.1EV1.43VP_ J 一一.44V-SR+VWVln 2.12VVleai 二 CiJOtWMS9啲DCL 0 QOrriVEdge jFEu 500MS3J ; :-ri I.HiLi：i ao yjdivD.ao mv VI - 3E3V由上图示波器测得的数据显示，生成的三次谐波峰峰值为4.28V,频率为3.17kHz(4) 基波与三次谐波合成DC1MIAC1U1.05571Hzd卜宀门-ILLk-kJWL_TLa2 a

26、o yjdivD.ao mv1157V O.OOmV4.E2V0.00%MaxBasi5J0SV -5.7&/2.00 Vj divao mV12 5.7W 4JS7V 2.78% 64DErr 94BSDC1MIAC1U1.05571Hzd卜宀门-ILLk-kJWL_TLa2 ao yjdivD.ao mv1157V O.OOmV4.E2V0.00%MaxBasi5J0SV -5.7&/2.00 Vj divao mV12 5.7W 4JS7V 2.78% 64DErr 94BSU130 0u5 90 E%7O.B&nWMs 472.8j.i I 1.42rri 斬址/JTipl Cmean

27、PRE1 -Writh -LXik.H： 耳-PR Top Std&/ FW LT Rd Rise DityEu 500MS3J ； :-ri I.HiLi：E Jip. 暑&丽 jFL 0 QOrriV=4了41皿二 49.9%kin Meai R!VB JOO%ROV帀.77Mps -SRQBkHz+ dthm.3jj5iBWicihSIG LENT - Maaops Delay a capsH、-1咱-它上；.1-312(x.VZir-3 2iHHr 汇-308J0UiX1 - -4.00ms| 7- 4.20V 1 t-S3airftj- J - I - -3J6SV合成信号峰峰值为12.16V，频率为1.06kHz面给出用 matlab 软件画出的基波与三次谐波的合成图：基波与三次谐波的合成图分析：从波形上可知multisim与matlab得出的波形是一致的，但是在峰峰值上存在一点误 差，可能是有在用multisim仿真时，在用加法器求