信号处理电路的设计

PAGE第19页南京师范大学中北学院毕业设计（论文）（2013届）题目：信号处理电路的研究与设计专业：电子信息工程姓名：学号：指导教师：职称：教授填写日期：2013-05-20南京师范大学中北学院教务处制摘要目前，信号产生与处理电路应用非常广泛。例如，在测量、遥控、通信、自动控制、和超声波电焊等加工设备之中，都有正弦波振荡器的应用；在工程应用中，例如在实验用的低频及高频信号产生电路中，往往要求正弦波震荡电路的震荡频率有一定的稳定度，有时要求震荡频率十分稳定，如通讯系统中的射频振荡电路、数字系统的时钟产生电路等。非正弦波在一些电子系统中有着日益广泛的应用，如数字系统需要的特殊信号，如方波﹑三角波都可以通过非正弦波产生电路来得到。此外，在电信装备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。基于TL082CD，本设计介绍了正弦波信号的产生，以及基于555定时器构成的多谐振荡电路的探究与设计。同时也介绍了信号处理的相关内容，其中包括信号的叠加和二阶有源滤波放大电路的探究与设计。使用Multisim电路仿真软件对其进行仿真，用来验证电路理论设计的正确性和可行性。关键词：正弦波信号产生方波信号产生信号叠加二阶有源滤波放大AbstractCurrently,thesignalgenerationandprocessingcircuitiswidelyused.Forexample,inthemeasurement,remotecontrol,communication,automaticcontrol,andultrasonicweldingandotherprocessingequipmentinto,hasasinewaveoscillatorisapplied;inengineeringapplications,forexampleintheexperimentwiththelowandhighfrequencysignalgeneratingcircuit,itisoftensine-waveoscillationfrequencyoftheoscillatorcircuithasacertaindegreeofstability,sometimesrequirestheoscillationfrequencyisverystable,astheradiocommunicationsystemoscillationcircuit,adigitalsystemclockgeneratingcircuit.Non-sinusoidalinsomeelectronicsystemshasbecomeincreasinglywiderangeofapplications,suchasdigitalsystemsrequireaspecialsignal,suchasasquarewavetrianglewave﹑areavailablethroughthenon-sinusoidalwavegeneratingcircuittoget.Inaddition,varioustypesoftelecommunicationsequipmentandcontrolsystems,thefilterwiderangeofapplications;filterwilldirectlydeterminethemeritsofproducts,sotheresearchandproductionofthefilterhasalwaysbeenvaluedbyallcountries.BasedTL082CD,thisdesignintroducesthesinewavesignalgeneration,andonthe555timerconsistingofmultivibratorcircuitinquiryanddesign.Alsointroducedthesignalprocessing,includingthesignalsuperpositionandsecond-orderactivefilteramplifiercircuitofinquiryanddesign.ItsuseMultisimcircuitsimulationsoftwaresimulation,circuittheoryisusedtoverifythecorrectnessandfeasibilityofthedesign.Keywords:SinewavesignalgeneratorSquarewavesignalgenerationSignalsuperimposedSecond-orderactivefilteramplifier目录TOC\o"1-3"\h\u15517第一章绪论 497391.1课题的意义和应用背景 4271221.2本课题的研究内容 41301第二章信号处理电路的系统方案 522642.1系统方案介绍 584432.2系统框图 517789第三章信号产生电路的分析及设计 6193633.1正弦波产生电路的分析及设计 6283813.1.1正弦波振荡电路原理 6292153.1.2设计方案及比较 6142663.1.3正弦波产生电路的实现方案 6216393.2方波产生电路的分析及设计 9218133.2.1555定时器的电路结构和逻辑功能 914043.2.2方波产生电路的实现方案 103620第四章信号处理 11221194.1求和电路 1127784.2滤波放大电路的设计与分析 12271344.2.1方案选择 12108884.2.2二阶RC有源带通滤波器的设计 1353044.2.3二阶RC有源带通滤波器的性能参数及器件参数的选取 1416811第五章结果分析 1527513结束语 1517034致谢 1619605参考文献 166827附录 1624054附录一信号处理的电路原理图 1729921附录二信号处理的PCB电路图 18第一章绪论1.1课题的意义和应用背景在现代电子学中信号产生与处理应用于各个领域，其中信号产生可以分为正弦波振荡电路与非正弦波振荡电路，正弦波振荡电路在通信﹑广播﹑电视系统中应用广泛，常常用作载波。非正弦波在数字系统中得到日益广泛的应用，如方波、三角波等。在电子电路设计中常常需要对产生的不同波形和频率的信号进行处理，例如滤除信号中的噪声﹑干扰或将信号进行合成以及将信号变换成容易处理、传输﹑分析与识别的形式等，以便提取出有用信号。1.2本课题的研究内容设计制作能产生两个不同频率（记为f1，f2），不同波形信号的电路，将这两个信号合成得到另一个信号，将其通过滤波电路，使得频率为f1的信号能够通过，而频率为f2的信号不能够通过，还原出频率为f1的信号并将其放大。第二章信号处理电路的系统方案2.1系统方案介绍整个电路由两大部分电路组成，第一部分为信号产生，产生一个频率为2kHz正弦波和10Hz的方波。第二部分为信号处理，将产生的正弦波和方波叠加，并设计滤波电路，滤除叠加波中的方波而输出正弦波。2.2系统框图系统框图如图2-1所示。通过框图，可以清晰的看出系统的各个模块的功能。正弦波产生电路正弦波产生电路求和叠加电路求和叠加电路二阶有源滤波放大电路二阶有源滤波放大电路方波产生电路方波产生电路图2-1系统框图 第三章信号产生电路的分析及设计3.1正弦波产生电路的分析及设计3.1.1正弦波振荡电路原理正弦波振荡电路是一个没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路。正弦波振荡电路也称为正弦波振荡器，其实质是放大器引正反馈的结果。正弦波振荡电路一般由放大电路、选频网络、正反馈电路、稳幅环节四部分组成。选频网络通常不是独立存在，有时和正反馈网络合二为一，有时和放大电路合二为一。其基本原理如下：在直流电源闭合的瞬间，频率丰富的干扰信号串入振荡电路的输入端，经过放大后出现在电路的输出端，但是由于幅值很小而频率又杂，不是所要求的信号。此信号再经过选频及正反馈网络把某一频率信号筛选出来（而其他信号被抑制），再送回放大电路的输入端，整个电路的回路增益应略大于1，这样不断循环放大，得到失真的输出信号，最后经稳幅环节可输出一个频率固定、幅值稳定的正弦波信号。3.1.2设计方案及比较正弦波振荡电路的类型根据选频网络的组成元件可大致分为RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路、石英晶体正弦波振荡电路三种。其中RC正弦波振荡电路一般用来产生1Hz到1MHz范围内的低频信号，而LC和石英晶体正弦波振荡电路则一般用来产生1MHz以上的高频信号。对于产生高频信号的LC正弦波振荡电路，主要有变压器耦合式LC振荡器和三点式LC振荡器两大类。其中变压器耦合式LC振荡器又可分为共发射极LC振荡器和共基极LC振荡器；而三点式LC振荡器又可分为电感三点式LC振荡器和电容三点式LC振荡器。而对于产生低频信号的RC正弦波振荡电路，主要有RC文氏桥振荡电路和双T型RC振荡电路两类。RC正弦波振荡电路没有LC正弦波振荡电路那样尖锐的选择性，振荡波形没有LC振荡器那样纯，但RC网络简单、便宜。RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下，LC振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡(几百千赫以上)。由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。根据本设计的设计要求，产生2kHz的正弦波，选用RC文氏桥式振荡电路便能达到设计要求。3.1.3正弦波产生电路的实现方案图3-1RC文氏桥式振荡电路原理图如图3-1所示，RC串并联构成选频网络，其中R1与R2阻值相等，均为8k，C1与C2容值相等，均为0.01uF,R3和R4构成反馈网络，R4阻值取2k,R5、D1、D2构成稳幅电路，R4阻值取2k,调节R3可改变反馈系数，从而改变放大电路的电压增益满足振荡的幅度条件，二极管利用其稳压特性来限制输出幅度，改善输出波形，避免失真。由图所示RC串并联电路令其中R2=R1=R,C2=C1=C令其中,为运放正相端的电压，为运放的输出电压，则得=(3-1)当上式分母中虚部系数为零时，RC串并联网络的相角为零。满足这个条件的频率可由式(3-1)求出：或（3-2）将（3-2）代入（3-1）中有（3-3）由式（3-3）可知，当或（3-4）幅频响应的幅值为最大，即而相频响应的相位角为零。起振条件：|A·F|≥1，A≥3，其中，A为放大电路的增益，F为反馈系数。图3-1中两个二极管的作用是起稳定幅度的作用，利用二极管导通电阻的非线性可控制负反馈的强弱，从而控制放大器电压放大倍数以达到稳定幅度的目的。当震荡刚建立时，振幅较小，流过二极管的电流也小，其正向电阻大，负反馈减弱，保证了起震时振幅增大；但当振幅过大时，其正向电阻变小，负反馈加深，保证了震幅的稳定。也可以用其它的非线性元件来自动调节反馈的强度，以稳定震幅。如：热敏电阻，场效应管等。电路仿真结果如图3-2所示图3-2正弦波输出3.2方波产生电路的分析及设计多谐振荡方波发生器在各理工科实验中具有广泛的应用，同时在生活中的数字设备、家用电器、电子玩具等许多领域也有需求。方波信号是一种应用极为广泛的信号，它在科学研究、工程教育及生产实践中的使用非常普遍。它通常作为为标准信号，应用于电子电路的性能试验或参数测量。另外，在许多测试仪中也需要用标准的方波信号检测一些物理量。所以研究多谐振荡方波发生器具有非常重要的现实意义。本节设计是基于555定时器设计方波产生电路3.2.1555定时器的电路结构和逻辑功能图3-3555定时器的电路结构由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。它的各个引脚功能如下：1脚：GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5～16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3～18V。一般情况下选用5V。3脚：OUT（或Vo）输出端。2脚：TR低触发端。6脚：TH高触发端。

4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

7脚：D放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。电阻分压器由三个5kΩ的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。3.2.2方波产生电路的实现方案图3-4555定时器构成的多谐振荡器用555定时器构成的多谐振荡器电路如图3-4所示：图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电；外界控制输入端（5脚）通过0.01uF电容接地。电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，V=0v，所以555定时器状态为1，输出Vo为高电平。同时，集电极输出端（7脚）对地断开，电源对电容C充电，电路进入暂稳态I，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。暂稳态Ⅰ的维持时间，即输出Vo的正向脉冲宽度T1≈0.7(R1+R2)C；暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度T2≈0.7R2C。

因此，振荡周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振荡频率f=1/T。正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比Ｄ，由上述条件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，则D≈1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。方波电路输出仿真结果如图3-5所示图3-5方波输出第四章信号处理4.1求和电路图4-1信号叠加电路根据虚短﹑虚断的概念求得图4-1电路图的输出表达式为：V0=+(4-1)由（1）可以看出该电路的功能是将信号Vi1和Vi2叠加为一个信号输出，其中Vi1为第三章产生的正弦波，Vi2为第三章产生的方波。Vo输出波形如图4-2所示图4-2叠加电路输出4.2滤波放大电路的设计与分析4.2.1方案选择滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或者抑制。这些网络可以由RLC元件或RC元件构成无源滤波器，也可以由RC元件和有源器件（如集成运放）构成有源滤波器。由集成运放、R、C组成的有源滤波有不用电感、体积小、重量轻的特点，此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用，因此本次实验选择有源滤波器。一个理想的滤波器应在要求的通带内具有均匀而稳定的增益，而在通带以外则具有无穷大的衰减。然而实际的带通滤波器距此有一定的差距，为此采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性。常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦响应和切比雪夫等波动响应，在不许带内有波动时，用巴特沃斯响应较好，在给定带内所允许的纹波差，则用切比雪夫响应比较好。为了获得比较稳定的信号，选择具有巴特沃斯响应的二阶RC有源滤波器设计方案。具有巴特沃斯响应的二阶RC带通滤波器的常用电路有电压控制电压源电路和无限增益多路反馈电路。电压控制电压源电路中的运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称电压控制电压源电路，其优点是电路性能稳定，增益易调。而无限增益多路反馈电路的中的运放为反相输入，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路，故称无限增益多路反馈电路，其优点是电路有倒相作用，使用元件较少，但增益调节对其性能参数会有影响。为了使所设计的滤波器具有较好的增益可调性，选择电压控制电压源电路。又由于本滤波器的作用是为了提取图4-2V0中的正弦信号，经过傅里叶分析知，方波的频谱分布非常广泛，几乎包含整个频带范围。而正弦波的频谱分布较为集中，主要集中在正弦波的中心频率上。经过以上多方面的分析、比较，选出的方案为：设计一个具有巴特沃斯响应的二阶RC有源带通滤波电路。使得有源带通滤波器的通带包含正弦波的中心频率，这样便可有效的提取出正弦信号。4.2.2二阶RC有源带通滤波器的设计带通滤波器的原理是通过对电容、电阻参数的配置，使得模拟滤波器对频率在通带内的频率分量呈现很小的阻抗，而对频带外的频率分量呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把通带内的信号提取出来，把通带外的信号去除。图4-3二阶有源滤波电路图4-3所示电路为二阶有源带通滤波电路，图中R22、C13组成低通网络，R26、C10组成高通网络，两者串联就组成了无源带通滤波电路，图中在带通电路的输出端再加上一个电压跟随器，使之与负载很好的隔离开，三者构成了一个简单的二阶有源带通滤波电路，由于电压跟随器的输入阻抗很高、输出阻抗很低、并且有电压放大功能的特性，将其改为同相比例放大电路如原理图4-3中所示的接法即可实现对滤出的信号的电压进行放大，通过改变R22、C13、R26、C10的值，可以调整带通滤波电路的中心频率，通过改变R23、R25的值可以调整带通滤波电路的品质因素、增益和带宽。原理图4-3所示电路有：电路简单，元件参数少，电路稳定性好，增益可调等特点。4.2.3二阶RC有源带通滤波器的性能参数及器件参数的选取同相比例放大电路的电压增益就是带阻滤波器的通带电压增益，即AUF=AVF=1+。带通滤波器的中心角频率。带通滤波器的带宽：BW=fp2-fp1=2(2-AUF)f品质因数，它的大小影响带阻滤波器在截止频率处幅频特性的形状。Q==。本次带通滤波器设计的目的是将中心频率为2KHz的正弦信号从正弦波与方波的叠加波中提取出来。故带通滤波器的中心频率为2KHz。根据中心频率选择电容，因为中心频率在1KHz至10KHz的范围内，因此选择电容值为的电容。根据所选的实际电容值以及公式K=（其中的单位为Hz；C的单位为μF）计算出电阻换标系数K的大小，通过计算，K=5。再由参考资料《基础电子电路设计与实践》中的表4.5.5二阶带通滤波器（巴特沃斯响应）设计表、滤波器参数和电阻换标系数，选择电阻，如图4-3所示。最后，选择的集成运算放大器为TL082CD。TL082CD的功能介绍为：TL082CD芯片具有高输入阻抗，低输入偏置电流，谐波失真0.003%，增益带宽积3MHz，开环增益106Db，转换速率13V/us。综合考虑集成运算放大器TL082CD芯片的各方面特性，其正好符合有源带通滤波电路所需要的功能，故选择它作为电路中的同相比例放大电路。第五章结果分析Multisim仿真电路的仿真结果如图5-1所示图5-1滤波输出信号图中红色的正弦波为正弦波振荡电路产生的波形，绿色的正弦波为滤波器从正弦波和方波叠加波中提取出来的波形，从图5-1可以看出两个波形的频率大致相等，幅度放大了近一倍，与设计相吻。但是存在相位差，其原因可能是由于运算放大器内部存在