毕业论文---信号试验箱的仿真与研究

1、毕业设计报告（论文） 报告（论文）题目： 信号试验箱的仿真与研究 作者所在系部：电子工程系 作者所在专业：应用电子技术 作者所在班级： 作 者 姓 名： 指导教师姓名： 完 成 时 间：2010年6月1 日 1 毕业设计（论文）任务书 姓名： 指导教师： 专业： 职称： 应用电子技术班级： 毕业设计（论文）题目：信号试验箱的仿真与研究 设计目标： 1部分实验电路的分析与原理设计； 2基于Multisim实现电路设计与仿真； 3部分实验电路的实验数据与分析； 4部分实验电路的故障检测方案与维修方法。 5毕业论文 技术要求： 完成信号与系统实验箱部分电路的原理分析及电路的仿真；提出现有实验电路 容

2、易发生故障的解决方案和方法；完成部分实验电路维修与调试；掌握和熟悉仪器 设备的使用。 技术指标根据具体实验电路的技术要求确定。 所需仪器设备：万用表，示波器，信号发生器，计算机及 Multisim 软件 成果验收形式：论文 参考文献： 信号与系统 、 信号与系统实验指导书等 时 1 6 周- 8 周 间 安 2 8 周- 9 周 排 9 周- 14 周 14周 -18 方案设计4 周 资料查阅3撰写论文 成果验收 2 内内 容容 摘摘 要要 信号与系统课程是高等院校电子类专业学生的必修课,它不仅是电子类专业教学中一 门非常基本的课程,而且也是该类学生在大学教育阶段必修课程中受益面最广又最有用途

3、 的课程之一。 但是同学们在学习这门课程时,普遍感到信号与系统的概念很抽象,对其中的 分析方法与基本理论不能很好地理解和掌握。因此,如何让同学们尽快地理解和掌握课程 中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及学会灵活运用这一理论工具,是开设信号与 系统课程所要解决的关键问题。 项目旨在开发一个配合学校所开设的“信号与系统”课程的实验装置，所开设的实验 应与课程密切结合， 能够覆盖课程的知识要点并帮助同学理解课程内容。 并且硬件电路尽 量简洁、布局合理、 可靠性和稳定性强。为了减少同学实验时所用的仪器，本实验箱将所 需要的仪器尽量内含于装置本身。 任何一个周期性函数都可以用傅立叶级数来表示， 这种

4、用傅立叶级数展开并进行分析 的方法在数学、物理、 工程技术等领域都有广泛的应用。例如要消除某些电器、 仪器或机 械的噪声，就要分析这些噪声的主要频谱，从而找出消除噪声方法；又如要得到某种特殊 的周期性电信号，可以利用傅立叶级数合成，将一系列正弦波形合成所需的电信号等。本 实验利用串联谐振电路， 对方波电信号进行频谱分析， 测量基频和各阶倍频信号的振幅以 及它们之间的相位关系。 然后将此过程逆转， 利用加法器将一组频率倍增而振幅和相位均 可调节的正弦信号合成方波信号。 为分析系统的响应， 一般的方法是建立系统的微分方程并求解， 对于一些较为复杂的 系统， 其微分方程可能是一个高阶方程或是一个微分

5、方程组， 其求解往往很费时间甚至困 难。由于描述各种不同系统的微分方程，可以用电路系统来模拟，并给电路系统加以相应 的激励，则系统的响应就是微分方程的解。实现这种功能的装置称为“电子模拟计算机” 。 本文首先介绍了信号与系统实验箱设计的必要背景， 旨在提高对信号与系统课程教学 的有效性及高效性。 通过对实验箱各模块的设计与实现， 我们基本能够覆盖该课程的各个 知识要点，学习中起到帮助同学理解课程的作用。最后通过对实际电路的测试，得到实验 结果，满足实验要求。 关键字：信号与线性系统实验箱，信号分解与合成 3 目录 第 1 章选题背景. 5 1.1 课题来源 . 5 1.2 选题的目的与意义 .

6、 5 1.3 国内外发展状况和存在的问题 . 6 1.4 设计的指导思想 . 6 1.5 实验箱组成及概况 . 7 第 2 章信号的分解与合成技术. 8 2.1 信号的分解与合成理论基础 . 8 2.2 信号分解与合成的电路实现结构 . 9 2.2.1 信号的分解提取电路 . 9 2.2.2 信号合成电路 . 9 2.2.3 滤波器设计 . 10 2.2.4 频率滤波的基本概念 . 12 2.3 小结 . 15 第 3 章软件仿真. 16 3.1 MULTISIM 软件介绍. 16 3.2 功能模块 . 16 3.2.1 滤波器仿真模块. 16 3.3 小结 . 18 第 4 章实验箱的电路组

7、成及芯片介绍. 20 4.1 实验箱实际电路图 . 20 4.2 功能芯片简介 . 21 4.2.1 CD4066 . 21 4.2.2 NE555 . 22 4.2.3 HA17741 . 23 4.3 小结 . 24 第 5 章课题总结. 25 5.1 软件仿真与实际实验的差别 . 25 5.2 结论 . 25 致谢 . 26 参考文献. 27 4 信号试验箱的仿真与研究 第 1 章选题背景 1.1 课题来源 “信号与系统”不仅是电子信息、通信类专业学生的一门重要的专业基础课程,也是其 研究生入学考试的必考课程之一。它在电子信息类专业的教学中有着很重要的地位,是数 字信号处理、通信原理等课

8、程的非常重要的先修课程。该课程与数字电路、模拟电路许多 专业课有很密切的联系,还涉及到线性微分方程、积分变换、复变函数等多门数学课程的 内容。在教学环节中起着承上启下的作用,其重要性是其它课程不可替代的。本课程的任 务是使学生获得信号与系统分析方面的基本理论、基本知识和基本技能,培养学生分析问 题和解决问题的能力,为深入学习通信、电子信息类专业有关课程及为以后从事专业工作 打下良好的基础。 目前该课程的教学需要解决的主要问题如下:根据教学计划安排,课时被 大大减少,但需交待的内容较多,就出现了课程内容多,教学时数少的矛盾,如何协调两者 的关系,并保证良好的教学效果,是教学中必须解决的关键问题。

9、 本课内容的特点是应用的 数学工具多、公式多,数学演绎复杂。如何把抽象的数学语言和具体的物理概念与实际应 用联系起来,也是教学中要解决的重要问题。 此外,一些学生的学习目的不明确。 学习的目 的不仅是会做题和掌握一些做题技巧,而且还要了解其内在联系,开阔视眼,培养观察问题 的敏锐力,达到学以致用。虽然该课程是一门理论性很强的课程, 但是实验教学却是提高 教学质量的不可或缺的手段之一。在实验过程中,通过实验设计、实验操作、分析思考得 出结论,让学生从实验探究中获取知识,并通过自评、互评、讲评、讨论、总结,使学生之 间相互交流,不断提高认识,从实验中领略探究的乐趣,从而增强学习知识的主动性。以往

10、信号与系统的实验大都是用电路完成的 ,不直观,而且学生在实验中把大量的精力花在电 路调试上,效果不好,很多复杂系统的实验更是难以实现。 为此我们引入信号与系统实验箱 来解决这样的问题。从而有了我们这次的课题信号与系统实验箱。 1.2 选题的目的与意义 信号与系统课程是高等院校电子类专业学生的必修课,它不仅是电子类专业教学中一 门非常基本的课程,而且也是该类学生在大学教育阶段必修课程中受益面最广又最有用途 的课程之一。 但是学生在学习这门课程时,普遍感到信号与系统的概念很抽象,对其中的分 析方法与基本理论不能很好地理解和掌握。因此,如何让学生尽快地理解和掌握课程中的 基本概念、基本原理、基本分析

11、方法以及学会灵活运用这一理论工具,是开设信号与系统 课程所要解决的关键问题。 为了达到这一目的,课程实验是一个必不可少的环节。 目前,有相当一部分院校将 “信 号与系统实验”的内容进行了分解:一部分归入“电路实验” 中,一部分安排在“数字信号 处理实验”中,不再独立设课。这样做的结果是实验内容压缩,实验学时减少,实验体系难 5 以保持,同样的实验电路,其信号与系统的独特视角得不到体现,实验效果不能不打折扣。 所以,我们选择了独立设课的方式,安排 20 学时的实验内容,并重点突出信号检测与分析 仪表的使用、多种信号的观测、 信号的合成与分解、信号通过线性系统、信号的抽样与恢 复等内容,保持信号与

12、系统实验的完整体系与特色。通过计算机模拟的方式开设信号与系 统实验无疑十分方便,但是由于信号与系统实验内容均较为简单 ,理论过程一般学生都能 推算,故而,计算机模拟在这里只能作为辅助手段。 在安排 4 学时计算机模拟实验的基础上, 我们强调硬件实验为主,自行设计出信号与系统实验箱,设有各种有源与无源滤波网络、 串 联谐振网络、并联谐振网络、连续时间系统模拟、信号抽样与恢复等实验电路,配以示波 器、任意波形发生器、频响测试仪、音频频谱分析仪等实验仪表,让学生有机会尽早接触 正弦波、方波等周期信号以及调幅波、 调频波等调制信号,通过多观察、多测试、多分析 , 理论联系实际,举一反三,融会贯通,掌握

13、观察、 测试和分析信号与系统的基本方法,培养使 用基本分析工具的能力,为完成后续专业课程打下良好基础。 在实践教学中,以往信号与系统的实验大都是用电路完成的,不直观,而且学生在实验 中把大量的精力花在电路调试上,效果不好,很多复杂系统的实验更是难以实现。 引进试验 箱后把一般的必做试验和选作试验的电路集成在电路板上,学生只需简单地连线和参数设 置就解决了上述问题。 我们一般都采用试验箱和示波器相结合的方式来设计验证信号与系 统原理和结论。 学生可以通过示波器来观察试验结果是否与理论一致,观察出现的误差并分析原因。 经过实验课程的改革尝试,证明实践性教学能够加强学生对相关知识的掌握和理解 ,而且

14、 通过实验,锻炼学生用计算机辅助计算分析解决实际工程问题的能力 ,不仅大大提高学生 的动手能力,而且为后续的相关课程的学习以及毕业设计奠定了坚实的基础。 1.3 国内外发展状况和存在的问题 目前国内外信号与系统实验箱的设计和制作技术很成熟， 市面上有各种型号和功能的 实验箱产品， 有用简单电子元器件和芯片开发研制的功能较简单的实验箱， 也有采用单片 机、FPGA，ARM 处理器等较复杂处理器以提高精确度和构成更复杂实验模块的较昂贵实验 箱。 这些实验箱虽然品种较多， 但实验模块不一定适合特定的学校开设的信号与系统实验 课程，所以有必要具体问题具体分析，设计出适合本校教学的实验箱产品。 1.4

15、设计的指导思想 理解各实验模块的原理和功能， 将理论用电路图实现， 计算元器件参数并进行测 试，记录测试数据， 分析实验结果看是否符合设计要求，如果不符合， 则重新修改设计或 测试，直到使设计符合要求为止。 1掌握信号抽样与恢复的基本方法，用 Multisim 进行仿真，并分析结果； 2部分实验电路的实验数据与分析； 3通过对比仿真与实际电路的差别，提出实验电路故障检测方案 6 1.5 实验箱组成及概况 我校信号与系统实验课所用的实验箱是南京恒缔科技有限公司生产的型号为 HD8662 的信号与系统实验平台。 此平台是在多年开设信号与系统实验的基础上， 经过不断改进研 制的。是专门为信号与系统课

16、程设计的， 提供了信号的频域、时域分析的实验手段。利用 该实验箱可进行阶跃响应与冲激响应的时域分析； 借助于 DSP 技术实现信号频谱的分析与 研究、信号的分解与合成的分析与试验；抽样定理与信号恢复的分析与研究；连续时间系 统的模拟；一阶、二阶电路的暂态响应； 二阶网络状态轨迹显示、各种滤波器设计与实现 等内容的学习与实验。 实验箱采用了 DSP 数字信号处理新技术， 将模拟电路难以实现或结果不理想的 “信号 分解与合成” 、 “信号卷积”等实验得以准确的演示，并能生动地验证理论结果；系统的 了解并比较无源、有源、数字滤波器的性能及特性，并可学会数字滤波器的设计与实现。 它由以下模块组成： 1

17、电源输入模块 2信号源模块 3数字滤波器模块 4主机接口与二次开发区 5数字信号处理器模块 6CPLD 变成开放模块 7信号分解与合成模块 8信号卷积实验模块 9一阶电路暂态响应模块 10二阶电路传输特性模块 11二阶网络状态轨迹模块 12阶跃响应与冲激响应模块 13抽样定理模块 14模拟滤波器模块 15基本运算单元与连续系统的模拟模块 16频率表与毫伏表 元器件选择插孔。 7 第 2 章信号的分解与合成技术 2.1 信号的分解与合成理论基础 “信号与系统” 课程中理论和方法较多,其中一个重要的思想就是分解,即将复杂的对 象分解为简单的对象,从而使复杂问题简单化;由于所采用基本分解单元信号的不

18、同,分别 形成了时域分析理论、频域分析理论和复频域分析理论,这些理论实质上体现了以多视角 观察和分析问题,进而解决问题的思想。 深刻理解该课程中的这种方法论思想,不仅对学好 “信号与系统”课程大有裨益,而且对培养和造就高素质人才也具重要意义。 信号的分解与合成通常应用于通信、 控制和信号处理领域中， 任何电信号都是有不同 频率、幅度和初相位的正弦波叠加而成的。对于周期信号，有它的博士级数展开式可知， 各次谐波的频率是基波频率的整数倍。 而非周期信号则包含了从零到无穷大的所有频率成 分，每一频率成分幅度均趋与无限小，但其相对大小则是不同的。 通过一个选频网络可以将信号中所包含的某一频率成份提取出

19、来。 最简单的选频网络 是一个谐振回路，以此对信号波形进行分解的实验电路如图2-1. 图2-1波形的分解电路 被 测 信 号源 R L1 L2 L3 Ln C1 C2 C3Cn 将被测信号加到分别调谐与基波和各次谐波频率的一系列并联回路上。 从每一谐振回 路的俩端可以用示波器观察到被取出的各种正弦波。若被测信号是50HZ 的锯齿波，这由 博氏级数展开式可知， 应使L1C1谐振与50HZ、 L2C2谐振与100HZ、 L3C3谐振与150HZ、 ， 那么一定能从各谐振回路俩端观察到基波和各次谐波。反之，若将若干频率、振幅和初相 位各不相同的正弦波叠加，则可以合成各种非正弦波。如将频率为50HZ,

20、150HZ,250HZ, 幅度比为1： 13 : 1 ：的一系列正弦波叠加，可以合成方波信号。值得注意的是：若 5 俩个相叠加的正弦信号的频率和幅度发生变化， 则合成的信号也一定发生变化； 若俩个相 叠加的正弦信号的频率和幅度不发生变化而仅初相位发生变化， 则合成的信号波形也不一 样。 同时分析法的基本工作原理是利用多个滤波器， 把他们的中心频率分别调到被测分量 的各个频率分量上。 当被测信号同时加到所有滤波器上， 中心频率与信号所包含的某次谐 波分量频率一致的滤波器便有输出。 在被测信号发生的实际时间内可以同时测得信号说包 含的各频率分量。 8 TP501 被测信号 滤波器 1 TP801P

21、801P809 TP802P802P810 滤波器 2 TP808 TP808P808 滤波器 n P818 图2-2用同时分析法进行频谱分析 其中，P801输出的是基频信号，即基波；P802输出的是二次谐波；P803输出的是三 次谐波，以此类推。 2.2 信号分解与合成的电路实现结构 2.2.1 信号的分解提取电路 进行信号分解和提取是是滤波系统的一项基本任务， 当我们对信号的某些分量感兴趣 时，可以利用选频滤波器，提取其中有用部分，而将其他滤去。 目前 DSP 数字信号处理系统构成的数字滤波器已基本取代了传统的模拟滤波器，数 字滤波器与模拟滤波器相比有许多优点。有 DSP 构成的数字滤波器

22、具有灵活性高、精度 高稳定性高，体积小。 性能高，便于实现等优点。因此在这里我们选用数字滤波器来实现 信号分解。 在数字滤波器模块上，选用了 8 路输出的 D/A 转换器 TLV5608（U502） ，因此设计 了 8 个滤波器（一个低通、六个带通、一个高通）将复杂信号分解提取某几次谐波。 2.2.2 信号合成电路 脉冲信号可以通过 8 路滤波器输出的各次谐波分量通过一个加法器， 合成还原为愿输 入脉冲信号。如果滤波器设计正确，则分解前的原始信号和合成后的信号应该相同。 9 2.2.3 滤波器设计 在各种信号处理过程中， 滤波是最基本的信号处理方式。 所谓滤波就是一种信号处理 过程，该过程去掉

23、或者抑制信号中的某些部分，同时保留或者放大另外的部分。滤波器就 是实现滤波这个信号处理过程的系统。滤波器的种类很多，实现方式多种多样。一个有源 滤波器， 如果用分立元件实现， 通常是由运算放大器和 RC 网络构成。 Lattice公司的 ispPAC 器件则把分立元件集成在一块芯片中，只需对其进行简单的编程即可实现各种有源滤波 器。下面以双二阶滤波器为例，介绍设计过程 此前信号分解与合成已简单的叙述了滤波器的设计等问题， 在此重新提出研究滤波器 的设计是为了完善整信号分解与合成电路的理论基础。 实际电路中为了达到较好的信号分 解与合成的结果，需要加入滤波器，作用前面已经说明，可见滤波器在整个信

24、号分解与合 成电路中有着举足轻重的地位。 实际中很多电路采用二阶有源滤波器实现这一功能， 在此 我列举一些常见的滤波器设计方法，进行比较，从而选择较合适的方案。 滤波器总体上可分为模拟和数字两类，按功能分为低通，高通，带通，带阻。这里 我们重点研究低通滤波器。 数字低通滤波器根据结构分为无限脉冲冲击响应滤波器( IIR)5 和有限脉冲冲击响应滤波器(FIR) 6, IIR 的优点是实现的阶数低,对于实现相同要求的数 字滤波器, FIR 的阶数要比 IIR 阶数高 510 倍；IIR 滤波器的设计相对简单。可以从对 应的模拟滤波器转换过来,但因其是反馈型的，即传递函数存在极点，要求滤波器的参数

25、精度较高。否则可能引起振荡、发散的情况。 FIR 滤波器的优点是采用非递归结构。可 以得到严格的线性相位，运算的误差较小，设计较 IIR 灵活。其传递函数不存在极点， 不存在振荡和发散的情况，稳定性很好。但阶数较大，会引起数据存储空间的不足及运算 速度的缓慢， 给实现造成一定的影响。 模拟低通滤波器根据结构也可分为巴特沃斯滤波器， 切比雪夫滤波器， 椭圆滤波器， 贝塞尔滤波器。 低通滤波器的作用是提取其中的直流分量， 再反变换得到电流的基波分量。 因此要求低通滤波器滤除直流以外的部分需要满足： 截止 频率低，动态响应快，延时尽可能小等要求。 下面介绍本文采用的有源滤波器的设计方法： 由有源器件

26、（晶体管或者集成运放）与和电阻，电容组成的滤波器称为RC 有源滤波 器，滤波器分为一阶、二阶和高阶滤波器。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特 性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC 网络的节数越 多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC 有 滤波器级联实现。 由运放和 RC 构成的有源滤波器比纯使用 RC 实现的无源滤波器最主要的特点就是带 有一定的增益，这样可以使信号的滤波特性曲线更陡，即频率特性更明显，也就是效果更 好，另外它的输出信号也比较强， 适合于弱信号的滤波处理，再有就是可以匹配阻抗。 具 有理想幅频特性的滤波器

27、是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。 二阶低通有源滤波器的设计： 10 低通滤波器是用来传输低频段信号， 抑制高频段信号的电路。 当信号频率高于某一特 定的截止频率的时候，通过该电路的信号就会被衰减（或者截止） ，而频率低于截止频率 的信号则能够畅通无阻的通过该滤波器。能够通过的信号频率范围定义为通带 ;阻止信号 通过的频率范围定义为阻带，通带和阻带之间的分界点就是截止频率f C。 A 0 为通带内的 电压放大倍数， 称为通带电压增益。 当输入信号的频率由小到大增加到使滤波器的电压放 大倍数等于 0.707A 0 时，所对应的频率称为截止频率f C。 图 2.3 是压控电压源的有源

28、二阶低通滤波器电路。它由两节RC 滤波电路和同相比例 放大电路组成。信号从运放的同相端输入，故滤波器的输入阻抗很大，其输出阻抗很小。 运放和滑动变阻器组成电压控制的电压源， 因此称为压控电压源 LPF。 优点是电路性能比 较稳定，增益容易调节。 图 2.3 二阶有源低通滤波器 该图中同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益 A0,即 A 0 A u f1 这种滤波器的传递函数为： A （s） R 4 (2.5) R 3 U 0 ( s )A u f (2.6) 2U （s） 1 （3+A ） CR+(sCR)s iu f 令 0 11 称为特征角频率；Q ，称为等效品质因数；则

29、RC3 A uf （s） A 2 A uf0 2 s 0 Q s 2 A 00 2 s+ 0 0 Q (2.7) 2s+ 0 用S j代入上式，可得到幅频响应表达式 11 20lg A(j)1 (2.8) 20lg 2 A uf 2 21-（） （） 0 0Q 1 ，就是 3dB 的截止频率。因此上限截止频率为 RC 上式中的特征角频率 0 f C 12 0 当等效品质因数 Q=0.707 时，这种滤波器称为巴特沃斯滤波器。此时通带幅频特性 最平坦，且电路工作时较稳定。当f f C 时，具有最平幅度响应；当f f C 时,幅频特性 以-40dB/10 倍频的速率衰减，这表明二阶低通比一阶低通滤

30、波电路的效果要好得多。 2.2.4 频率滤波的基本概念 实现滤波过程的系统或者电路称为滤波器。例如，收音机的选频电路、音箱的分频 器等。本节仅介绍一些滤波的基本概念，讨论只限于 LTI滤波器系统，但是基本概念适合 任何系统的情况。 在连续时间 LTI系统里面，输出信号的博里叶变换等于输入信号的博里叶变换乘以 系统的频率响应，即Y(jw)=X(jw)H(jw)。系统的频率响应 H(jw)放映了系统对于不同频率 分量放大或者抑制的程度。 如果系统的频率响应 H(jw)如图 2-4 所示，即 1WWc H(jw)=（2-1） 0WWc H(jw) -WcWcW 图 2-4理想低通滤波器的频率相应 该

31、系统对于输入信号系统中频率低于 Wc 的部分保持一个恒定的放大倍数，而完全 抑制掉输入信号中高于 Wc 的部分，将该系统称为理想低通滤波器，有时也将其频率相应 H(jw)表示为 Hlp(jw)。滤波器抑制信号的频率范围称为阻带，滤波器容许信号通过的频率 范围称为通带，阻带和通带的结合部的频率 Wc 称为截至频率。 如系统的频率相应如图 2-5 所示，即 12 H(jw)= 1WWc 0WWc H(jw) （2-2） -WcWc 图 2-5理想高通滤波器的频率相应 该系统对于属于信号中频率高于 Wc 的部分保持以个恒定的放大倍数， 而完全抑制掉 输入信号中频率低于Wc的部分， 将该系统称为理想高

32、通滤波器， 有时也将其频率响应H(jw) 表示为 Hhp(jw)。 如果系统的频率响应如图 2-6 所示，即 1 Wc1 WWc2 H(jw)=（2-3） 0其他 1 H(jw) Wc2Wc1Wc1Wc2 图 2-6理想带通滤波器的频率相应 该系统对于输入信号中频率处于 Wc1 和 Wc2 之间的部分保持一个恒定的放大倍数， 而完全抑制掉输入信号中的其它部分，将该系统成为理想带通器。 如果系统的频率响应如图 2-7 所示，即 1 Wc1 WWc2 H(jw)=(2-4) 0其他 H(jw 13 Wc2Wc1 Wc1Wc2 图 2-7理想带阻滤波器的频率相应 该系统完全抑制掉输入信号中频率处于W

33、c1 和 Wc2 之间的部分， 而与输入信 号中的其它部分保持一个恒定的放大倍数，将该系统称为理想带阻滤波器。 因为理想滤波器是非因果的，在实时的工程系统中，理想滤波器往往是不可能是实 现的，那么，频率相应接近理想滤波器的频率滤波器，被称为低通滤波器； 频率响应接近 理想高通滤波器的频率滤波器， 被称为高频滤波器； 频率响应接近理想带通滤波器的频率 滤波器的，被称为带通滤波器；频率响应接近理想带阻滤波器的频率滤波器，成为带阻滤 波器。 图 2-8 是信号分别通过低通、带通、高通和带阻滤波器的情况，其中（a）是输入信 号的频谱 X(jw)；(b)是低通滤波器的频率相应 Hlp(jw)； （c）是

34、带通滤波器的频率相应 Hbp(jw); (d)是高频滤波器的频率响应 Hhp(jw);(e)是带阻滤波器的频率响应 Hbs(jw)； （f）是低通滤 波器的输出信号的频谱 Ylp(jw);(g)是带通滤波器的输出信号的频谱 Ybp(jw);(h)是高通滤 波器的输出信号的频谱 Yhp(jw);(i)是带阻滤波器的输出信号的频谱 Ybs(jw)。 X（jw）Hlp(jw) (a) Hbp(jw) (b) Hhp(jw) (c)（d） Hbs(jw) Ylp(jw) 14 (e) (g) Ybp(jw) (f) Yhp(jw) (h) (i) Ybs(jw) 图 2-8 信号通过低通、带通、高通和

35、带阻的情况 2.3 小结 本章对信号分解与合成原理进行了简要阐述， 理解了信号分解与合成的电路组成。 最 后着重分析了低通滤波器设计等问题并比较了不同滤波器的特点。 理解了信号分别通过低 通、带通、高通和带阻滤波器的情况。 15 第 3 章软件仿真 3.1 MULTISIM软件介绍 随着 EDA 技术的发展， 使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、 逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。电子工作平台Electronics Workbench(EWB)软件是加拿大 Interactive Image Technologies 公司（简称 IIT 公司）推出 的电子

36、仿真软件，以其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点， 引起了广大电子设计工作者的关注， 并且在使用中得到了迅速的发展。 IIT 公司从 EWB6.0 版本开始，将专用于电路级仿真与设计的模块更名为 MULTISIM，在保留原来软件优点 的基础上， 大大增强了软件的仿真测试和分析功能， 也大大扩充了元件库中仿真元件的数 目， 特别是增加了若干与实际元件相对应的现实性仿真元件模型， 使得仿真设计的结果更 精确、更可靠。该软件在一个程序包中汇总了框图输入、 Spice 仿真、HDL 设计输入和仿 真、可编程逻辑器件综合以及其他设计能力，可以协同仿真Spice，Verilog和 V

37、HDL，并 且添加了 RF 设计模块。它具有这样一些特点： 1采用直观的图形界面创建电路。在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制 电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。 2软件一起的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。 3带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法，作为设计工具，它可以同其他 流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。 4利用它提供的虚拟仪器可以用笔实验中更灵活的方式进行电路实验和仿真电路的 实际运行，熟悉常用电子仪器的测量方法，使一个优秀的电子技术训练工具。 本课题选用的是 MULTISIM10.0 最新版本进行仿真实验的，下

38、面将列出各部分的仿 真结果并进行分析。 3.2 功能模块 3.2.1 滤波器仿真模块 本电路的滤波器是二阶有源低通滤波器，如图 3.1 所示。R1=R2=5.1K, C1=4.4nF, C 2=2.2nF,以此参数设计的滤波器带宽约为 5KHz。 16 图 3.1 二阶有源低通滤波器 频域分析的仿真结果如下图 图3.2滤波器的幅频相频特性曲线 17 图 3.3 滤波器静态分析的数据结果 3.3 小结 该电路的信号分解与合成结果有些误差。原因有 2 个，一个是级间负载的影响，一个 是滤波器的参数设计上的误差。 第一个原因是由于构成滤波器的电容上充放电的影响导致 抽样时间有变化， 从第二方面考虑想

39、通过改善滤波器的低通特性来改善恢复结果。 因此在 二阶的基础上增加了滤波器的阶数， 下面是四阶有源低通滤波器的仿真结果。 四阶滤波器 即由图 3.6 中 2 个二阶级联构成的。如图 3.4 所示，图中有 2 种曲线，分别代表二阶和四 阶低通滤波器的仿真结果。比较可知，四阶滤波器阻带衰减效果比二阶要理想，但是过渡 带的衰减效果差别不大。 我们所希望的理想滤波器的过渡带衰减是迅速下降的， 因此提高 阶数大体上改善信号的恢复效果， 也可以采用其他结构的滤波器来实现这一功能。 前面介 绍的各种滤波器的设计方法， 再结合上实际应用中的简便及成本问题， 是可以达到一个较 好的恢复效果的。 18 图 3.4

40、 二阶和四阶低通滤波器的仿真结果 19 第 4 章实验箱的电路组成及芯片介绍 4.1 实验箱实际电路图 +5V +5V P601TP601 14 TP602 R601 C601 4 22K f (t) s(t) 3833nF 4U602 5 10K 6 U601 2 HEF4406B W601 NE555P 7 P603TP603 3 f -5V S(t) 1 0V R603 +5V P604P607 TP604 P617 7 5.1K 18 3 R604 P615+ 6 P605P608 P616 2 U603 5.1K C602 4 P609P612 P606 -5V 22nF C603T

41、PGND P610P613 10nF C604 P611P614 5.6nF 图 4.1 实验箱上的抽样定理模块 如图所示，图中有四个测量点： TP601：输入信号波形观测点； TP602：开关信号观测点； TP603：输入信号经采样后的信号波形观测点； TP604：抽样信号经滤波器恢复后的信号波形观测点。 信号插孔： P601：信号输入插孔； P603：抽样信号输出插孔； P617：恢复信号输出插孔； 20 低通滤波器具体电路图 C1 f S (t )R1R2 C2 7 3 2 +15V 6 + - f(t ) U603 图 4.2 有源低通滤波器实验电路图 4.2 功能芯片简介 4.2.1

42、 CD4066 CD4066 是一种四路电子开关集成电路，在电视机、影碟机、电话机、各种电子仪器 仪表等上应用相当广泛。 CD4066 集成电路内部主要由四路功能完全相同的电子开关组成， 各组开关分别受其 相应引脚输入的电平控制，使电子开关接通或断开。它们的控制引脚为 13 脚(控制与 间开关)、5 脚(控制与间开关)、6 脚(控制与间开关)、12 脚(控制与 11 间开关)。 图 4.3CD4066 引脚图 CD4066 的引脚功能如图 4.4 所示。每个封装内部有 4 个独立的模拟开关，每个模拟 21 开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时， 开关导通

43、；当控制端加低电平时开关截止。 模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟 开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号， 可传输的模拟信号的上限频率为 40MHz。各开关间的串扰很小，典型值为50dB。 图 4.4CD4066 功能图 4.2.2 NE555 NE555 是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电 子产品中都有应用。NE555 的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提 供时序脉冲。图 4.5 中 NE555 是双列直插 8 脚封装形式。 图 4.5NE555 引脚图 NE555 的内部结构可等效成 23 个晶

44、体三极管，17 个电阻，两个二极管，组成了比较 器.RS 触发器等多组单元电路。 如图 4.6 特别是由三只精度较高 5k 电阻构成了一个电阻分 压器。为上、下比较器提供基准电压，所以称之为 555。NE555 属于 COMS 工艺7制造。 22 图 4.6NE555 功能图 NE555的特点有： 1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。 其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL， CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的 高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

45、4.它的计 时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 4.2.3 HA17741 HA17741 为运放集成电路，采用 8 脚双列直插塑料封装，内部有一个运算放大器， 有相位补偿电路。电路功耗很小，HA17741 工作电压范围宽，可用正电源 330V，或正 负双电源1.5V15V 工作。它的输入电压很低，而输出电压范围为 0Vcc。运算放 大器可用如图所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+” 、 “-”为两个信号输入端； “Vcc” 、 “Vee”为正、负电源端； “Vout”为输出端。两个信号输入端中，Vin为反相输 入端，表示运放输出端Vout 的信号与该输入端的相位相反；Vin为同相输入端，表示运 放输出端 Vout 的信号与该输入端的相位相同 HA17741 引脚排列如图 4.7 所示。 由于 HA17741 运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点， 因此被非常广泛的应用。 23 图 4.7HA17741