波形產(chǎn)生器及諧波濾波器

1、西安外事學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告（2012-2013學(xué)年第1學(xué)期） 題 目： 波形產(chǎn)生器及諧波濾波器 學(xué) 院： 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 電子1001班 學(xué)生姓名： 日期：20 12 年 01 月 04 日波形產(chǎn)生器及諧波濾波器設(shè)計(jì)與制作一.設(shè)計(jì)要求：1. 設(shè)計(jì)一方波三角波產(chǎn)生器（模擬方法），頻率為自己學(xué)號(hào)的后兩位數(shù)（以KHZ為單位）。2. 設(shè)計(jì)濾波器（低通、帶通）電路，將方波的基波分量及三次諧波分量濾出。3. 設(shè)計(jì)頻率計(jì)，分別測(cè)量方波、三角波、基波分量、三次諧波分量的頻率，并用數(shù)碼管或液晶屏顯示頻率值。（選作）附圖圖1 波形產(chǎn)生器及諧波濾波器（參考）二.方案論證及選擇：方案一用555定時(shí)器產(chǎn)

2、生電路 首先由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，然后由積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波，最后用低通濾波器將方波轉(zhuǎn)化為正弦波，但這樣的輸出將造成負(fù)載的輸出正弦波波形變形，因?yàn)樨?fù)載的變動(dòng)將拉動(dòng)波形的崎變總電路圖的原理：555定時(shí)器接成多諧振蕩器工作形式，C2為定時(shí)電容，C2的充電回路是R2R3RPC2；C2的放電回路是C2RPR3IC的7腳(放電管)。由于R3+RPR2，所以充電時(shí)間常數(shù)與放電時(shí)間常數(shù)近似相等，由IC的3腳輸出的是近似對(duì)稱(chēng)方波。按圖所示元件參數(shù)，其頻率為1kHz左右，調(diào)節(jié)電位器RP可改變振蕩器的頻率。方波信號(hào)經(jīng)R4、C5積分網(wǎng)絡(luò)后，輸出三角波。三角波再經(jīng)R5、C6積分網(wǎng)絡(luò)，輸出近似的

3、正弦波。C1是電源濾波電容。發(fā)光二極管VD用作電源指示燈。 方案二用壓控振蕩器： 如圖所示為具有三角波和方波輸出的壓控振蕩電路。該電路是一個(gè)受控制電壓控制的振蕩器。它具有很好的穩(wěn)定性和極好的線性，并且有較寬的頻率范圍。電路有兩個(gè)輸出端，一個(gè)是方波輸出端，另一個(gè)為三角波輸出端。圖中，A1為倒相器，A2為積分器，A3為比較器。場(chǎng)效應(yīng)管Q1用來(lái)變換積分方向。比較器的基準(zhǔn)電壓是由穩(wěn)壓二極管D1、D2提供，積分器的輸出和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生方波輸出。電阻R5、R6用來(lái)降低Q1的漏極電壓，以保證大輸入信號(hào)時(shí)Q1能完全截止。電阻R7、R8和二極管D3、D4是為了防止A3發(fā)生阻塞。按圖中所標(biāo)元件數(shù)值，電源電壓

4、用 15V，則變換系數(shù)為1kHzV。電路在100：1頻率范圍內(nèi)具有低于±0.5的線性誤差。 方案三用集成電路實(shí)現(xiàn) 采用集成電路實(shí)現(xiàn)，主要部件有高速運(yùn)算放大器LM318、選擇開(kāi)關(guān)、電位器和一些電容、電阻組成。該方案通過(guò)調(diào)節(jié)不同電位器可調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器輸出振蕩頻率大小、占空比、正弦波信號(hào)的失真，可產(chǎn)生精度較高的方波、三角波，且具有較高的溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。其輸出頻率能在 20Hz-5kHz 范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整，達(dá)到調(diào)試簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，使信號(hào)發(fā)生器電路大大簡(jiǎn)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 分析以上三種方案，比較他們的利弊，方案三集成電路要簡(jiǎn)單很多，精度也較高，溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性比較好，所以選擇方案三三.波形產(chǎn)生器電路原理圖及原理講解3.1.波形產(chǎn)生器電路組成框圖如下所示：由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波。3.2各組成部分的工作原理 （1） 方波發(fā)生電路的工作原理 此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過(guò)R3對(duì)電容C正向充電，如圖中實(shí)

6、線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過(guò)R3對(duì)電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開(kāi)始正相充電。上述過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。（2） 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理其中上圖為比較器的電壓傳輸特性 上圖為波形關(guān)系工作原理如下： 若a點(diǎn)斷開(kāi)，運(yùn)算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電

7、壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱(chēng)為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設(shè)Uo1=+Vcc,則 1將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門(mén)限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門(mén)限電位Uia+為 比較器的門(mén)限寬度 2Uo1，則積分器的輸出Uo2為 3時(shí)，時(shí)，可見(jiàn)積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度

8、相等的三角波，其波形關(guān)系圖2.2-3所示。a點(diǎn)閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為 4 方波-三角波的頻率f為 5由以上兩式可以得到以下結(jié)論：1. 電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2. 方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過(guò)電源電壓+Vcc。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。（3）低通濾波器 一階RC低通濾波電路轉(zhuǎn)移函數(shù):令 得 其幅頻特性：其相頻特性：四.相關(guān)參數(shù)分析與計(jì)算沒(méi)有接通時(shí)，滯回比較器

9、V0=+UZ，則集成運(yùn)放同相輸入端，同時(shí)給C充電，使VR由0上升，在Vi之前，不變；當(dāng)時(shí)，V0跳變到-VZ。當(dāng)V0=-VZ時(shí),同時(shí)C經(jīng)反向輸入端等效電阻）使VR降低，在VRVi之前V0=-VZ不變，當(dāng)VRVi時(shí)，Vi跳變到+VZ（1） 方波部分方波的波幅由穩(wěn)壓管的參數(shù)決定，這里使用，方波的周期取決于充放電回路RC的數(shù)值。若R或C其中一個(gè)增大，和周期T均會(huì)增大，頻率f也會(huì)增大。計(jì)算周期T：通過(guò)對(duì)方波發(fā)生電路的分析，可以想象，與改變輸出電壓的占空比，就必須使電容正向和反向充電的時(shí)間常數(shù)不同。利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢砸龑?dǎo)電流流經(jīng)不同的通路，則占空比可調(diào)。則可求出周期T：帶入值得T=48.4f=1/

10、T=20KHz（2） 三角波部分在方波發(fā)生電路中，當(dāng)閾值電壓數(shù)值較小時(shí)，可將電容兩端的電壓看成為近似三角波。所以只要將方波電壓作為積分運(yùn)算電路的輸入，在其輸出就得到三角波電壓。如圖5.2.2的仿真結(jié)果所示，當(dāng)方波發(fā)生電路的輸出電壓u01=-Uz時(shí)，積分運(yùn)算電路的輸出電壓u0將線性下降；而當(dāng)u01=Uz時(shí)，將線性上升。積分電路的輸入電壓u01，而且u01不是+Uz，就是-Uz，所以輸出電壓的表達(dá)式為 式中u0(t0)為初態(tài)時(shí)的輸出電壓。設(shè)初態(tài)時(shí)u01正好從-Uz躍變?yōu)?Uz,則式子變?yōu)?積分電路反向積分，u0隨時(shí)間的增長(zhǎng)線性下降，一旦u0=-UT，再稍減小，u01將從+Uz躍變?yōu)?Uz。式子變?yōu)?/p>

11、 U0(t1)為u01產(chǎn)生躍變時(shí)的輸出電壓。積分電路正向積分，u0隨時(shí)間的增長(zhǎng)線性增大，一旦u0=+UT，再稍加增大，u01將從-UZ躍變?yōu)?UZ，回到初態(tài)，積分電路又開(kāi)始反向積分。電路重復(fù)上述過(guò)程，因此產(chǎn)生自己震蕩。由以上分析可知，u0是三角波，幅值為±UT；u01是方波，幅值為 ±UZ，由于積分電路引入了深度電壓負(fù)反饋，所以在負(fù)載電阻相當(dāng)大的變化范圍里，三角波電壓幾乎不變。設(shè)正向積分起始值為-UT，終了值為+UT，積分時(shí)間為二分之一周期，則有 +UT= 得出震蕩周期 震蕩頻率 調(diào)節(jié)電路中的R5，可以改變震蕩頻率和三角波的幅值。仿真結(jié)果： 圖3.4（3） 低通濾波器 二階

12、濾波器濾波器階數(shù)不同對(duì)性能有著影響，我們選用在一階濾波器基礎(chǔ)上建立的二階有限增益的低通濾波器，下圖為二階有限增益的低通濾波器的原理圖。一般的，電路中通常取 幅頻特性:傳遞函數(shù)為：增益為：濾波器的低通截止頻率為： 1、這種二階低通濾波器中，放大倍數(shù)H0不能任意指定，當(dāng) ，濾波器電路不穩(wěn)定。2、電路中元件離散性少，電路參數(shù)調(diào)整方便。不過(guò)由于電路中通過(guò)引進(jìn)了正反饋，所以整個(gè)電路的增益大小受到一定的限制。（4） 有源二階帶通濾波器它由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當(dāng)信號(hào)頻率ff0時(shí)（f0 為截止頻率），電路的

13、每級(jí)RC 電路的相移趨于-90º，兩級(jí)RC 電路的移相到-180º，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時(shí)通過(guò)電容c 引到集成運(yùn)放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào)的作用，使電壓放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻端信號(hào)通過(guò)。其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。傳輸函數(shù)為： 令 稱(chēng)為通帶增益 稱(chēng)為等效品質(zhì)因數(shù) 稱(chēng)為特征角頻率 則上式為二階低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式原理圖五仿真結(jié)果（1） 方波的基波分量輸出（2）方波的三次諧波分量（3）實(shí)物圖 六.心得體會(huì) 由于此次是首次課程設(shè)計(jì)，我這次的設(shè)計(jì)是通過(guò)與同學(xué)的討論

14、與認(rèn)真計(jì)算設(shè)計(jì)分析所完成的，課程設(shè)計(jì)的任務(wù)一般是設(shè)計(jì)、組裝并調(diào)試一個(gè)簡(jiǎn)單的電子電路裝置。需要我們綜合運(yùn)用“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的知識(shí)，通過(guò)查閱資料、方案論證與選定；設(shè)計(jì)和選取電路和元器件；分析指標(biāo)及討論，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 在這次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)會(huì)了怎樣去根據(jù)課題的要求去設(shè)計(jì)電路和調(diào)試電路。動(dòng)手能力得到很大的提高。從中我發(fā)現(xiàn)自己并不能很好的熟練去使用我所學(xué)到的模電知識(shí)。在以后學(xué)習(xí)中我要加強(qiáng)對(duì)使用電路的設(shè)計(jì)和選用能力。但由于電路比較簡(jiǎn)單、定型，而不是真實(shí)的生產(chǎn)、科研任務(wù)，所以我們基本上能有章可循，完成起來(lái)并不困難。把過(guò)去熟悉的定型分析、定量計(jì)算逐步，元器件選擇等手段結(jié)合起來(lái)，掌握工程設(shè)計(jì)的步驟和方法，了解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的程序和實(shí)施方法。這對(duì)今后從事技術(shù)工作無(wú)疑是個(gè)啟蒙訓(xùn)練。通過(guò)這種綜合訓(xùn)練，我們可以掌握電路設(shè)計(jì)的基本方法，提高動(dòng)手組織實(shí)驗(yàn)的基本技能，培養(yǎng)分析解決電路問(wèn)題的實(shí)際本領(lǐng)，為以后畢業(yè)設(shè)計(jì)和從事電子實(shí)驗(yàn)實(shí)際工作打下基礎(chǔ)。 同時(shí)也讓我充分認(rèn)識(shí)到自己的空想與實(shí)踐的差別，認(rèn)識(shí)莫眼高手低，莫閉門(mén)造車(chē)，知識(shí)都在不斷更新和流動(dòng)之中，而扎實(shí)的基礎(chǔ)是一切創(chuàng)造的源泉，只有從本質(zhì)上理解了原理，才能更好的于疑途尋求柳暗花明，實(shí)現(xiàn)在科學(xué)界的美好暢游和尋得創(chuàng)造的快樂(lè)。