東南大學模擬電子電路實驗報告

1、東南大學電工電子實驗中心實驗報告課程名稱:模擬電子電路第四次實驗實驗名稱：波形的產生、分解與合成院（系）：專 業(yè)：姓 名：學 號：實驗室：電工電子中心103實驗組別：同組人員：實驗時間：2019年5月15日評定成績： 審閱教師： 波形的產生、分解與合成一、實驗目的掌握方波信號產生的基本原理和基本分析方法，電路參數(shù)的計算方法，各參數(shù)對電路性 能的影響；掌握由運算放大器組成的RC有源濾波器的工作原理，熟練掌握RC有源濾波器的基本參 數(shù)的測量方法和工程設計方法；掌握移相電路設計原理與方法掌握比例加法合成器的基本類型、選型原則和設計方法。掌握多級電路的級聯(lián)安裝調試技巧；熟悉FilterPro、Mult

2、iSim軟件高級分析功能的使用方法。二、實驗內容設計并安裝一個電路使之能夠產生方波，并從方波中分離出主要諧波，再將這些諧 波合成為原始信號或其他周期信號。設計一個方波發(fā)生器，要求其頻率為500Hz，幅度為5V；設計合適的濾波器，從方波中提取出基波和3次諧波；設計移相電路，使高次諧波與基波之間的初始相位差為零。設計一個加法器電路，將基波和3次諧波信號按一定規(guī)律相加，將合成后的信 號與原始信號比較，分析它們的區(qū)別及原因。三、電路設計(1)根據(jù)實驗內容、技術指標及實驗室現(xiàn)有條件，自選方案設計出原理圖，分析工作原 理，計算元件參數(shù)：I 方波發(fā)生器電路設計T = -2RC ln = 2RC ln(1 +

3、 2 土 2R + RRf = 1 =1 1 22T 2RC ln(1 + 2)2這里取 R1= R3=10kQ, R2=9kQ, C1=0.1F, VCC=6V, VEE=-6V,此時 f=500Hz仿真結果Time03=094 msB5.062 msL96S msChannel_A -5.117 V 5,117 V 10=234 VChanoeLBReverseTL T2 .-2-L4+SaveFy+ trinnprTimsbaseChan nel AOiannel BTriggerScale:|kSeals: V扣村SqIb:項 gEdg&:園|商E WX pos(Drv)!Y pos.

4、(Chv):安 pos(Drv)! | 0Level:o JVYfT| AddB/A A/B0 | DC |AC a |_DC -SingleNcwmal AutoNone仿真分析由上圖可以看出，輸出波形為頻率為500Hz，幅度為5V的方波，符合實驗設計要 求。II 濾波器設計思路我們知道，方波信號可以分解為：f (t)-業(yè)(sin wt + - sin 3wt + sin 5wt +)兀35這里我們分別采用兩個有源帶通濾波器來實現(xiàn)基波和三次諧波的提取。取RF=20kO，R =10kQ故A f - 1 + =3 1此時Q = _二可以盡量大，這樣通帶寬度越窄，選擇性也盡量好 3 Auf500H

5、z濾波器一提取基波 電路設計R1 20KQlOkQ :f0 = 2RC = 2兀 * 3kQ * 0.1 四F 531HZ仿真結果一 *T2 中T2-T1.0Time10,660 s10.662 s2.Q32 msChannd_Achannffl_B9,974 V10.057 V83.593 mVReverseSaveExL triggerTiimebScale:35el m s/lDivChannScale:sl A5 V/DhrChonneScale:1 35 U/DiwTrigger Edge:另毛|國| |曰X pas.(Div):JY pos.(Div): Yp&5.Div: Lev

6、el:0lv|Y/r|Addj|q/A| a/i |AC DCAC| 0 HDC|singleNormalAuto None仿真分析由上圖可以發(fā)現(xiàn)該濾波器提取的正弦波波形很清晰，頻率符合要求。2) 1500Hz濾波器一提取三次諧波 電路設計f0 2兀 RC 2兀 * 1.1kQ * 0.1pF 牝 1447HZ仿真結果Tim。Channel _AChannel_01 DO.70S ms2.&0&VT2網(wǎng)悶1 DI. 361 mg2.636VTZT1653.226 us29.882 mVScalm:500 u如iv湖。：訴 V/Div | ； sca|9； 5 V/DivX poaDiv): W

7、 posDiv: |口| Y posDiv: 0Add 11 B/A | A/B |回丑|AC| Q | DC -TiirnebaseChannel AChannel BRe-ve-rseSaueExt. triggerTriggerEdge： 園國國回里Lew I:I VSlngl& Normal Auto None仿真分析由上圖發(fā)現(xiàn)，輸出正弦波頻率約為1500Hz，波形不如基波好看，出現(xiàn)部分失真。III移相器電路電路設計Q （0訪-U1）j 切C =甘 3 =RRRUj CR3 R2/. out =卜Uj MR + 1我們這里取R = R =9.1kQ 此時相移范圍為0 : 180。在實際

8、電路中電位器最終調到987 QIV加法器電路電路設計因為 U = Rr(U + U )，又 RF=R1=R2=10k ,所以u =o-(u + U )仿真結果仿真分析由上圖仿真結果可以看出，加法器加和后的波形較方波發(fā)生器產生的方波幅值小， 頻率基本一致，這主要是因為濾波器電路本身也會改變幅值；波形不完全對稱，這 主要是因為移相器電路沒有完全消除濾波期間產生的相位差。若要求加法器輸出波 形與輸入方波相位完全吻合，可以再加一個移相器電路，即可達到該要求。綜上所 述，該電路基本符合實驗要求。V整體仿真電路 列出系統(tǒng)需要的元器件清單:清單元器件數(shù)量方波發(fā)生器UA741110kQ20.1 UF19kQ1

9、濾波器uA74120.1 UF4100k Q電位器150k Q電位器13kQ21.1kQ210kQ220kQ2移相器uA74119.1kQ20.1 UF11kQ電位器1疊加電路uA741110kQ4四、硬件電路功能與指標，測試數(shù)據(jù)與誤差分析（實驗要求） 硬件實物圖（照片形式）:（2）制定實驗測量方案（例如測量條件，使用儀器儀表等等）：1）方波發(fā)生電路：用示波器觀察輸出方波波形，與實驗要求波形對比，反思不同 之處的原因并改正；2）濾波器電路：示波器CH1接方波發(fā)生電路產生的方波，CH2分別接500Hz和 1500Hz的濾波器輸出端，分別對比與方波的差別，記錄波形的各項參數(shù)，如 輸出幅值、輸出頻率

10、，并記錄下波形圖像；3）移相器電路：用示波器CH1接輸入波形，CH2接輸出波形，比對二者的相位 的變化，并記錄下相位差；4）加法器電路：將示波器的CH1接到電路產生的方波，CH2接到加法器電路的 輸出端，觀察比對二者的區(qū)別，并記錄波形參數(shù)5）FFT:利用示波器的FFT功能對合成波進行頻譜分析，用頻域圖顯示出合成波 從0Hz到100kHz的載頻，觀察合成波中各分量的比重大小。調試電路的方法和技巧：1）由于是系統(tǒng)實驗，應當進行分步調試，確保每一模塊的功能正常，再進行總體 框架分析，可以提高調試效率和目的性；2）在輸出波形不正常時首先應當檢查電路搭接是否正確，是否存在插錯線的情 況；3）利用實驗室電

11、壓的時候應該確保與示波器共地；（4）測試的數(shù)據(jù)和波形并與仿真設計結果比較分析：（由于仿真結果在電路設計步驟已給出，此處不再贅述）1）方波保苻圈像保存圖微保律波形拒輯標簽峰峰值IH.HU貌眺,4Hz搟頊呼根舊3山T最小值S84U頃牢5山-f調取波形調取設置Guinsrac isi 湄*打促存設置橋助應用文件播式Bmp曾眸峰俏c曾相8匚省墨摸式開 美比較分析：輸出波形線條比較直，輸出幅值為5V,輸出頻率為502.4Hz，與實驗要求基本一致，且 誤差較小，符合實驗預期2）基波惴存保存圖像保存設直調取設直保存圖誨JWBJSl 用。峰峰值12 8U 而頻率502.5Hz最大值E .20U 番均方根值Ch

12、 Off最小值-6.6au 番頻率Ch Off番峰理僧C物相位c捐與標笠交件格式者雖模式)Ins (J 8.明盹保存液形調取液形基波頻率/Hz峰峰值/Vpp實驗數(shù)據(jù)502.512.8理論值50012.7誤差0.5%0.78%比較分析：由上圖及上表數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過500Hz濾波器的濾除效果還是很不錯的，對其他頻率 的諧波濾除效果較好，輸出波形為502.5Hz、12.8Vpp的正弦波，與理論值誤差控制在 1%以內，符合實驗預期。3）三次諧波比較分析：由上圖及上表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該1500Hz的濾波器的濾除效果也比較好，輸出波形沒 有失真，輸出頻率和輸出幅值在誤差范圍內，符合實驗預期。4）移相器輸

13、入輸出波形相位差數(shù)據(jù)分析：在此移相器電路中，我利用的是移動基波相位來調整基波與三次諧波之間的相位關系， 而輸入輸出相位差為144.3，即為此移相器移動的相位大小，可以發(fā)現(xiàn)，該移相器對 信號幅值影響不大，實現(xiàn)了移相器的功能。5)合成波保存國誨GmffTEKTrigd保存國讖文牌帽式有墨暮式佛存輔助成用BEEs保存設置調取設置峰峰值躍值6.40U曾句率即.4Hz最小值 -7.00U。攻相位-41即比較分析：將輸出合成波與輸入方波信號進行比對，可以發(fā)現(xiàn)二者存在-41.3。的相位差，實際上 我們可以通過再加一個UA741調節(jié)三次諧波的相位，從而使合成波的相位與方波相位 完全吻合；觀察輸出波形發(fā)現(xiàn)該波形

14、部分不對稱，原因是移相器部分并沒有完全消除基 波與三次諧波之間的相位差，導致輸出波形不完全對稱?？偟膩碚f，該合成波符合實驗 要求。6) 合成波的FFT保存圖IHSa/s保存國誨丈洋格式晉墨模式iQaods藐畤所用g)-1.768it3保律波形保存段置謂或波形國取設置理額率蜂峰恒曹相檢5M.0H1Z IB.SdB1.5090kHz 498MB i.eaamiHz Ai9.4dB St -10.4radA/Hz。峰峰值12,珊O最大值6.28V。毋率581.5Hz段均方值L89Wi mm由上圖可以看出，Q表示500Hz的基波分量，Q表示1500Hz的三次諧波分量。7) 500Hz濾波器幅頻特性曲線

15、8) 1500Hz濾波器幅頻特性曲線.Pggfri BodG調試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法：方波發(fā)生電路輸出波形不是方波，檢查電路后發(fā)現(xiàn)，實驗室電壓并未與EPI共地， 導致工作電平不對稱，輸出波形失真，將實驗室電壓源與EPI共地后即可解決該問 題；濾波器提取的波形失真，這是因為未能夠將多余雜波濾除干凈。在改進了實驗電路 之后，提高了品質因素，壓縮了通帶寬度，使得濾波器具備更好的選擇性五、實驗總結闡述設計中遇到的問題、原因分析及解決方法：方波發(fā)生電路輸出波形不是方波，檢查電路后發(fā)現(xiàn)，實驗室電壓并未與EPI共地， 導致工作電平不對稱，輸出波形失真，將實驗室電壓源與EPI共地后即可解決該問 題；濾波器提取的波形失真，這是因為未能夠將多余雜波濾除干凈。在改進了實驗電路 之后，提高了品質因素，壓縮了通帶寬度，使得濾波器具備更好的選擇性總結設計電路和方案的優(yōu)缺點：優(yōu)點：較好地實現(xiàn)了實驗要求，方波發(fā)生器產生的方波、兩個濾波器提取的波形都與理論波形 具有較好的契合度，移相器也可以很好地實現(xiàn)移相效果，最終加法器電路輸出的合成波 波形也符合實驗要求；由濾波器的幅頻特性曲線可以看出，兩個濾波器的濾除效果較好； 缺點：由于UA741器件數(shù)量較少，便沒有做兩個移相器，導