信號(hào)波形發(fā)生與合成實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日綱要之巴公井創(chuàng)始作創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日本系統(tǒng)主要以TL081A運(yùn)放為核心，由方波發(fā)生器、濾波分頻電路、移相電路、加法器電路模塊構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)了發(fā)生多個(gè)分歧頻次的正弦信號(hào)與鑒于多個(gè)正弦波合成方波信號(hào)的電路功能。系統(tǒng)基本工作過程為：1kHz方波信號(hào)經(jīng)過低通濾波器和帶通濾波器獲取按傅里葉級(jí)數(shù)睜開的1kHz基波正弦波信號(hào)和3kHz三次諧波正弦波信號(hào)。爾后將基波信號(hào)經(jīng)過移相電路使其相位調(diào)整到與三次諧波同樣，而后經(jīng)過加法電路將信號(hào)合成近似的方波信號(hào)。輸出波形結(jié)果注明，系統(tǒng)合成波形切合理論傅里葉剖析結(jié)果，比較準(zhǔn)確。正弦波及合成波的幅值測(cè)試偏差小于5%，切合題目要求。重點(diǎn)詞：方波發(fā)生器；傅里葉級(jí)數(shù)；分頻；濾波；移相一．整體方案設(shè)計(jì)及論證設(shè)計(jì)制作一個(gè)電路，能夠發(fā)生多個(gè)分歧頻次的正弦信號(hào)，并將這些信號(hào)再合成為近似方波信號(hào)。系統(tǒng)框圖以下列圖所示：詳細(xì)要求：1.2方案論證比較系統(tǒng)整體方案方波發(fā)生電路發(fā)生1kHz方波，對(duì)此中的基波和三次諧波重量進(jìn)行提取，1kHz基波可用截止頻次為1kHz的巴特沃斯低通濾波創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日器濾波獲取，3kHz諧波可用中心頻次設(shè)為3kHz的高Q值帶通濾波器濾波獲取。最后再經(jīng)相位調(diào)整從頭合成近似方波。本系統(tǒng)中的方波發(fā)生電路是實(shí)現(xiàn)后續(xù)各級(jí)電路功能的基礎(chǔ)，對(duì)頻率正確度和穩(wěn)固度的要求較高。方案一：555準(zhǔn)時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，直接調(diào)理至1KHz左右的對(duì)稱方波。此方案成本便宜，實(shí)現(xiàn)方便，但其穩(wěn)固性簡(jiǎn)單遇到外面元件的影響，在振蕩頻次較高時(shí)頻次穩(wěn)固度不敷。方案二：使用石英晶振構(gòu)成高穩(wěn)固度的頻次參照源，并使用計(jì)數(shù)器和集成鎖相環(huán)芯片構(gòu)成分頻/倍頻環(huán)，以發(fā)生1KHz的方波。該方法發(fā)生的信號(hào)穩(wěn)固度高，但需要搭建石英晶體振蕩電路，并進(jìn)行鎖相環(huán)分頻、倍頻，電路較復(fù)雜。方案三：采納鑒于反相輸入的滯回比較器和RC電路的方波發(fā)生電路。該電路構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)固，主要的限制要素在于比較器的速度。聯(lián)適合合的RC參數(shù)，可達(dá)到1KHZ的振蕩頻率。方案選擇：本系統(tǒng)采納方案三，此電路構(gòu)造簡(jiǎn)單，發(fā)生的方波穩(wěn)固性較好。濾波電路的選擇本系統(tǒng)中所需正弦波均來自于方波信號(hào)，需使用低通濾波器和帶通濾波器。方案一：使用由LC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無源高階巴特沃斯濾波器。其通帶內(nèi)相應(yīng)最為平展，衰減特征和相位特征都很好，對(duì)器件的創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日要求也不高。但其在低頻范圍內(nèi)有體積重量大、價(jià)錢昂貴和衰減大等弊端。方案二：采納及時(shí)DSP數(shù)字濾波技術(shù)，數(shù)字信號(hào)靈巧性大，能夠在不增添硬件成本的基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的濾波，但要進(jìn)行濾波，需要A/D、D/A既有較高的變換速率，辦理器擁有較高的運(yùn)算速度，成本高。方案三：以集成運(yùn)放為核心的有源濾波電路，構(gòu)造簡(jiǎn)單，所需元件少，成本低，且電路輸入阻抗高、輸出阻抗低，并有專門的設(shè)計(jì)軟件。方案選擇：選擇方案三作為系統(tǒng)的基波和三次諧波濾波方案。用集成運(yùn)放TL081A和RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的二階有源濾波電路器的濾波器構(gòu)造清楚，幅頻響應(yīng)更靠近理想特征，截止頻次和增益能夠進(jìn)行充分調(diào)理，擁有較好的濾波成效，能夠發(fā)生非常理想的正弦波成效。移相電路對(duì)分頻濾波后的基波正弦信號(hào)進(jìn)行移相，使基波與三次諧波相位關(guān)系知足信號(hào)合成的需要。方案一：采納無源RC移相網(wǎng)絡(luò)。該方案電路簡(jiǎn)單，能夠達(dá)成移相，可是經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)后信號(hào)有衰減，并且在調(diào)理相移的同時(shí)，信號(hào)的幅度也會(huì)發(fā)生更改，需要在后級(jí)再加入放大器進(jìn)行補(bǔ)償，增添了系統(tǒng)的復(fù)雜性。方案二：采納有源RC移相電路，經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到信號(hào)的幅度增益恒定為1且相位可調(diào)的成效。創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日本系統(tǒng)中采納方案二進(jìn)行移相電路的設(shè)計(jì)。運(yùn)用反相乞降運(yùn)算電路。方波信號(hào)經(jīng)濾波和移相后，其輸出幅度將有分歧程度的衰減，合成前需要將各成分的信號(hào)幅度調(diào)整到規(guī)定比率，才華合成為新的合成信號(hào)。采納反向比利運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)整，采納反向加法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成。二．理論剖析計(jì)算與電路仿真2.1系統(tǒng)原理框圖電路構(gòu)成及工作原理因?yàn)榫匦尾妷褐挥袃煞N狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要構(gòu)成部分；因?yàn)榘l(fā)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地互相變換，所以電路中一定引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按必定的時(shí)間間隔交替更改，即發(fā)生周期性更改，所以電路中要有延緩環(huán)節(jié)來切換每種狀態(tài)保持的時(shí)間。矩形波發(fā)生電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路構(gòu)成。RC回路既作為延緩環(huán)節(jié)，又作為反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過RC充放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)變換。振蕩周期經(jīng)過以上剖析可知，調(diào)整電壓比較器的電路參數(shù)R1和R2能夠改變Uc的幅值，調(diào)整電阻R1、R2、R3和電容C的數(shù)值能夠改變電路的振蕩頻次。而要調(diào)整輸出電壓Uo的振幅，則創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日要換穩(wěn)壓管以改變Uz，此時(shí)Uc的幅值也將隨之更改。仿真切現(xiàn)依據(jù)要求，矩形波發(fā)生電路發(fā)生1kHz的方波（占空比50％），方波幅度為5V，輸出阻抗為50Ω。依據(jù)仿真得方波發(fā)生電路發(fā)生方波峰峰值為12.5V，于是分壓R4=10kΩΩ。經(jīng)過跟從器電路以后獲取輸出方波電壓峰峰值為10V。仿真圖如下：電路構(gòu)成及工作原理濾波電路是一種能使實(shí)用信號(hào)經(jīng)過而克制無用頻次信號(hào)的電子裝置。工程上常常使用它來做辦理信號(hào)、數(shù)據(jù)傳遞和克制干擾等。而有源低通濾波器是同意低頻信號(hào)經(jīng)過而克制高頻信號(hào)的電路。本部分電路采納壓控電源型（VCVS）二階有源低通濾波器，VCVS采用同相輸入，其輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，故稱電壓控制電壓源電路。其優(yōu)點(diǎn)是電路性能穩(wěn)固、增益簡(jiǎn)單調(diào)理。由FFT分解可知，方波可分解為一系列奇數(shù)的諧波構(gòu)成。詳細(xì)公式為：此中1，3次諧波是方波的主要成分，3次諧波是1次諧波的3倍頻程，所以要提取基波而將3次諧波有效濾除，這需要低通濾波器有足夠的衰減速度，采納二階巴特沃斯濾波器（基波頻次設(shè)定為截止頻次）可獲取較好的濾波成效。創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日由仿真切現(xiàn)獲取一階濾波頻次為985Hz，峰峰值為12.2V，偏差在5％以內(nèi)，切合要求。仿真切現(xiàn)電路構(gòu)成及工作原理帶通濾波器是一個(gè)同意特定頻段的波經(jīng)過同時(shí)障蔽其余頻段的設(shè)施。一個(gè)理想的濾波器應(yīng)當(dāng)有一個(gè)完整平展的通帶，比如在通帶內(nèi)沒有增益或許衰減，并且在通帶以外全部頻次都被完整衰減掉，此外，通帶外的變換在極小的頻次范圍達(dá)成。實(shí)質(zhì)上，其實(shí)不存在理想的帶通濾波器。濾波器其實(shí)不克不及夠?qū)⑾Ｍl次范圍外的全部頻次完整衰減掉往常，濾波器的設(shè)計(jì)盡量擔(dān)保滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計(jì)更為靠近。對(duì)比于無源濾波器，有源濾波器有很多長(zhǎng)處：能夠按要求靈活設(shè)置增益，并且不論輸出端能否帶載，濾波特征不變，這也是有源濾波較無源濾波獲取更寬泛應(yīng)用的原由。仿真切現(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器，并經(jīng)Multisim仿真。中心頻次為3.01kHz，輸出信號(hào)波形無顯然失真，輸出電壓幅度峰峰值4.01V，幅度偏差小于5%。電路構(gòu)成及工作原理低通濾波器和帶通濾波器濾波獲取的兩路正弦信號(hào)的相位其實(shí)不克不及知足疊加成方波的同有關(guān)系，所以一定進(jìn)行相創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日位調(diào)整。因?yàn)槟M合成信號(hào)只有兩個(gè)，所以只要對(duì)此中的基波信號(hào)進(jìn)行調(diào)理即可。一階全通濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特定頻次信號(hào)發(fā)生相移，而信號(hào)的幅值在濾波前后堅(jiān)持不變，經(jīng)過改變電路參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)在某一范圍內(nèi)的相移，相移電路以下列圖。仿真切現(xiàn)仿真結(jié)果以下所示：因?yàn)橄到y(tǒng)在前級(jí)對(duì)信號(hào)的幅度比率已調(diào)理適合且電路放大運(yùn)算比率固定，不用在加法電路進(jìn)行輸入輸出信號(hào)的幅度調(diào)節(jié)，所以這里采納簡(jiǎn)單的單個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成加法電路就能夠很好的知足合成要求。加法電路相當(dāng)于輸入端有兩個(gè)電壓源，相應(yīng)的輸入電阻決定了每個(gè)電壓對(duì)電路的作用，而反應(yīng)電阻和輸入電阻的比率決定增益的大小。因R1=R2=R3,所以Uo=U1+U2。為防備靜態(tài)偏移，要將同樣端用電阻接地，接地電阻為R4=R1//R2//R3。設(shè)計(jì)電路圖以下列圖所示：創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日三．系統(tǒng)測(cè)試及剖析直流穩(wěn)壓電源HY1711-3S（1臺(tái)）信號(hào)源TFG3050L（1臺(tái)）示波器DS1102E（1臺(tái)）萬用表（1臺(tái)）測(cè)試方案說明使用直流穩(wěn)壓電源為各個(gè)電路模塊中的TL081ACP運(yùn)放進(jìn)行±9V電壓供電，示波器雙蹤輸入察看信號(hào)波形，詳細(xì)測(cè)試步調(diào)以下：·焊接矩形波發(fā)生器電路發(fā)生1kHz方波信號(hào)，調(diào)整元件參數(shù)使輸出電壓幅度偏差小于5%；·焊接調(diào)試低通濾波器濾出獲取的基波正弦信號(hào)，使基波輸出電壓幅值偏差小于5%；·焊接調(diào)試帶通濾波器濾出獲取的三次諧波正弦信號(hào)，調(diào)整電阻參數(shù)使三次諧波輸出電壓幅值偏差小于5%，；·察看兩種正弦信號(hào)相位差，并依據(jù)實(shí)質(zhì)相位差調(diào)整移相電路設(shè)計(jì)（詳細(xì)參考移相電路），使兩路信號(hào)基本堅(jiān)持同相；·將基波與三次諧波分別輸入加法器，察看輸出波形使其疊加成為近似方波，調(diào)整元件參數(shù)使輸出電壓幅度偏差小于5%；測(cè)試數(shù)據(jù)創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日矩形波發(fā)生器：低通濾波電路輸出的基波：帶通濾波器輸出的三次諧波：基波經(jīng)過移相電路：合成近似方波：測(cè)試模塊頻次頻次偏差幅度幅度偏差（峰峰值）方波發(fā)生器3.85%0低通濾波1.96%0電路帶通濾波0.8%2.0%電路加法器電路1.96%4.8%矩形波發(fā)生器發(fā)生的頻次為Hz、峰峰值為10.0V的方波經(jīng)濾波辦理后，能夠同時(shí)發(fā)生頻次為Hz和kHz的正弦波信號(hào)，其波形均無顯然失真，兩者峰峰值分別為1V、4.08V。由移相器和加法器構(gòu)成的信號(hào)合成電路，將發(fā)生的基波和三次諧波合成為近似方波。從測(cè)量的數(shù)據(jù)和波形能夠看出，本設(shè)計(jì)較好的實(shí)現(xiàn)了題目所要求的性能指標(biāo)。剖析從測(cè)量結(jié)果中能夠看出輸出頻次未完整知足要求，輸出幅度仍有可提高空間。調(diào)試過程集中在模擬電子電路部分。各模塊電路發(fā)生偏差的原由好多，一般來說，有以下幾點(diǎn)可致使實(shí)驗(yàn)偏差的出現(xiàn)：運(yùn)放的輸入偏置電流、失調(diào)電壓和失調(diào)電流及其創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日創(chuàng)作時(shí)間：貳零貳壹年柒月貳叁拾日溫漂；電阻器的實(shí)質(zhì)阻值與標(biāo)稱值的偏差，以及元件參數(shù)遇到溫度影響而發(fā)生的更改。此外，電源和信號(hào)源的內(nèi)阻及電壓更改、環(huán)境擾亂和噪聲都會(huì)造成偏差。四．結(jié)論本設(shè)計(jì)主要敘述了方波信號(hào)發(fā)生與合成的工作原理和工作過程。在說明工作原理的過程中，突出了基本電路的構(gòu)成單元以及這些單元怎樣實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成的功能。設(shè)計(jì)中碰到了好多實(shí)質(zhì)性的問題，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)書籍中理論知識(shí)與在實(shí)質(zhì)運(yùn)用有著必定的進(jìn)出，有些問題不但需要深入理解，并且要不斷地改正從前的錯(cuò)誤思想。電路設(shè)計(jì)是一個(gè)很靈巧的東西，它反應(yīng)了一個(gè)人解決問題的邏輯思想和創(chuàng)新能力。這才是一個(gè)設(shè)計(jì)的靈魂所在。所以在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中大多數(shù)時(shí)間是用在單元電路的理解和設(shè)計(jì)上邊。在實(shí)踐有一些條件限制以及因?yàn)樵骷约旱奶卣鞫l(fā)生各種各種的偏差。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)試慮到每一處細(xì)節(jié)，找出最適合的設(shè)計(jì)方法。也考證了侯老師的那句話：硬件不是調(diào)試出來的，是設(shè)計(jì)出來的。本次實(shí)驗(yàn)過程中，有時(shí)機(jī)從頭回首模擬電子電路的原理和設(shè)計(jì)方法并且有了一些新的認(rèn)識(shí)。溫故而知新，能運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)解決我在設(shè)計(jì)中碰到的問題，使自己思慮問題的能力獲取了很大的提高。在做設(shè)計(jì)的過程中查閱了一些資料，經(jīng)過閱讀這些資料也使知識(shí)貯備量有所增添。經(jīng)過實(shí)踐自己也深刻認(rèn)識(shí)到關(guān)于理論知識(shí)的掌握缺少，各部分創(chuàng)作時(shí)間