1、摘要本系統主要以TL081A運放為核心，由方波發生器、濾波分頻電路、移相電路、加法器電路模塊組成。實現了產生多個不同頻率的正弦信號與基于多個正弦波合成方波信號的電路功能。系統基本工作過程為：1kHz方波信號通過低通濾波器和帶通濾波器得到按傅里葉級數展開的1kHz基波正弦波信號和3kHz三次諧波正弦波信號。而后將基波信號通過移相電路使其相位調整到與三次諧波相同，然后通過加法電路將信號合成近似的方波信號。輸出波形結果表明，系統合成波形符合理論傅里葉分析結果，比較準確。正弦波及合成波的幅值測試誤差小于5%符合題目要求。關鍵詞：方波發生器；傅里葉級數；分頻；濾波；移相一.總體方案設計及論證1.1題目設

2、計任務設計制作一個電路，能夠產生多個不同頻率的正弦信號，并將這些信號再合成為近似方波信號。系統框圖如下圖所示：矩形波基波三次諧波移相后基波合成信號測試點測試點測試點測試點測試點正弦波產生實驗方波合成實驗具體要求:實驗1矩形波發生電路1、矩形波發生電路產生1kHz的方波（50%占空比），頻率誤差小于5%,方波波形幅度為5V,幅度誤差小于5%。2、矩形波發生電路輸出阻抗=50。.3、使用示波器測量矩形波的上升時間和下降時間，用數學表達式表達輸出的矩形波信號。實驗2濾波分頻電路1、矩形波發生電路產生的信號經物路不同頻率有源濾波處理，同時產生頻率為1kHz和3kHz的正弦波信號。2、其中基波產生采用低

3、通濾波器，要求3dB帶寬為1kHz,帶外衰減240dB/十倍頻程下降,產竺的信號波形無明顯失真,幅度峰峰值為12V,幅度誤差小于5%。3、其中三次諧波產生采用帶通漉波器，要求中心頻率分別為3kHz,3dB帶寬小于500Hz,帶外衰減2-40dB/十倍頻程下降，產生的信號波形無明顯失真，幅度峰峰值為4V,幅度誤差小于5%o4、使用示波器觀察基波和三次諧波的波形，測量基波和三次諧波的延遲時間大小。實驗3移相器電路1、設L并制作一組移相電路，完成對基波正弦信號的移相，使移相后的基波和三次諧波的波形如圖2所示，要求移相電路的增益為1,增益誤差W5%。圖2移相后的基波和三次諧波波形實驗4加法器電路1.設

4、計并制作加法器將3中移相器輸出的基波與三次諧波相加，合成近似正弦波，波形幅度為5V,誤差不大于0.5V1合成波形的形狀如圖3所示，等00406IU211ie110a圖3利用基波和3次諧波合成的近似方波1.2方案論證比較1.2.1 系統總體方案方波發生電路產生1kHz方波，對其中的基波和三次諧波分量進行提取，1kHz基波可用截止頻率為1kHz的巴特沃斯低通濾波器濾波得到，3kHz諧波可用中心頻率設為3kHz的高Q值帶通濾波器濾波得到。最后再經相位調整重新合成近似方波。1.2.2 方波振蕩電路的選擇本系統中的方波發生電路是實現后續各級電路功能的基礎，對頻率準確度和穩定度的要求較高。方案一：555定

5、時器組成的多諧振蕩器，直接調節至1KHz左右的對稱方波。此方案成本低廉，實現方便，但其穩定性容易受到外部元件的影響，在振蕩頻率較高時頻率穩定度不夠。方案二：使用石英晶振組成高穩定度的頻率參考源，并使用計數器和集成鎖相環芯片構成分頻/倍頻環，以產生1KHz的方波。該方法產生的信號穩定度高，但需要搭建石英晶體振蕩電路，并進行鎖相環分頻、倍頻，電路較復雜。方案三：采用基于反相輸入的滯回比較器和RC電路的方波產生電路。該電路結構簡單，性能穩定，主要的限制因素在于比較器的速度。結合適當的RC參數，可達到1KHZ的振蕩頻率。方案選擇：本系統采用方案三，此電路結構簡單，產生的方波穩定性較好。1.2.3 濾波

6、電路的選擇本系統中所需正弦波均來自于方波信號，需使用低通濾波器和帶通濾波器。方案一：使用由LC網絡組成的無源高階巴特沃斯濾波器。其通帶內相應最為平坦，衰減特性和相位特性都很好，對器件的要求也不高。但其在低頻范圍內有體積重量大、價格昂貴和衰減大等缺點。方案二：采用實時DS嚶字濾波技術，數字信號靈活性大，可以在不增加硬件成本的基礎上對信號進行有效的濾波，但要進行濾波，需要A/D、D/A既有較高的轉換速率，處理器具有較高的運算速度，成本高。方案三：以集成運放為核心的有源濾波電路，結構簡單，所需元件少，成本低，且電路輸入阻抗高、輸出阻抗低，并有專門的設計軟件。方案選擇：選擇方案三作為系統的基波和三次諧

7、波濾波方案。用集成運放TL081A和RC網絡組成的二階有源濾波電路器的濾波器結構清晰，幅頻響應更接近理想特性，截止頻率和增益可以進行充分調節，具有較好的濾波效果，可以產生非常理想的正弦波效果。1.2.4 移相電路的選擇移相電路對分頻濾波后的基波正弦信號進行移相，使基波與三次諧波相位關系滿足信號合成的需要。方案一：采用無源RC#相網絡。該方案電路簡單，可以完成移相，但是通過移相網絡后信號有衰減，而且在調節相移的同時，信號的幅度也會發生變化，需要在后級再加入放大器進行補償，增加了系統的復雜性。方案二：采用有源RC#相電路，通過合理的設計，可以達到信號的幅度增益恒定為1且相位可調的效果。本系統中采用

8、方案二進行移相電路的設計。1.2.5 加法器電路運用反相求和運算電路。方波信號經濾波和移相后，其輸出幅度將有不同程度的衰減，合成前需要將各成分的信號幅度調整到規定比例，才能合成為新的合成信號。采用反向比利運算電路實現幅度調整，采用反向加法運算實現信號合成。二.理論分析計算與電路仿真2.1 系統原理框圖基波Z*基波濾波*移木目命，fJJ合成波方波發生器*跟隨器1加法器三次諧波'三次波J濾波2.2 方波信號發生電路2.2.1 電路組成及工作原理因為矩形波電壓只有兩種狀態，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態自動地相互轉換，所以電路中

9、必須引入反饋；因為輸出狀態應按一定的時間間隔交替變化，即產生周期性變化，所以電路中要有延遲環節來切換每種狀態維持的時間。矩形波發生電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環節，又作為反饋網絡，通過RC充放電實現輸出狀態的自動轉換。振蕩周期，T=2限Cln（l+黃）通過以上分析可知，調整電壓比較器的電路參數R1和R2可以改變Uc的幅值，調整電阻R1、R2、R3和電容C的數值可以改變電路的振蕩頻率。而要調整輸出電壓Uo的振幅，則要換穩壓管以改變Uz,此時Uc的幅值也將隨之變化。tUi-Ut02.2.2 仿真實現根據要求，矩形波發生電路產生1kHz的方波（占空比50%）,方波幅度

10、為5V,輸出阻抗為50Q。根據仿真得方波發生電路產生方波峰峰值為12.5V,于是分壓R4=10kQ,R29=2.5kQ。TLHI*CPVCD-1-1D0nT經過跟隨器電路之后得到輸出方波電壓峰峰值為10V。仿真圖如下：2.3 基波濾波電路2.3.1 電路組成及工作原理濾波電路是一種能使有用信號通過而抑制無用頻率信號的電子裝置。工程上常用它來做處理信號、數據傳送和抑制干擾等。而有源低通濾波器是允許低頻信號通過而抑制高頻信號的電路。本部分電路采用壓控電源型（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，濾波器相當于一個電壓源，故稱電壓控制電壓源電路。具優點是電路

11、性能穩定、增益容易調節。由FFT分解可知，方波可分解為一系列奇數的諧波組成。具體公式為：4k1f（r）=（sin+sin3區+sin5sHsin7辦+）;735一=霽。產Qim其中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，因此要提取基波而將3次諧波有效濾除，這需要低通濾波器有足夠的衰減速度，采用二階巴特沃斯濾波器（基波頻率設定為截止頻率）可獲得較好的濾波效果。由仿真實現得到一階濾波頻率為985Hz,峰峰值為12.2V,誤差在5%之內，符合要求。2.2.2仿真實現Ihkironixf-io2.4 帶通濾波電路2.4.1 電路組成及工作原理帶通濾波器是一個允許特定頻段的波通過同時

12、屏蔽其他頻段的設備。一個理想的濾波器應該有一個完全平坦的通帶，例如在通帶內沒有增益或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉換在極小的頻率范圍完成。實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠將期望頻率范圍外的所有頻率完全衰減掉通常，濾波器的設計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設計更加接近。相比于無源濾波器，有源濾波器有許多優點：可以按要求靈活設置增益，并且無論輸出端是否帶載，濾波特性不變，這也是有源濾波較無源濾波得到更廣泛應用的原因。2.4.2 仿真實現設計一個帶通濾波器，并經Multisim仿真。中心頻率為3.01kHz,輸出信號波形無明顯失真，輸出

13、電壓幅度峰峰值4.01V,幅度誤差小于5%。TekV.VchiAfvCHITtfcmCHINoneCHIpmCHIiCHI2Fraq1幾坦2.5 移相電路2.5.1 電路組成及工作原理低通濾波器和帶通濾波器濾波得到的兩路正弦信號的相位并不能滿足疊加成方波的同相關系，因此必須進行相位調整。因為模擬合成信號只有兩個，所以只需對其中的基波信號進行調節即可。一階全通濾波器可以實現對特定頻率信號產生相移，而信號的幅值在濾波前后保持不變，通過改變電路參數可以實現信號在某一范圍內的相移，相移電路如下圖。RR全通濾波電路(a)超前電踣滯后電路rMJ=i產=1好-2£(，。=嬴)2.5.2 仿真實現實

14、際實驗時應根據示波器顯示相位差來計算電路參數。根據相位差所占格數/信號一個周期所占格數=呼/2式.360；求出中值，再利用上述公式求出R值，進行仿真。仿真結果如下所示：tfecTektronix示謖器-XSCZlektronixIDs2»24餓的000002.6 加法器電路由于系統在前級對信號的幅度比例已調節合適且電路放大運算比例固定，不用在加法電路進行輸入輸出信號的幅度調節，所以這里采用簡單的單個集成運放構成加法電路就可以很好的滿足合成要求。加法電路相當于輸入端有兩個電壓源，相應的輸入電阻決定了每個電壓對電路的作用，而反饋電阻和輸入電阻的比例決定增益的大小。因R1=R2=R3,所以

15、Uo=U1+U2。為避免靜態偏移，要將相同端用電阻接地，接地電阻為R4=R1/R2/R3。設計電路圖如下圖所示：u，哼fIIJra制4到mampmilldotia風三.系統測試及分析3.1 測試儀器直流穩壓電源HY1711-3S（1臺）信號源TFG3050L（1臺）示波器DS1102E（1臺）萬用表（1臺）3.2 測試方案及測試數據3.2.1 測試方案說明使用直流穩壓電源為各個電路模塊中的TL081ACP運放進行土9V電壓供電，示波器雙蹤輸入觀察信號波形，具體測試步驟如下： 焊接矩形波發生器電路產生1kHz方波信號，調整元件參數使輸出電壓幅度誤差小于5%; 焊接調試低通濾波器濾出得到的基波正弦

16、信號，使基波輸出電壓幅值誤差小于5% 焊接調試帶通濾波器濾出得到的三次諧波正弦信號，調整電阻參數使三次諧波輸出電壓幅值誤差小于5%,; 觀察兩種正弦信號相位差，并根據實際相位差調整移相電路設計（具體參考2.5移相電路），使兩路信號基本保持同相； 將基波與三次諧波分別輸入加法器，觀察輸出波形使其疊加成為近似方波,調整元件參數使輸出電壓幅度誤差小于5%;Upp(1)=jlB3.2.2測試數據矩形波發生器:低通濾波電路輸出的基波:j2.0UjFre母=9804Hzim”h5,00UTime500p0000siFreU=961.5HzRISOLVTim*500.005。坨.8箍酎fO160fnU帶通濾

17、波器輸出的三次諧波:基波經過移相電路:合成近似方波:測試模塊頻率幅度（峰峰值）幅度誤差方波發生器961.5Hz3.85%10.0V0低通濾波電路980.4Hz1.96%12.0V0帶通濾波電路2.976kHz0.8%4.08V2.0%加法器電路980.4Hz1.96%9.52V4.8%3.3 測試結果及分析3.3.1 結果矩形波發生器產生的頻率為961.5Hz、峰峰值為10.0V的方波經濾波處理后，能夠同時產生頻率為980.4Hz和2.976kHz的正弦波信號，其波形均無明顯失真，二者峰峰值分別為12.0V、4.08V。由移相器和加法器構成的信號合成電路，將產生的基波和三次諧波合成為近似方波。

18、從測量的數據和波形可以看出，本設計較好的實現了題目所要求的性能指標。3.3.2 分析從測量結果中可以看出輸出頻率未完全滿足要求，輸出幅度仍有可提升空問。調試過程集中在模擬電子電路部分。各模塊電路產生誤差的原因很多，一般來說，有以下幾點可導致實驗誤差的出現：運放的輸入偏置電流、失調電壓和失調電流及其溫漂；電阻器的實際阻值與標稱值的誤差，以及元件參數受到溫度影響而產生的變化。另外，電源和信號源的內阻及電壓變化、環境干擾和噪聲都會造成誤差。四.結論本設計主要講述了方波信號發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，突出了基本電路的組成單元以及這些單元如何實現信號合成的功能。設計中遇到了很多實際性的問題，同時也發現書本中理論知識與在實際運用有著一定的出入，有些問題不但需要深入理解，而且要不斷地更正以前的錯誤思維。電路設計是一個很靈活的東西，它反映了一個人解決問題的邏輯思維和創新能力。這才是一個設計的靈魂所在。因此在整個設計過程中大部分時間是用在單元電路的理解和設計上面。在實踐有一些條件制約以及由于元器件本身的特性而產生各種各樣的誤差。所以，在設計時應考慮到每一處細節，找出最合適的設計方法。也驗證了侯老師的那句話：硬件不是調試出來的，是設計出來的。本次實驗過程中，有機會重新回顧模擬電子電路的原理和設計方法并且有了一些新