方波发生电路实验报告

东南大学电工电子实验中心
实验报告
课程名称：电工电子实验
第1次实验
实验名称：波形发生分解与合成
院（系）：吴健雄学院专业：高等理工班
姓名：
学号：
实验室: 实验组别：
同组人员：无实验时间：2013年8月24日
评定成绩：审阅教师：
一、实验内容要求
基本要求：
1.设计一个方波发生器，要求其频率为1kHz，幅度为5V；
2.设计合适的滤波器，从方波中提取出基波和3次谐波；
3.设计一个加法器电路，将基波和3次谐波信号按一定规律相加，将合成后的信号与
原始信号比较，分析它们的区别及原因。

提高要求：
⏹设计5次谐波滤波器及移相电路，调整各次谐波的幅度和相位，将合成后的信号与
原始信号比较，并与基本要求部分作对比，分析它们的区别及原因。

创新要求：
⏹用类似方式合成其他周期信号，如三角波、锯齿波等
二、实验内容要求
1.方波发生器
图1：方波发生电路
图1中的方波发生电路，利用迟滞比较器基础上，把输出电压经电阻电容反馈到集成运放的反相端，然后在运放的输出端使用两个稳压管组成的双向限幅电路，得到较理想的1kHz方波。

2.滤波器
设计滤波器主要使用软件FilerPro，采用贝塞尔三级滤波结构，提取基波、三次谐波、五次谐波的设计电路如图2，图3，图4所示。

图2：提取基波的滤波器设计
图3：提取3次谐波的滤波器设计
图4：提取5次谐波的滤波器设计
3. 移项电路设计
按照要求应该是将分离的基波、三次谐波和五次谐波用加法器相加，但是由于在滤波的过程中对原来的波形可能会有相位的偏差，因此在相加之前需要对他们进行移项。

移项电路有以下两种选择。

图5：
3311out in U j CR U j CR ωω-=
+图6：331
1
out in U j CR U j CR ωω-+=+ 通过调节电路的参数可以进行相位的具体调节。

4. 加法电路设计
在通过移项电路将各个波形相位调节一致之后，通过简单的反相加法器就能得到最
后的合成信号
图7：反相加法器
三、模拟电路调试
a)方波发生器
模拟得到的方波幅值较低，我们计划在具体搭试时加一级放大器，将其放大至设计要求的5V。

b)基波
基波的幅度和频率很好，但是经过滤波电路产生了180°的相位差。

c)3次谐波
3次谐波的幅度和频率都有很一点的偏差，但是偏差量很小。

d)5次谐波
5次谐波的情况与三次谐波相似。

e)合成波
合成波与原信号相比，有一定的相位偏差，且幅度相差接近十倍。

四、实际电路搭试
在仿真中上述电路功能均能很好的实现。

在搭试电路的过程中，我们采取分模块逐步调试的方法，按照方波发生电路、一阶滤波电路、三阶滤波电路、移相电路和加法电路的顺序，在搭好每一部分的电路后对其进行检查并且观测输出信号，及时修改和优化，缩短了调试时间。

方波产生电路部分，我们采用迟滞比较器基础上，把输出电压经电阻电容反馈到集成运放的反相端。

在运放的输出端使用两个稳压管组成的双向限幅电路。

限幅以后，测量得方波的频率在972Hz左右，基本符合设计要求。

而方波的幅值为±400mV，因此在后面接了一级放大电路将信号放大到设计的Vpp=5.1V。

一阶滤波电路由三级滤波器连接而成。

我们在搭试完成这一部分电路后进行了测试，发现没有信号输出。

逐级检查滤波器，发现第一级起到积分电路的作用，产生了三角波信号（图8），而问题出现在第三级滤波器，其中的运放UA741芯片的反向偏置由于疏忽未连接好。

调整好之后获得图9所示波形。

图8：方波与三角波
图9：方波与一次基波分量
在三阶滤波电路的搭试过程中，采用与之前相同的流程，得到图10所示波形。

图10中的波形虽然满足频率是基波频率的三倍，但是波形距离完美的正弦波还是差距很大的，可能是因为我们在滤波器中使用的电阻阻值不准确，且方波频率距离设计的1kHz 有一定差距有关。

图10：方波与三次谐波
在模拟电路时我们还完成了五次谐波的分离与合成，如果需要搭试，具体流程和方法与之前是一样的，因此在搭试时略去。

下一步将基波与三次谐波合成。

由于在滤波过程中产生的相位差，我们需要一级调相电路，将三次谐波的相位和一次谐波调为相同（相差2kπ）。

在具体调相的过程中，模拟时采用1kΩ电位器，但是测试时发现可调范围不够，因此又串联了一个3kΩ的电阻，实现了调相（图11）。

图11：调相完成效果
最后利用反相加法器将两路信号合成，得到如下波形（图12）：
图12：反相加法器合成的波形
五、实验总结
波形发生器的实验设计是一个很综合的项目，其中用到以前学过的许多简单的小结构，比如滤波器、加法器等。

经过这个实验项目，我们学会了将复杂的问题分解成一个个简单的问题解决。

在模拟电路调试和实际电路调试中，我们发现了模拟电路和实际电路调试的一些区别，总结了一些加快调试速度的方法，对以后的电路设计会很有帮助。

六、实验分工
cc：模拟电路部分
pd：实际电路搭试。