信号的产生、分解与合成

东南大学电工电子实验中心

实验报告

课程名称：电子电路实践

第四次实验

实验名称：信号的产生、分解与合成

院（系）：吴健雄学院专业：电类强化

姓名：周晓慧学号：61010212

实验室: 实验组别：

同组人员：唐伟佳(61010201)实验时间：2012年5月11日评定成绩：审阅教师：

实验四信号的产生、分解与合成

一、实验内容及要求

设计并安装一个电路使之能够产生方波，并从方波中分离出主要谐波，再将这些谐波合成为原始信号或其他周期信号。

1.基本要求（注：方波产生与最后合成为唐伟佳设计，滤波和移相我设计）

（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。

2.提高要求

设计5次谐波滤波器或设计移相电路，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。

3. 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。

分析项目的功能与性能指标：

说明：这次实验我负责的是基波和3次谐波信号滤波器及其移相电路的设计，其余部分是唐伟佳设计，同时我还参与了全过程的调试。

功能：此次实验主要功能是实现信号的产生，并让我们在对信号的分解过程中体会傅里叶级数对周期信号的展开，以及滤波器的设计（该实验主要使用带通和全通滤波器（即移相器）），最后通过将分解出的谐波分量合成。

性能指标：

1、对于方波而言：频率要为1kHz，幅度为5V（即峰峰值为10V），方波关键顶部尽可能是直线，而不是斜线。

2、滤出的基波：a、波形要为正弦波，频率为1kHz，幅度理论值为6.37V（注：其实滤除的基波幅度只要不太离谱即可，因为后面的加法器电路可以调整增益，可以调到6.37V，后面的3次谐波、5次谐波也一样）故最主要的是波形和频率。

3、3次谐波：a、波形要为正弦波，频率为3kHz，幅度理论值为2.12V。

4、5次谐波：a、波形为正弦波，频率为5kHz，幅度理论值为1.27V。

5、移相器（即全通滤波器）：不能对信号的幅度和频率有影响，只能改变信号的相位，使信号与输入方波的相位相等。

6、加法器：能够弥补滤波出的信号幅度与理论值的误差，将个谐波分量合成。

7、最后合成的信号与产生的方波信号相位与频率应相等。

二、电路设计（预习要求）

(1)电路设计思想（请将基本要求、提高要求、创新要求分别表述）：

基本要求：

1、产生方波（即矩形波）的电路我们已知的主要两种：一为用电压比较器构成，二为用555定时器构成。对比二者产生的方波可以发现，用电压比较器构成的方波为有正有负，是奇函数，且奇对称，故其只有奇次谐波分量，而555定时器构成的方波只有正值，利用傅里叶级数展开，可知其奇偶谐波分量都有，不适宜我们此次实验的使用，故需将其将去一个量才可使用，显然次方案与方案一相比过于繁琐。故我们组最终采用方案一，选用电压比较器构成方波。

2、设计合适滤波器：

a、基波：设计基波的滤波器也有两种方案：一为低通滤波器；二带通滤波器，由

于在实验二增益自动切换的试验中，精密整流后电路就已经采用过低通滤波器分离出直流分量，故此次决定采用带通滤波器，并且可以达到电路的整体一致性。而滤波器有有源滤波器和无源滤波器，显然为了使滤波效果更佳，应使用有源滤波器。故基波与3次谐波分量均采用的是有源带通滤波器。同时借助Filterpro软件可以方便我们设计滤波器，需说明的是，在Filterpro软件提供了三种模式的滤波器：multiple-feedback（single ended）、Sallen-key和multiple-feedback（fully differential），通过对比发现sallen-key型滤波器简单方便，完全可以达到我们的要求，故选择了此种滤波器。

3、加法器：

加法器可选方案也有两种：一为反相求和；二为同相求和。反相求和的增益调节方便，而同相求和电路估算与调试过程均相当繁琐，同时期承受的共模输入电压也比较高，故我们组决定采用反相求和电路，只需在最后再加一个反相器即可。

4、为了避免方波产生电路的输出阻抗对滤波电路产生影响，故采用了一个跟随器，起到隔离作用。

提高要求：

1、5次谐波滤波器：已然采用带通有源滤波器，借助Filterpro软件。

2、移相电路：移相电路可以采用Filterpro软件提供的电路也可借用老师提供的移相电路，由于Filterpro软件提供的移相电路非常复杂，而后经过自己上网搜索，发现老师提供的移相电路确实较为简便，故采用此电路。

(2)电路结构框图（请将基本要求、提高要求、创新要求分别画出）：

基本要求：

注：实际基础验收过程中已经将移相电路包括在其中。

提高要求：

(3) 电路原理图（各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明）：

1、方波产生：

说明如下：

1、工作原理：当接通电源时，运放输出级工作在饱和限幅状态，输出电压Uo 等于+Uz 或-Uz 。当Uo 为+Uz 时，对电容CT 充电，使CT 两端电压上升，当电容两端电压超过参考电压时比较器发生反转，Uo 变为-Uz ，此时电容开始放电，电压开始下降，当下降到同相端的参考电压时，比较器又反转，如此反复，可产生方波信号。

2、参数选择：

由于同相端的参考电压以及振荡频率与上图中的R23和R24有关，为了计算去R23=R24=10k Ω。电容CT 选择10nF 的独石电容。又由)21ln(21

2324R R C R f T T +=从

而可计算出RT=45.5k Ω。由于实验室无5V 稳压二极管，故选择了5.1V ，最后需通过一个电位器分压。

Uo