信号产生、分解与合成.doc

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(仅供参考)实验名称:信号的产生、分解与合成院(系):吴健雄学院 专业:电类强化班姓名:??? 学号:610101??实验室:101 实验组别:1同组人员:???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。基本要求设计一个方波发生器,要求其频率为1kHz,幅度为5V;设计合适的滤波器,从方波中提取出基波和3次谐波;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。 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:功能:通过振荡电路产生一个方波,并将其通过滤波得到1、3、5次谐波,最后通过加法电路合成新的波形。性能指标:1)方波:频率1KHz,幅度5V。2)滤波器:基础要求提取基波和三次谐波,提高要求提取五次谐波。3)移相电路:通过移相电路调节滤出来的1、3、5次谐波相位,使得其与原方波相位差近似为0。1、信号的产生通过震荡电路产生1kHz,幅度为5V的方波信号。2、滤波器的设计根据方波的傅里叶展开式:原信号分解只包含奇次谐波分量。设计不同中心频率的带通滤波器,可将各次谐波滤出。相位校正电路由于滤波器用到了对不同频率有不同响应的储能元件,对于滤除的波形会产生附加相位。若要让各次谐波叠加出原有信号,必须调节其相位使之同相。用全通滤波器可在不影响相对幅度的前提下改变相位。加法电路将滤除的基波、3次谐波、5次谐波相加,得到近似的方波信号。对于滤波器对不同频率分量不成比例的衰减,可在加法电路给予响应的补偿。二、电路设计(预****要求)电路设计思想(请将基本要求、提高要求、创新要求分别表述):本实验我们直接设计了提高要求,故基本要求和提高要求一起表述:信号的产生:利用运放和RC回路构成震荡电路,通过调节RC回路的时间常数和运放同相输入端的参考电压来调节震荡电路的频率。用一对稳压二极管限制输出电压幅度。二阶有源带通滤波器根据实验要求,设计有源带通滤波器,将所需频率的信号以尽量小的衰减输出,同时对其它频率有非常大的衰减。因此需要增加滤波器的阶数。采用二阶有源带通滤波器,通过理论计算,调节其中一个电阻来改变中心频率。相位校正电路由于滤波器难免对滤出的谐波分量产生附加相位,需要在选频电路之后加一全通网络校正相位,抵消相位差。4、加法电路将所得到的各次谐波分量叠加,得到近似的方波。同时,加法电路可对滤波对原信号分量的衰减进行补偿。电路结构框图(请将基本要求、提高要求、创新要求分别画出):基础要求:提高要求: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):方波振荡电路:采用迟滞比较及RC反馈回路,电路图如下:不妨设输出值为,电容开始充电,理想情况下,当时,输出值跳变为,电容开始放电,从充电的时间为:由三要素法,其中当时发生跳变,代入方程解得:需要产生1KHz的方波,因此此处的,若取,那么,电容不希望过大,否则会转换速率过低,电容,,可以用电位器来慢慢调节的值使得实测电路的频率为1KHz。 带通滤波器:使用TI公司的FilterProDT设计有源滤波器,不过该软件设计所得元件并非标准元件,仍需进一步计算得到传递函数分析。基本电路图如下:电路的传递函数:上式取,求解得取得最大增益时的角频率:,实际试验中,取,,则:当,,时,对于不同的取值,理论值如下:,当中心频率是整千赫兹时,值不是整数,且随阻值变化变化较快。另一方面,由于通频带较窄,中心频率稍有偏移,就会造成所需频率信号较大的衰减。因此不能用标准化参数的电阻,而是用电位器。从上面的分析可知,固定、、,调节改变通频带中心频率,调节改变电压增益。三次谐波滤波仿真波特图:基波滤波仿真波特图:五次谐波滤波仿真波特图: 移相电路: 左图为0~180度的移相电路,右图为-180~0度的移相电路。看作理想运放,则有,带入求解得如果取参数=,则表达式化简为,其模为1,为全通网络,理论上只产生相移而不会影响幅值。当=0时,相移为π;当=∞时,相移为0,相移的变化范围可以满足调整的需要。 同样的道理,右图经过计算也可以得到,当=0时,相移为0;当=∞时,相移为-π。 因此设计如下电路图由于滤波器的相频特性在特征频率点上是一个跳变的过程,因此难以确定相位调节范围是0~180度还是-1