东南大学模电实验报告实验四信号的产生分解与合成.docx

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东南大学模电实验报告实验四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：

模拟电子电路实验

第四次实验

实验名称：

信号的产生、分解与合成

院（系）：

自动化学院专业：

自动化

姓名：

某某学号：

*****

实验室:

101实验组别：

同组人员：

实验时间：

2017年5月10日

评定成绩：

审阅教师：

实验四信号的产生、分解与合成

一、实验目的

1.掌握方波信号产生的基本原理和基本分析方法、电路参数的计算方法、各参数对电路性能的影响；

2.掌握由运算放大器组成的RC有源滤波器的工作原理，熟练掌握RC有源滤波器的基本参数的测量方法和工程设计方法；

3.掌握移相电路设计原理与方法；

4.掌握比例加法合成器的基本类型、选型原则和设计方法；

5.掌握多级电路的级联安装调试技巧；

6.熟悉FilterPro、Multisim软件高级分析功能的使用方法。

二、预习思考

1.方波发生电路（Multisim仿真）

（1）图4.1中RW调到最小值时输出信号频率是多少，调到最大值时输出信号频率又是多少。

（2）稳压管为6V，要求输出方波的前后沿的上升、下降时间不大于半个周期的10％，试估算图4.1电路的最大输出频率。

（3）如果两个稳压管中间有一个开路，定量画出输出波形图，如果两个稳压管中间有一个短路呢？

（4）简单总结一下，在设计该振荡器时必须要考虑运算放大器的哪些参数。

（1）Rw最小时，T=2.290ms，f=436.7Hz；Rw最大时，T=24.4ms，f=41Hz。

实际设计1kHz,5Vp方波发生器电路时应该选择更小的R1，通过调整R1的阻值获得1kHz的输出信号。

（2）实验中使用的Ua741运放，数据手册中指出转换速率SR为0.5V/μS，于是稳压管为6V情况下，U=12V，t=12/0.5=24Μs,Tmin=t/10%*2=480Μs,可得fmax=2.08kHz。

（3）有一个开路：

上短路：

下短路：

（4）运放的电压转换速率；

运放的最大输出电流；

运放的增益带宽积（高频时可能产生不了能够使稳压管正常工作的电压）。

2.滤波器电路（Multisim仿真）

（1）设计一个低通滤波器，截止频率f0=2kHz,Q值为0.7，f>>f0的衰减速率不低于30dB/10倍频。

（2）设计一个高通滤波器，截止频率f0=500Hz，f=0.5f0的幅度衰减速不低于12dB。

（3）设计一个带通滤波器，上限频率2kHz，下限频率500Hz。

（1）使用FilterPro软件进行设计，所填参数如下：

选择Q值较为接近要求的Butterworth滤波器：

选择较为常见的多重复反馈型电路：

最终可得电路图：

在Multisim中仿真可得：

可知

，大致符合要求。

当f>>fo时，AU的下降趋势大致符合对数线性。

f=5.06kHz，增益为-16.261dB；f=50.241kHz时，增益为-55.761dB，下降速度符合要求。

（2）FilterPro中所填参数如下：

所得电路为：

Multisim仿真得：

可知f=500Hz时，

大致符合要求。

可知f=250Hz时，增益为-18.087dB,相对于f=500Hz时下降了15dB以上,符合要求。

（3）中心频率应为

。

FilterPro中所填参数如下:

所得电路为：

Multisim仿真得：

可知，f=500Hz时，

;

当f=500Hz时，

。

大致符合要求。

3.移相电路（Multisim仿真）

（1）波形合成时为何需要移相电路？

移相是由于电路附带的电容引起的，在方波——正弦波的转换过程中，相移在所难免的，这就需要移相来解决附加相移。

移相电路是对分频滤波以后的各个谐波信号进行相位的调整，是它们的相位关系能同步。

（2）移相电路应该怎样调节？

应该先调节好各次谐波的相位再合成？

还是将各次谐波

合成后，再调节移相电路？

请分析并写出原因。

以原始的方波信号为基准信号，接到示波器的CH1输入端，将移相网络的输出端接到CH2端，双踪是示波，通过可变电阻对输出的相移进行改变，输入输出比表达式应该是Rw的函数;

应先将滤好的各次谐波分别移相后再合成。

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不同的附加相位，并且加法电路不含相移功能，此时设计一个相移网络是不同频率的波形经过其得到符合各自要求移相比较困难或者根本不可能实现，因此要对各次谐波进行不同程度的移相。

三、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）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。

分析实验的功能与性能指标：

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：

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次谐波也一样）故最主要的是波形和频率。

3、3次谐波：

波形要为正弦波，频率为3kHz，幅度理论值为2.12V。

4、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。

5、加法器：

能够弥补滤波出的信号幅度与理论值的误差，将各个谐波分量合成。

6、最后合成的信号与产生的方波信号相位与频率应相等。

实验电路的结构如下：

四、实验电路设计

1、方波发生电路

使用稳压管与运算放大器构成的方波发生电路，再使用分压电路将之调整到-5~5V的双极性方波。

通过调整电位器RW可以得到精确的频率，调节电位器R57可以得到精确的幅度值。

仿真结果如下：

2、滤波电路设计：

本设计采用带通有源滤波电路，借助Filterpro软件，同时考虑现有的器件条件，通过大量的Multisim仿真实验实现获得效果较为理想的一次和三次滤波电路。

（1）基波：

波形为正弦波，频率为1kHz，峰峰值理论上12.732V，幅度可以允许存在误差，在后面的加法器进行调整，故最主要的是波形和频率。

仿真结果如下：

（2）3次谐波

波形为正弦波，频率为3kHz，峰峰值理论上4.244V。

仿真结果如下：

3.移相电路

不能对信号的幅度和频率有影响，只能改变信号的相位，是信号与输入方波的相位相等。

从上面的设计图和实际此时的结果来看，我们的滤波器会使滤除的波形相对于原来的超前，但是由于采用了反相加法电路进行最后的波形叠加，相当于给每个谐波的相位不上180度，反而能使相位超期，即时用如下图的一项电路进行移相：

4.加法器

能过弥补滤波出的信号幅度与理论值的误差，将各谐波分量合成，实验设计中采用反相加法电路，如下图：

5.本实验中还用到了跟随器和反相器。

添加跟随器的目的是实验中发现不接跟随器时将方波引入3kHz滤波电路时，会发现方波受到了很大的干扰，因此采用跟随器能起到一个很好的隔离作用。

电压跟随器反相器

将以上各电路模块化，最后综合电路如下：

四、硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析

1.硬件实物图：

2.测试的数据和波形并与设计结果比较分析：

（1）方波：

由上图示波器测得的数据显示，生成的方波峰峰值为10V，频率为1.06kHz

（2）基波

由上图示波器测得的数据显示，生成的基波峰峰值为12.72V，频率为1.06kHz

（3）三次谐波

由上图示波器测得的数据显示，生成的三次谐波峰峰值为4.28V，频率为3.17kHz

（4）基波与三次谐波合成

合成信号峰峰值为12.16V，频率为1.06kHz

下面给出用matlab软件画出的基波与三次谐波的合成图：

基波与三次谐波的合成图

分析：

从波形上可知multisim与matlab得出的波形是一致的，但是在峰峰值上存在一点误差，可能是有在用multisim仿真时，在用加法器求和是，各分量的峰值没有调到理论值。

五、总结

1.阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法：

（1）三次滤波电路的选择问题

一开始用Filterpro设计三次滤波电路的时候，为了搭接方便我尝试了简单的二阶滤波电路，用Multisim仿真效果勉勉强强可以，但是实际硬件搭接出来的效果很是不好，出来的波形幅度高低起伏，可能是因为由于现有的器件条件凑不出Filterpro原理图上的器件，存在一定的偏差，还有就是2阶电路带通滤波的效果本身就很不理想，后来不得不放弃了，换了4阶电路，并且尝试了很多的器件参数，终于获得了较为理想的三次谐波电路。

（2）三次滤波电路对方波发生电路的干扰问题

将方波信号引入三次滤波电路发现，原来完美的方波受到了很大的干扰，询问老师得知方波发生电路带不动滤波电路，可以通过一个电压跟随器实现隔离，接了电压跟随器后问题得到了解决。

2.总结设计电路和方案的优缺点：

优点：

1、滤波和移相只需要保证各次谐波的频率准确，相位调至和方波一致，操作简明，无需考虑增益问题，增益到最后加法电路时根据移相后的幅值和傅立叶级数相比较确定需要放大的倍数。

2、每个模块解决一个问题，使得设计思路清晰，目的明确，将复杂的流程分解到简单的单元电路的设计。

3、滤波、移相的设计时，都采用电位器，确保每一步的准确度，最后合成时的准确度也就可靠了。

缺点：

1、为了保证一定精度度，使用了大量的电位器，基本上每个单元电路都使用了，由于电位器价格较贵，使得电路成本提高；

2、移相只要有一点误差，输出波形的顶部就不太对称，每次都要调谐波的相位。

3.实验的收获和体会：

在这次实验中，从设计到实际电路的搭接到最后的调试，难度相较于以前的实验都有了较大的提升，首先是FilterPro软件的使用，尽管使用这款软件能够很轻松地设计出想要的滤波器电路，但是其设计过于理想化。

为了使滤除的波形完美，我尝试了很多的器件参数，结合自身拥有的器件条件，最后终于得到了较为理想的效果。

这次的实验更加深了我对模块化设计的重要性的体会，软件仿真和硬件搭接的结合大大提高了效率和准确性。

同时这次实验也让我从实验上加深了对傅里叶级数的理解，同时我的硬件搭接水平得到了很大的提升。