东南大学吴健雄学院模电实验信号产生分解及合成.docx

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东南大学吴健雄学院模电实验信号产生分解及合成

东南大学电工电子实验中心

实验报告

课程名称：

模拟电子电路基础

第4次实验

实验名称：

信号的产生、分解与合成

院（系）：

吴健雄专业：

电强化

姓名：

学号：

实验室:

104实验组别：

/

同组人员：

/实验时间：

14年05月15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

（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：

1.能产生稳定的1kHz、幅度为5V的方波；

2.能滤出方波的基波与三次谐波、五次谐波；

3.设计移相电路与加法电路；

4.合成后的波形能够体现出其间相互关系，合成波形接近方波。

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方波产生

用运算放大器产生矩形波。

Vcc=5V，VEE=-5V

电路原理图如下：

参数选择计算：

T=2*R9*C*ln（1+2*R8/R7），f=1/T。

要使f=1kHz，可取2ln（1+2*R7/R8）=1，则R7/R8≈0.3243606354

若取R7=10kΩ，则R8=3.245kΩ≈2.7k+220*2+100。

R9*C=1/1000，取C=1uF，R9=1kΩ。

仿真结果如下

得到的方波只是频率符合要求，还要用电路对其幅度进行调整。

得到的方波高电平为5V，低电平为-5V。

先将电压整体移动为全负，再反相放大即可。

仿真结果如下：

其高低电平值会有所偏差，可以调整相关参数（电阻值）即可。

用555矩形波发生器做，电路原理图如下。

参数选择计算：

要实现占空比为50%，必须满足R10+R11=R12。

f=1/（1.4*R12*C2），取C2=100nF，R10、R11、R12取值只要满足上述等式即可。

2滤波电路

1kHz滤波器电路原理图：

仿真结果：

3kHz滤波器电路原理图：

仿真结果：

实验发现一次滤波得到的波形并不稳定，因此用同样的电路再对所得信号进行一次滤波。

提高要求：

15次谐波滤波器

5kHz滤波器电路原理图：

仿真结果：

五次谐波类似的也进行两次滤波。

2移相电路

本次移相电路的设计以三次谐波为基准，分别对基波与五次谐波进行移相，其中五次谐波进行了两次移相，基波移相一次。

电路结构完全相同，只是电容值不同，采用电阻反馈。

电路原理图：

基波：

五次谐波：

3加法电路

加法电路要实现基波、三次谐波、五次谐波按比例相加来逼近最初的方波，因而要对其叠加的电阻值进行选取。

此处选择的是反相加法电路。

电路原理图如下：

仿真波形如下：

（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）：

我们将提高与基础合在一起做的，因此只有一张流程图。

（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）：

电路原理图如上。

其中移相电路、滤波电路的元器件参数先进行大概的计算，再根据实际电路进行微调。

关于元器件的选择，基本芯片是集成运放，包括uA741、LM324以及用于矩形波发生的555定时器。

（4）列出系统需要的元器件清单（请设计表格列出，提高要求、创新要求多用到的器件请注明）：

元件名称

数目

元件名称

数目

元件名称

数目

LM324

2

电容105

1

电阻330Ω

3

uA741

2

电容103

14

电阻100Ω

3

555定时器

1

电阻10k

11

电阻100k

5

电阻20k

4

电阻330k

1

电阻200Ω

4

（5）电路的仿真结果（请将基本要求、提高要求、创新要求中的仿真结果分别列出）：

仿真波形见上面的设计思路。

三、硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析

（1）硬件实物图（照片形式）：

由于排版问题，这里的实物图放到实验报告最后附图部分。

（2）制定实验测量方案：

用示波器双踪检查两个谐波间的相位与幅度关系，用MATH得到叠加波形，用这种方法调整所移相位的大小。

最后用双踪，一探头接方波，另一探头接各次谐波叠加的结果，比较其关系。

（3）使用的主要仪器和仪表：

万用表，示波器，直流稳压电源

（4）调试电路的方法和技巧：

检查某一级电路时，将该块与其他模块间断开，单独检查。

首先检查电路搭建的是否正确，正负电源是否接正确、是否实验仪器与其他共地，站立的电阻电容之间有无短路情况。

必要时还要检查芯片是否损坏。

对于本实验，调试波形的相位是难点，这个时候可以采取先调两个叠加后的波形，在这两列波间的相位调好的基础上再叠加第三个波，接着调整电容参数。

此外，在矩形波发生电路以及后来的滤波电路中，仿真正确时电路的参数在实验中还必须进行细微调整，此时先判断电阻值变大还变小会使结果更接近理论值，逐次逼近得到参数的最佳取值。

（5）测试的数据和波形并与设计结果比较分析：

实验数据：

产生的方波f=996Hz，VH=5.6V，VL=-0.2V，Vpp=5.8V。

基波f=996Hz，VH=1.60V，VL=-1.40V，Vpp=3.00V。

三次谐波f=2.976kHz，VH=3.76V，VL=-3.28V，Vpp=7.04V。

五次谐波f=5.000kHz，VH=2.40V，VL=-1.92V，Vpp=4.32V。

与原先设计结果波形相同，比例相同，但是数值有所不同。

一是矩形波峰峰值变化（原先是5V后来不知道为什么变了），而是电路各级如滤波、移相都可能使峰峰值产生变化，最终叠加电路虽然能把这些变化抵消掉，但电路调试需要修改参数，仍然无法消除比例变化的影响。

（6）调试中出现的故障、原因及排除方法：

1参数与理论取值不符。

在用555矩形波发生器产生方波以及五次谐波滤波电路中，仿真所得波形并不适用于实际。

如矩形波发生中，所得方波频率一开始稳定在1.000kHz，可是后来经历过面包板的搬运之后…频率就莫名其妙的变成了780Hz，只能修改电阻参数来调对频率。

五次谐波滤波中一开始波形不稳定，有过方波发生器的实验经验后我就开始调电阻，果然有用。

所以仿真结果完全不能代表实验，总是要经过长时间的调试过程。

路也要经过长时间的调试，因为我们使用的是电阻反馈，因此调试的更加费事费时一些。

2基波突然不稳定的问题。

检查芯片、电路的搭建后没有发现任何问题，更换示波器探头后情况改善，原因是示波器探头的自激。

排除方法，换个探头就好了。

3此外电路中还出现了谐振现象，如下图：

用示波器双踪显示，若一路输入产生的方波、一路输入基波或者三次谐波，则无谐振现象；若一路输入基波、一路输入三次或者五次谐波则电路产生严重的谐振现象。

这个问题我依旧无法解决。

四、总结

（1）阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法：

1矩形波产生。

用运放uA741，正负电压接±15V时，仿真波形产生不规则畸变，检查参数与电路没有问题，实际搭试后发现这是仿真软件本身的问题。

555矩形波发生器仿真出的波形也不正确，也是仿真软件的问题。

2滤波电路。

用FilterPro设计出来参数如下：

这是一个1kHz滤波器的原理图，可以发现，图中元件参数很难达到指定值，因而需要进行调整，在不影响所滤出的波形的情况下改变参数，方得最终能用于实验。

③实验中我们使用555产生矩形波，将基波、三次谐波、五次谐波合成后最后还应该叠加一个直流偏置，从而实现与原先信号的比较。

我觉得这是我题目理解的问题，题目只是说要将各次谐波相叠加，与原先信号比较；我理解上重点在波形，偏置是否加并非必要。

（2）总结设计电路和方案的优缺点：

总的来说，电路的设计思想较为常规，根据所要实现的功能分模块实现、最后将各个模块相连即可。

方案的优缺点：

1用555定时器产生方波。

优点在于产生的方波在频率达到要求的同时，幅度为5V，无需放大电路，结构简单。

2三次谐波、五次谐波进行两次滤波。

虽然电路的结构复杂度稍微增加，但是所得波形更加稳定，有利于后面的移相与叠加。

（3）指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望：

本课题主要让我们感受信号分解与合成、再与原信号比较的过程，对概念的理解有很大帮助。

但是实验过程极其繁琐，首先是实验室示波器探头易自激，其次，我觉得对于最终合成信号参数的要求没有必要和原信号一样，这和电路中各个元器件的参数都有关系，很多时候把电路调节稳定了而参数已经改变了。

（4）实验的收获和体会：

本次实验总体来说，设计并不困难，但是后期搭出电路后的调试过程却十分耗时耗力。

设计上，我负责矩形波的产生与滤波器以及最后基波、三次谐波、五次谐波的叠加电路的设计。

下面从这几块分别介绍实验过程。

首先，提到方波产生，首先想到的是直接使用运放。

运放上所加的Vcc与VEE直接影响到输出电压的高低电平。

但这种方法还要对输出电压进行比例放大以符合输出电压的要求。

当VEE=0V，仿真运放不输出任何波形；当Vcc=5Ｖ、VEE=-5V，能输出高低电平分别为±5V的方波，实际实验结果也正确；当Vcc=15Ｖ、VEE=-15V，仿真输出波形已经产生不规则畸变，实际搭电路所得波形类似方波但其高低电平呈现线性变换，而非一恒定值。

另一思路则是用555定时器，要产生占空比为50%的方波必须要使用书上带二极管的电路，仿真波形不正确——每隔一段理论波形出现一低电平的脉冲，更改电阻电容参数后仍然无法解决，但是搭出的电路输出正确。

由此可见仿真软件也是不可以完全相信的，很多错误可能源于仿真软件本身。

值得一提的是，在我初搭电路调试时产生的方波信号频率是极其精准的，但第二次实验时方波的频率突然降到780Hz左右，检查电路也没有发现有电阻间短路的现象发生，最后只能修改电阻参数，这一点让我很不能理解，无法解决。

其次是滤波器电路的设计。

滤波器的参数无需自己计算，使用软件FilterPro，尽管这样方便很多但还要经过多次调整电路参数方能获得理想的效果。

我所采用的主要方法是先用软件设计得到参数的大概取值，然后再在实际电路中进行调整。

我尝试用书上的方法对1kHz基波进行滤波，结果失败了，可见滤波器的各参数取值绝非只符合公式，一定要考虑实际中的其他各种情况。

最后是各次谐波叠加电路。

采用运放反相端将各次谐波相加。

要注意经过滤波电路域移相电路后各次谐波各有不同程度的衰减值，要对实现各次谐波按规律相加，就要精确计算其各自增益，确定电阻值。

调试电路一定要有耐心，处变不惊，漫观云卷云舒。

陆倩云

五、参考文献

无

六、附图

硬件实物图：

滤波电路：

产生的方波：

基波

三次谐波：

五次谐波：

基波与三次谐波叠加：

最终合成波形：

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