信号波形产生与滤波电路设计电子技术等专业毕业设计毕业论文.doc

目 录摘 要 . .2Abstract .2第一章 绪论. 31.1 设计目的.31.2 设计内容 . . .31.3 设计要求 .31.4 设计进度安排.3第二章 系统总体设计 .42.1 方案的设计与选择.42.2 系统总体框图.4第三章 硬件设计. 53.1 方波产生电路模块.53.2 直流电源模块.73.3 滤波电路模块.83.4 系统总体电路图.10第四章调试与仿真.124.1 方波电路调试.124.2 电源电路调试.134.3 滤波电路调试 . 14总结 .17参考文献 .18附录 Multisim软件软件简介 .19摘要 方波发生器在各理工科实验中具有广泛的应用，同时在生活中的数字设备、家用电器、电子玩具等许多领域也有需求。方波信号是一种应用极为广泛的信号，它在科学研究、工程教育及生产实践中的使用也非常普遍。它通常作为标准信号，应用于电子电路的性能试验或参数测量。另外，在许多测试仪中也需要标准的方波信号检测一些物理量。方波产生电路可以由迟滞比较器和R、C基本回路构成，也可以由555定时器加一些电阻、电容组成外围电路构成。 滤波电路也在电子电路中也有较大的应用，例如人们往往要得到某种特定频率的信号，而实际输入的包含有各种频率的信号，这时就要用到与之相对应的滤波电路滤去不需要频率的信号，而保留人们想要频率的信号。构成滤波电路的有低通滤波、高通滤波及带通滤波电路，本设计是基于二阶带通滤波电路的一个中心频率为10KHZ的滤波电路。关键字:迟滞比较器；二阶无线增益带通滤波电路；中心频率Abstract Square wave generator in the science and engineering experiment has wide application, and at the same time in the life of the digital equipment, home appliances, electronic toys, and many other areas also have demand. Square wave signal is a kind of application of the signal, it is widely in scientific research, engineering education and the use of the production practice and is very popular. It is usually used as standard signal, used in electronic circuit performance test or parameter measurement. In addition, in many tester are required in the standard square wave signal detection some physical quantities. Produced by square wave circuit can hysteresit comparator and R C, basic circuit structure, by 555 the timer add some resistance, capacitance of a peripheral device. Filter circuit is also in electronic circuits also have larger applications, such as people tend to get a specific frequency of the signal, but the actual input contains various frequency signal, would then use with the corresponding filter circuit to filter the frequency of the signal dont need and keep that people want to frequency signal. Constitute the filter circuit with low pass filter high-pass filter, and bandpass filter circuit, the design is based on second-order band-pass filter circuit of a center frequency for 10 KHZ filter circuit.Key words: hysteresit comparator; Second order wireless gain bandpass filters circuit; Center frequency第一章 绪论1.1 设计目的由于在课堂上学习的都是一些纯粹的理论知识，没有在实践中得到检验，始终无法令人信服。本设计基于对滤波电路的基础上对信号处理做了一个简单大设计，可实现当输入一个方波时，输出同频率的正弦波，完成方波到正弦波的转化，通过设计可以将所学的电子技术知识运用到实际上，加深对滤波电路、方波产生电路的理解，锻炼自己的动手能力，培养团队合作精神。1.2 设计内容（1） 了解信号波形的产生于滤波电路的基本原理；（2） 完成信号波形的产生与滤波电路（设计并分析计算单元电路，对元器件进行选型）；（3） 绘制信号波形的产生与滤波电路电路图；（4） 组装调试滤波电路；（5） 进行实物检查，设计答辩并完成设计报告；1.3 设计要求（1） 设计迟滞比较器方波产生电路，频率为10KHZ可调；（2） 设计一个有源滤波器，经滤波电路得到的正弦信号幅度峰峰值达到6V以上；（3） 设计2个双电源电路：正负5V和正负12V；1.4 设计进度安排此报告将按照如下思路进行展开描述：第一章主要介绍系统的总体设计与方案的论证；第二章主要介绍各单元模块的电路设计与相关参数的分析计算；第三章重点介绍个单元模块的调试、仿真及相关的分析、结论；最后是总结和有关的参考文献。第2章 系统总体设计2.1 方案的设计与选择 （1） 方波产生电路 方案一：用MAX0832集成芯片产生所需的方波，可靠性好，稳定性好，但经济很贵。 方案二：用NE555集成芯片外接几个电阻电容，虽经济比较合理但波形有可能失真，必须经过施密特触发器整形十次产生标准方波，相对来说比较麻烦。 方案三：用迟滞比较器外接R、C积分回路构成多谐振荡电路，由于设计和原理比较简单，虽然对于高频来说方波的前后沿不是很陡峭，但可以用转换速率比较高的集成电压比较器来代替运放基本能达到要求。 为此我们组最终选择了第三种方案，仿真效果还可以。（2） 双电源产生电路 经过查资料，对于直流电源的设计我们就给出了一种方案：220v交流电经过三端输出的变压器后先经过桥式整流电路得到脉动直流，在经过滤波电路得到波动较小的纹波，最后接7812、7912（输出5V时则换成7805、7905）输出正12V、5V,负12V、5V。（3） 滤波产生电路 方案一：由老师提供的在由二阶无线增益带通滤波器构成的滤波电路,其中运放为反相输入，输出端通过、形成两条反馈回路，其优点是电路具有倒相作用，使用元件较少，但增益调节对其性能参数会有影响，因此应用范围较小。 方案二:由一个二阶的低通滤波电路和一个二阶的高通滤波电路串联构成。 方案三：由电压控制电压源电路构成的带通滤波电路，其优点是电路性能稳定、增益容易调节。 在此我们选用第三种方案来设计电路。2.2 系统总体框图电源电路示波器方波产生电路滤波电路第三章 硬件设计3.1 方波产生电路模块 （1）a 方案二电路原理图 图3.1 源图像（a） b 原理555定时器内部有部有两个电压比较器、一个基本RS触发器和一个集电极开路的三极管组成。为了能让555定时器产生脉冲，就得在外部电路上加一个RC充放电回路。在一个周期上给相应端口输入一定的电压。就可以实现所达到的效果。c 周期 计算产生高低电平占空比的公式如下： ，即当时，占空比为50% ，要产生频率为10kHZ的方波，T=0.0001s=2*R*,=0.1uF,=72。（2）a 方案三的电路图图3.1 源图像（b）b 设计说明 集成电压比较器比集成运放放大器的开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，因而它的灵敏度往往不如用集成运放构成的比较器高，但由于集成电压比较器通常工作在两种状态（输出为高电平或低电平），因此不需要频率补偿电容，也就不存在像集成运放那样因频率补偿电容引起转换速率受限。设计题目给出的LM324运放只有在低频的时候，方波效果比较好，但对于设计所要求的10KHZ的方波，频率已很高了，这时产生的方波用multisim软件仿真可以观察到前后沿不陡峭，有点像正弦波，因此改换成了高速集成电压比较器AD9631，后面仿真图中会有二者的对比。c 设计原理该电路实际上就是在迟滞比较器的基础上加了一个积分回路，迟滞比较器自身的特点有两个阈值电压+FVz和-FVz，再接通电源的瞬间，输出电压处于不定状态，假设输出电压偏于正向饱和，即Vo=+Vz时，加到电压比较器同相端得电压为+FVz，而加于反相端的电压，由于电容上的电压不能突变，只能由输出电+FVz时，输出电压迅速翻转到-Vz,-Vz又通过R3对C进行反相充电，知道Vc略负于-Vz值时，输出状态再次发生翻转。如此循环不已，形成一系列的方波。d 参数设计设t=0时，Vc=-Vz，则在时间内，电容C上的电压将以指数规律由-FVz向+Vz方向变化，电容器端电压随时间变化规律为 设T为方波的周期，当 时，,带入上式，可得 对T求解，得 如适当选取 和的值，可使得,即F=0.462，则振荡周期可简化为T=2，振荡频率为。在Multisin仿真电路上连接迟滞回路比较器的实现电路，用AD9631作为电路的电压比较器，用示波器检测输出端口的波形，检查频率和幅值是否在要求的分范围内 ，一边调试一边计算。调试出一个最合适的参数，经调试得选为860，选为1，选为2，C选为0.025uF。3.2 直流电源模块a 电路原理图图3.2 源图像|b 设计原理首先交流店通过整流变压器把220V的交流电变成12V的交流电，然后通过整流桥，将交流电变成直流，然后通过电容滤波，使电压变得平稳然后通过集成稳压芯片LM7805、LM7812、LM7905、LM7912，最后得到12V、5V的稳定直流电压。c 参数计算与元件选型 首先是变压器的选择，由于要把220V的交流电降到12V,所以应选择变比为18左右的3端或2端输出的变压器，由于在Multisim软件中没有找到这样的变压器，所以暂时只能将输入电压改为150V。由于是整流桥，所以每只二极管锁车感受的最大方向电压： =*12=17V对于桥式整流电路，每只二极管的平均电流： 17V,额定电流为1A，都能达到设计的要求。整流之后的电压=(1.1-1.2） ,为副边电压。RC滤波电路中，C的选择应适应下式，即RC放电时间常数应满足：RC=(3-5）,式中T为输入交流信号周期：R为整流滤波电路的等效负载电阻，阻值一般较小。所以电容选择为1000u，后面4个瓷片电容是为了更好的滤去纹波。稳压的作用是将滤波电路输出电压经稳压芯片后，输出较稳定的电压，因此选择7805、7905、7812、7912，是输出稳定在5V、12V。3.3 滤波电路模块（1）a 方案三原理图 图3.3 源图像ab 设计原理由迟滞比较器输出的方波信号包含极丰富的谐波，即是由很多个频率不同的正弦谐波叠加而成，从滤波电路中输入时，其低次谐波和高次谐波都被滤去，只有频率为10KHZ的正弦谐波被保留下来，没有衰减，因此输入为10KHZ的方波时输出为同频率的正弦波，10KHZ既是方波的频率也是滤波电路的中心频率。c 滤波器的性能参数滤波电路中性能参数有：中心角频率或，在所有频率中对应的增益最大为；带宽BW=-或BW=-，其中称为上解直角频率，为下截止角频率；品质因数Q=或Q=,Q值越高，滤波器的选择性越好，衰减速率越高，但Q值也不能太高，否则会使电路难以调整，一般取 较好。d 参数计算及元件选型 1，设计要求滤波器的中心频率是10KHZ,即=10KHZ,先确定一个电容的标称值为0.002uF,由=5(公式中C的单位是uF）。 2，这里取Q=10，查表得Q=10时，得=2、K=1时的电阻值=，,。3，将上述电阻值乘以参数K=5，得,取标称值79.7K；,取标称值5.8；R2=,取标称值11.68,取标称值23.3。4，其用到的公式有： 或(BW远小于时） （2）方案一电路原理图 图3.3 源图像b 至于原理和相关的参数计算和元件选型在方案三中已做了详尽的解释，方案一与上面类似，在这里就不再累赘了。3.4 系统总体的电路图 图3.4 源图像此电路图将方波产生电路，滤波电路，以及直流电源电路整合成一个总的电路图，构成一个系统。第四章 调试与仿真4.1 方波电路调试a 方案二中采用的是555构成的电路，仿真时输出波形如下：图 4.1 源图像a可以观察出来其占空比是50%，满足设计要求。b 方案三用的是迟滞比较器构成的电路，输出波形如下： 图4.1 源图像b可以观察出占空比也差不多是50%，其输出波形比较方正，只是在边沿部分有点纹波，不平稳，但这是在误差范围之内的。 下面是用频率计测量其输出频率： 图4.1 源图像c仿真得出的结果与实际算出的结果10KHZ误差不大，基本上符合要求。4.2 电源电路调试电源电路调试的主要参数是交直流电压，看它是否与理论值相符合，以及是否符合相关结论。a 检验。 图4.2 a 输出平均电压 图4.2b 输出直流电压可以计算出与理论值相差有点大，具体原因也不是很清楚。b 检测纹波 图4.2c 交流电压分量平均值 图4.2d 交流电压分量平均值在一定程度上输出电压的交流分量能反映出纹波的大小，即可以反映出滤波的效果，当然理想情况下是最后输出的是直流信号，交流分量为0，但实际上达不到这种要求的，而且还可发现经过滤波后纹波被削弱了。c 输出电压检验 图4.2e 正12V输出端 图4.2f 负12V输出端 图4.2g 正5V输出端 图4.2h 负12V输出端可以发现正负12V输出端与理论值有一定的误差，可能是因为当信号经过整流桥之后的输出电压过大，超出了稳压芯片的上限电压，导致稳压芯片不能正常工作。4.3 滤波电路调试这一部分主要是对输出波形、中心频率、带宽BW、增益等要素进行调试。a 输出波形： 图4.3 源图像a 理论上是方波输入时 ，正弦波输出，但好像看起来有点像三角波输出，不符合要求，可能与电路有关，电路还要进行进一步优化。b 输出频率： 图4.3 源图像 b频率是满足要求的。c 带宽BW 图4.3c 波特图 由波特图我们可以大致求出其通频带宽 ，由图可知在9.836KHZ时，其增益是最大的，为4.555dB,也就是中频增益，理论上是10KHZ,好在误差不是很大，基本满足要求。BW=，由3分贝带宽的定义可知，当增益降到1.555dB时对应2个频率分别就是上、下限截止频率。 图4.3d 源图像 图4.3e 源图像 由以上2个图可知 大致为8.07kHZ，大致为12kHZ，BW=12-8.027=3.93kHZ，Q=2,5与理论值5也有误差，因此要对参数做进一步的优化和调整。 总结 经过几个星期的艰苦奋战，终于勉强完成了任务，虽然最后感觉有点累，特别是当调试出现问题时，心情很糟糕，比较急，现在体会到急也没有用，只会让事情变得更糟糕，出现问题后要冷静下来分析，到底问题出在哪儿，要在大学期间就开始培养自己发现问题解决问题的能力，训练一种科学的解决问题的思维，我个人觉得这才是最重要的，才是我在这次课程设计中最大的收获和体会。在设计的过程遇到了很多的困难和困惑最后通过不停的查资料和一遍遍的仿真和调试基本上使问题得到解决，基本上达到了老师的要求，虽然过程看起来是艰苦的，但最后的结果是令人喜悦的。这次课程设计培养了自己动手能力，掌握和巩固了书本上的理论知识，综合运用了本专业的相关知识，对知识有了系统的重新认识。可以说真正做到了理论与实践相结合。这次课程设计的顺利完成可以为以后的毕业设计、电赛甚至是以后的工作打下了基础，而且我也深深体会到自己还有很多东西都不懂，需要我在以后的时间多花点时间给自己冲一下电，为未来的就业做好充分准备。 还给我的一点体会是就是要多查资料，不论上网上的还是从书上获得的资料，都是很有用的，因为自己知道的东西毕竟有限，要充分利用现有的资料，实行拿来主义，把别人研究出来的成果为我所用，我觉得这也是一种能力的体现，给你现有的资源，你能不能获得第一手的资料，关键是看你善不善于查阅资料，要知道网上的资料是海量的，很杂很泛滥，从这么多的资料中如何挑出自己想要的资料，这是一个需要不断训练的过程。参考文献第一章（1） 康华光主编. 电子技术基础 数字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社 2006（2） 康华光主编. 电子技术基础 数字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社 2006第二章（1）康华光主编. 电子技术基础 数字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社 2006（2）康华光主编. 电子技术基础 数字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社 2006（3