波形产生器及谐波滤波器.

1、西安外事学院课程设计报告（2012-2013学年第1学期）题 目：波形产生器及谐波滤波器学 院：专业：电子信息工程班级：电子1001班学生姓名:日期：20 12年01月04日波形产生器及谐波滤波器设计与制作一 设计要求:1. 设计一方波一一三角波产生器（模拟方法），频率为自己学号 的后两位数（以KHz为单位）。2. 设计滤波器（低通、带通）电路，将方波的基波分量及三次谐 波分量滤出。3. 设计一频率计，分别测量方波、三角波、基波分量、三次谐波分量的频率，并用数码管或液晶屏显示频率值。（选作）附图图1 波形产生器及谐波滤波器（参考）二.方案论证及选择：方案一.用555定时器产生电路首先由555定

2、时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电 路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉 动波形的崎变总电路图的原理：555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为 定时电容，C2的充电回路是 R2RIRiC2; C2的放电回路是 C2 f RiR4IC的7脚（放电管）。由于R3+RP R2所以充电时间常数 与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按 图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位器RP可改变振荡器 的频率。方波信号经 R4 C5积分网络后，输出三角波。三角波再经 R5 C6积分网络，输出

3、近似的正弦波。C1是电源滤波电容。发光二 极管VD用作电源指示灯。方案二.用压控振荡器:R1Riok U控制电压输入00-+10VR2100kQ12N5458R4 20k cnux o k 1R127如图所示为具有三角波和方波输出的压控振荡电路。该电路是一个受控制电压控制的振荡器。它具有很好的稳定性和极好的线性， 并 且有较宽的频率范围。电路有两个输出端，一个是方波输出端，另一 个为三角波输出端。图中，A1为倒相器，A2为积分器，A3为比较器。 场效应管Q1用来变换积分方向。比较器的基准电压是由稳压二极管 D1、D2提供，积分器的输出和基准电压进行比较产生方波输出。电 阻R5 R6用来降低Q1

4、的漏极电压，以保证大输入信号时 Q1能完全 截止。电阻R7、R8和二极管D3 D4是为了防止A3发生阻塞。按图 中所标元件数值，电源电压用15V，则变换系数为1kHz/ V。电路在 100: 1频率范围内具有低于士 0.5 %的线性误差。方案三.用集成电路实现采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器 LM318选 择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案通过调节不同电位器 可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真， 可产生精度较高的方波、三角波，且具有较高的温度稳定性和频率稳 定性。其输出频率能在20Hz-5kHz范围内连续调整，达到调试简单、 性能稳定、使用方便等优点，

5、使信号发生器电路大大简化。分析以上三种方案，比较他们的利弊，方案三集成电路要简单很多，精度 也较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，所以选择方案三三.波形产生器电路原理图及原理讲解3.1.波形产生器电路组成框图如下所示：比较器s_电由比较器和积分器组成方波一三角波产生电路，比较器输出的方 波经积分器得到三角波。3.2 各组成部分的工作原理(1) 方波发生电路的工作原理此电路由反相输入的滞回比较器和 RC电路组成。RC回路既作为 延迟环节，又作为反馈网络，通过 RC充、放电实现输出状态的自动 转换。设某一时刻输出电压 Uo二+Uz则同相输入端电位 Up二+UT Uo 通过R3对电容C正向充电，如图

6、中实线箭头所示。反相输入端电位 n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz;但是， 一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变 为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所 示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz ;但 是，一旦Un二-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz, Up从-Ut跃变为 +Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振 荡。(2) 方波-三角波转换电路的工作原理其中4 R2 ( R4 R p 2) C1上图为比较器的电压传输特性工作原理如下：若a点断开，运算

7、发大器A1与R1、R2及R3 RP1组成电压比较 器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电 压，即U-=0，同相输入端接输入电压 Uia，R1称为平衡电阻。比较 器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc,低电平等于负电源电压 -Vee (|+Vcc|=|-Vee| ),当比较器的U+二U-=0时，比较器翻转，输 出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设 Uo1=+Vcc则、2Rs + RRR21将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为- R2若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为Uia_= R3 RR( VcC)=

8、 R3 RRVcc- R2R2VccR2比较器的门限宽度UHUUia2R3.RR1 CC2U+ = (Me)=iaR3 RP(R3 RP3Uo1,则积分器的输出Uo2为Uo2-Uoidt(R4 + RROC2 U01 二 Vcc 时，Uo2( VcC) tVcct(R4+RROC2(R4+RR0C2U O1 = _Vee 时，U 02(Vee) tVcct(R RR)C2(R4 RR)C2可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的 三角波，其波形关系图2.2-3所示。a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为U2m& Vcc4Rs

9、 +RR方波-三角波的频率f为Rs RP-4R2（R RRz）C2由以上两式可以得到以下结论:1. 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。2. 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcco三角波的输出幅度应不超 过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。（3）低通滤波器一阶RC低通滤波电路箱C转移函数:(j)Ui11 j RCRC其幅频特性：其相频特性:四.相关参数分析与计算没有接通时，vo = w，滞回比较器V0二+UZ则集成运放同相输R2Vi = *VZ入端 R1

10、 R2，同时g w给C充电，使VR由0上升，在Vr Vi之前，VoVz不变；当VRVi时，V0跳变到-VZ。R2(M)口当V0=-VZ时，R- R2,同时C经Rf反向输入端等效电阻)使VR降低，在VR Vi之前VO二-VZ不变，当VFk Vi时，Vi跳变到 +VZ(1) 方波部分方波的波幅由稳压管的参数决定， 这里使用1 0V,方波的周期 取决于充放电回路RC的数值。若R或C其中一个增大，和周期T 均会增大，频率f也会增大。计算周期T:通过对方波发生电路的分析，可以想象，与改变输出电压的占空 比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同。利用二极管的单 向导电性可以引导电流流经不同的通路，则占

11、空比可调。则可求出周期T:1 ： Rw C2 : RW2CTill n(1 2R2/ Ri)T2、. 2|n(1 2R2/R1)T -Ti T2 : RwCln(1 2R2/R1)带入值得T=48.4七f=1/T=20KHz(2) 三角波部分在方波发生电路中，当阈值电压数值较小时，可将电容两端的电 压看成为近似三角波。所以只要将方波电压作为积分运算电路的输 入，在其输出就得到三角波电压。如图5.2.2的仿真结果所示，当方波发生电路的输出电压u0仁-Uz时，积分运算电路的输出电压 uO将线性下降；而当uO仁Uz时，将线性上升。积分电路的输入电压uO1，而且uO1不是+Uz,就是-Uz，所以输出电

12、U01R6CUz ti -touo(to)压的表达式为1u0u01 t1 - t0 !亠 u0(t0)R6C式中uO(tO)为初态时的输出电压。设初态时uO1正好从-Uz跃变为+Uz,则式子变为1uoUzt1-touo(to)R6C积分电路反向积分，uo随时间的增长线性下降， 旦 uo=-UT,再稍减小，uO1将从+Uz跃变为-Uz。式子变为uOUO(t1)为uoi产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分,随时间的增长线性增大，一旦uO=+UT再稍加增大，uoi将从-UZ跃 变为+UZ回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程, 因此产生自己震荡。由以上分析可知，uO是三角波，幅值为士

13、UT； uO1是方波，幅值 为士 UZ由于积分电路引入了深度电压负反馈，所以在负载电阻相 当大的变化范围里，三角波电压几乎不变。设正向积分起始值为-UT,终了值为+UT积分时间为二分之一周 期，则有1TUz(-Ut)+UT= R6C2得出震荡周期4R4R6CT 二 R5震荡频率七 1R5f T 4R4R6C调节电路中的R5,可以改变震荡频率和三角波的幅值。图3.4仿真结果：（3）低通滤波器二阶滤波器滤波器阶数不同对性能有着影响，我们选用在一阶滤波器基础上建立的二阶有限增益的低通滤波器，下图为二阶有限增益的低通滤波器的原理图。一般的，电路中通常取R = R2 二 RCi =Ci幅频特性:-V i

14、 ( CS)Vi 一 SCV。一丄比=0R RR H o丄Vi (- CS) = 0R RH0传递函数为:H (S)二Vo(S)Vi(S)21(3 - H o)RCS (RCS )增益为:R3R4滤波器的低通截止频率为:RC1、这种二阶低通滤波器中，放大倍数H0不能任意指定, 当3-HoZ，滤波器电路不稳定。2、电路中元件离散性少，电路参数调整方便。不过由于电路中通过 引进了正反馈，所以整个电路的增益大小受到一定的限制。(4)有源二阶带通滤波器它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输 出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率f f0时(

15、f0为截止频率)，电路的每级 RC电路的相移趋于-90o，两级RC电路的移相到-180o,电路的输出 电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用， 使电压放 大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端 迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗 低。传输函数为:Avf1 (3-AVF)sCR (sCR)2令A)- A/f称为通带增益称为等效品质因数1RC称为特征角频率Ao 则 A (s)上式为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式原理图XSC1XSA112VU2!38JkQC35 U1:pH门口

16、 口口02|p4,0nF JA fi00 R7 B siK r i i 厂3K3kU .:.R6 ：IVAA/W-XBPIt - l!RJH4 ：+ C41：nFOUT+ -I *IN-VA-n -3B3kQMETAWS.2KD:42_、；LL! n ill jl*i ti nR1Wq那Q J?8H-1J3IM,LE : V - 2五仿真结果(1)方波的基波分量输出(2)方波的三次谐波分量(3)实物图六.心得体会由于此次是首次课程设计，我这次的设计是通过与同学的讨论与 认真计算设计分析所完成的，课程设计的任务一般是设计、组装并调 试一个简单的电子电路装置。需要我们综合运用 模拟电子技术基础 课

17、程的知识，通过查阅资料、方案论证与选定；设计和选取电路和元 器件；分析指标及讨论，完成设计任务。在这次课程设计中，我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路 和调试电路。动手能力得到很大的提高。从中我发现自己并不能很好 的熟练去使用我所学到的模电知识。在以后学习中我要加强对使用电 路的设计和选用能力。但由于电路比较简单、定型，而不是真实的生 产、科研任务，所以我们基本上能有章可循，完成起来并不困难。把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步，元器件选择等手段结合起来， 掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。这对 今后从事技术工作无疑是个启蒙训练。通过这种综合训练，我们可以 掌握电路设计的基本方法，提高动手组织实验的基本技能，培养分析 解决电路问题的实际本领，为以后毕业设计和从事电子实验实际工作 打下基础。同时也让我充分认识到自己的空想与实践的差别，认识莫眼高 手低，莫闭门造车，知识都在不断更新和流动之中，而扎实的基础是 一切创造的源泉，只