东南大学电工电子实验中心
实验报告
课程名称: 电工电子实验
第 1 次实验
实验名称: 波形发生分解与合成
院 (系):吴健雄学院 专 业:高等理工班
姓 名:
学 号:
实 验 室: 实验组别:
同组人员: 无 实验时间: 2013年 8 月 24 日
评定成绩: 审阅教师:
一、 实验内容要求
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。
提高要求:
n 设计5次谐波滤波器及移相电路,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。
创新要求:
n 用类似方式合成其他周期信号,如三角波、锯齿波等
二、 实验内容要求
1. 方波发生器
图1:方波发生电路
图1中的方波发生电路,利用迟滞比较器基础上,把输出电压经电阻电容反馈到集成运放的反相端,然后在运放的输出端使用两个稳压管组成的双向限幅电路,得到较理想的1kHz方波。
2. 滤波器
设计滤波器主要使用软件FilerPro,采用贝塞尔三级滤波结构,提取基波、三次谐波、五次谐波的设计电路如图2,图3,图4所示。
图2:提取基波的滤波器设计
图3:提取3次谐波的滤波器设计
图4:提取5次谐波的滤波器设计
3. 移项电路设计
按照要求应该是将分离的基波、三次谐波和五次谐波用加法器相加,但是由于在滤波的过程中对原来的波形可能会有相位的偏差,因此在相加之前需要对他们进行移项。移项电路有以下两种选择。
图5: 图6:
通过调节电路的参数可以进行相位的具体调节。
4. 加法电路设计
在通过移项电路将各个波形相位调节一致之后,通过简单的反相加法器就能得到最后的合成信号
图7:反相加法器
三、 模拟电路调试
a) 方波发生器
模拟得到的方波幅值较低,我们计划在具体搭试时加一级放大器,将其放大至设计要求的5V。
b) 基波
基波的幅度和频率很好,但是经过滤波电路产生了180°的相位差。
c) 3次谐波
3次谐波的幅度和频率都有很一点的偏差,但是偏差量很小。
d) 5次谐波
5次谐波的情况与三次谐波相似。
e) 合成波
合成波与原信号相比,有一定的相位偏差,且幅度相差接近十倍。
四、 实际电路搭试
在仿真中上述电路功能均能很好的实现。
在搭试电路的过程中,我们采取分模块逐步调试的方法,按照方波发生电路、一阶滤波电路、三阶滤波电路、移相电路和加法电路的顺序,在搭好每一部分的电路后对其进行检查并且观测输出信号,及时修改和优化,缩短了调试时间。
方波产生电路部分,我们采用迟滞比较器基础上,把输出电压经电阻电容反馈到集成运放的反相端。在运放的输出端使用两个稳压管组成的双向限幅电路。限幅以后,测量得方波的频率在972Hz左右,基本符合设计要求。而方波的幅值为±400mV,因此在后面接了一级放大电路将信号放大到设计的Vpp=5.1V。
一阶滤波电路由三级滤波器连接而成。我们在搭试完成这一部分电路后进行了测试,发现没有信号输出。逐级检查滤波器,发现第一级起到积分电路的作用,产生了三角波信号(图8),而问题出现在第三级滤波器,其中的运放UA741芯片的反向偏置由于疏忽未连接好。调整好之后获得图9所示波形。
图8:方波与三角波
图9:方波与一次基波分量
在三阶滤波电路的搭试过程中,采用与之前相同的流程,得到图10所示波形。
图10中的波形虽然满足频率是基波频率的三倍,但是波形距离完美的正弦波还是差距很大的,可能是因为我们在滤波器中使用的电阻阻值不准确,且方波频率距离设计的1kHz有一定差距有关。
图10:方波与三次谐波
在模拟电路时我们还完成了五次谐波的分离与合成,如果需要搭试,具体流程和方法与之前是一样的,因此在搭试时略去。
下一步将基波与三次谐波合成。由于在滤波过程中产生的相位差,我们需要一级调相电路,将三次谐波的相位和一次谐波调为相同(相差2kπ)。在具体调相的过程中,模拟时采用1kΩ电位器,但是测试时发现可调范围不够,因此又串联了一个3kΩ的电阻,实现了调相(图11)。
图11:调相完成效果
最后利用反相加法器将两路信号合成,得到如下波形(图12):
图12:反相加法器合成的波形
五、 实验总结
波形发生器的实验设计是一个很综合的项目,其中用到以前学过的许多简单的小结构,比如滤波器、加法器等。经过这个实验项目,我们学会了将复杂的问题分解成一个个简单的问题解决。
在模拟电路调试和实际电路调试中,我们发现了模拟电路和实际电路调试的一些区别,总结了一些加快调试速度的方法,对以后的电路设计会很有帮助。
六、 实验分工
cc:模拟电路部分
pd:实际电路搭试
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