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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波形产生器及谐波滤波器设计与制作一一.设计要求：设计要求：1. 设计一方波三角波产生器（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）附图附图图 1 波形产生
2、器及谐波滤波器（参考）二二.方案论证及选择：方案论证及选择：方案一方案一用 555 定时器产生电路首先由 555 定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 R2R3RPC2；C2 的放电回路是C2RPR3IC 的 7 脚(放电管)。由于 R3+RPR2，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
3、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。 方案二用方案二用压控振荡器：压控振荡器：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
4、比较产生方波输出。电阻 R5、R6 用来降低 Q1 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1kHzV。电路在 100：1 频率范围内具有低于0.5的线性误差。方案三用方案三用集成电路实现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-5
5、kHz 范围内连续调整，达到调试简单、性能稳定、使用方便等优点，使信号发生器电路大大简化。+15V C R1 2 7 uo1 +15V A1 6 Ro R4 2 7 3 4 A2 6uo2 15V 3 4 R3 D1 R5 15VR2 D2 a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，所以选择方案三三三. .波形产生器电路原理图及原理讲解波形产生器电路原理图及原理讲解3.1.3.1.波形产生器电路组成框图如下所示波形产生
6、器电路组成框图如下所示：由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波。3.23.2各组成部分的工作原理各组成部分的工作原理（1 1） 方波发生电路的工作原理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=+Uz,则同相输入端电位 Up=+UT。Uo通过 R3 对电容 C 正向充电，如图中实线箭头所示。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+U
7、z 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=-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 2） 方波方波-三角波转换电路的工作原理三角波转换电路的工作原理R112354U1R2 R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R17其中上图为比较器的电压传输特性 上图为波形关系工作原理如下：mo pURRRU2 132 T131242
8、)(4pp RRCRRRT若 a 点断开，运算发大器 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+=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 1312231231()0CCiaRRPRUVURRRPRRRP将上式整理，得比较器翻转的下门限
9、单位 Uia-为223131()CCCCiaRRUVVRRPRRP若 Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位 Uia+为223131()EECCiaRRUVVRRPRRP比较器的门限宽度 22312HCCiaiaRUUUIRRPUo1，则积分器的输出 Uo2 为 21 4221 ()OOUU dtRRP C3时，1OCCUV 2 422422() ()()CCCC OVVUttRRP CRRP C 时，1OEEUV 2 422422() ()()CCEE OVVUttRRP CRRP C 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
10、 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 2 2 31O mCCRUVRRP4 方波-三角波的频率 f 为53124224()RRPfR RRP C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+Vcc。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 3）低通滤波器）低通滤波器一阶一阶RCRC低通滤波电路低通滤波电路转移
11、函数:令令 得得 其幅频特性：其相频特性：0i1 1j(j)11j jUCHURCRC 2c1(j) 1H c1 RC四四. .相关参数分析与计算相关参数分析与计算没有接通时，滞回比较器 V0=+UZ，则集成运放同相输VV00 入端，同时给 C 充电，使 VR 由 0 上升，在ZiVRRRV 212ZVV0Vi 之前，不变；当时，V0 跳变到-VZ。RVZVV0 VV iR当 V0=-VZ 时,同时 C 经反向输入端等效电阻）)( 212 ziVRRRVRf使 VR 降低，在 VRVi 之前 V0=-VZ 不变，当 VRVi 时，Vi 跳变到+VZ（1 1） 方波部分方波部分方波的波幅由稳压管
12、的参数决定，这里使用，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，则占空比可调。则可求出周期 T：)/21ln()/21ln()/21ln(1221122212112211RRCRTTTRRTRRTCRwCRww带入值得 T=48.4sf=1/T=20KHz（2 2） 三角波部分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
13、。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 u01=-Uz 时，积分运算电路的输出电压u0 将线性下降；而当 u01=Uz 时，将线性上升。积分电路的输入电压 u01，而且 u01 不是+Uz，就是-Uz，所以输出电压的表达式为)(1 000101 60tuttuCRu式中 u0(t0)为初态时的输出电压。设初态时 u01 正好从-Uz 跃变为+Uz,则式子变为)(1 0001 60tuttUCRuz积分电路反向积分，u0 随时间的增长线性下降，一旦 u0=-UT，再稍减小，u01 将从+Uz 跃变为-Uz。
14、式子变为)(1 0001 60tuttUCRuzU0(t1)为 u01 产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，u0随时间的增长线性增大，一旦 u0=+UT，再稍加增大，u01 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，u0 是三角波，幅值为UT；u01 是方波，幅值为 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+UT= )(216TZUTUCR得出震荡周期5644 RCRRT 震荡频率CRRR Tf 645 41调节电路中的 R5，可以改变震荡频率和三角波的幅值。仿真结果：图 3.4（3 3） 低通滤波器低通滤波器二阶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 幅频
