信號波形合成實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

張理兵 奚基相 陳付毅

【摘要】本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用于演示波形合成的實(shí)驗(yàn)電路，其主要包括方波振蕩電路、分頻電路、濾波及調(diào)理電路和移相加法電路等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的電路產(chǎn)生的相應(yīng)幅度的10kHz，30kHz和50kHz正弦波分別作為基波和3次諧波和5次諧波可以合成一個(gè)近似方波，并與理論相符。

【關(guān)鍵詞】信號合成；方波振蕩電路；濾波；移相

1.引言

非正弦周期信號可以通過fourier展開式分解成直流、基波以及與基波成自然倍數(shù)的高次諧波的疊加。這個(gè)概念是信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號與處理等多門學(xué)科的理論基礎(chǔ)，然而這個(gè)規(guī)律一般都是以抽象的數(shù)學(xué)公式表示，即使采用仿真的方法來驗(yàn)證，學(xué)生也沒有一個(gè)信號波形分解合成的一個(gè)深刻、直觀的理解。因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)信號波形合成的實(shí)際電路，用于驗(yàn)證：若要得到某種特殊的周期性電信號，可以將一系列正弦波形合成所需要的電信號。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

然，隨著諧波增多合成后就越接近方波，但是這與方波還有一定的差距，從理論上講，按該式由無窮多項(xiàng)滿足要求的諧波就可逼近方波了。

本實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)前3次諧波，即1、3、5次諧波，近似合成一定基波頻率和幅值的方波。由（2）式可以知道，其1、3、5次諧波的幅值比為1：（1/3）：（1/5），即6：2：1.2，且前三級諧波的頻率比為1：3：5。基本功能要求如下：

（1）設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生300kHz方波信號的信號源。

（2）所得的方波通過分頻濾波處理得到10kHz，30kHz，50kHz的正弦波信號。

（3）產(chǎn)生的信號較穩(wěn)定，且無明顯失真。

（4）10kHz，30kHz和50kHz的正弦波分別作為基波和3次諧波和5次諧波，合成一個(gè)近似方波。

3.電路設(shè)計(jì)

根據(jù)信號波形合成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)電路總體框架圖如圖1所示。其主要有300kHz方波振蕩電路、分頻電路、濾波調(diào)理電路、移相加法電路等組成。由方波振蕩電路產(chǎn)生300kHz方波，通過分頻電路實(shí)現(xiàn)300kHz方波信號的30分頻，10分頻和6分頻，從而得到10kHz，30kHz和50kHzd的方波。然后通過設(shè)計(jì)三個(gè)有源濾波器，分別對10kHz方波，30kHz方波和50kHz方波進(jìn)行濾波，得到較為穩(wěn)定且無明顯失真的10kHz，30kHz和50kHz的正弦波，且其幅值通過電位器可以調(diào)節(jié)到所需要的幅值。由于方波信號經(jīng)過分頻濾波后，其相位會發(fā)生變化，并且不同頻率發(fā)生的相位變化不同，因此，需要通過調(diào)節(jié)移相電路使10kHz，30kHz和50kHz的三路正弦波波形的初始相位相同。最后通過加法電路使這三路波形能夠合成類似方波的波形。

4.總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的信號波形合成實(shí)驗(yàn)涉及波形測量的基本技能，比如說，方波的紋波、頂寬、上升時(shí)間，正弦波的頻率，兩個(gè)波形的相位的比較，電路頻率特性的測量。將方波振蕩電路、分頻電路、濾波電路和移相電路設(shè)計(jì)通過易于鑒別的方式表現(xiàn)出來，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：張理兵（1982—），男，浙江金華人，溫州醫(yī)科大學(xué)信息與工程學(xué)院教師，研究方向：電子技術(shù)。