波形产生器及谐波滤波器设计与制作-通信工程课程设计.doc

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

2、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 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

3、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

4、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，使信号发生器电路大大简化。+15V C R1

5、2 7 uo1 +15V A1 6 Ro R4 2 7 3 4 A2 6 uo2 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：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。3.2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

6、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+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=-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

7、） 方波-三角波转换电路的工作原理R112354U1R2R350%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：mopURU2132T 13242)(pRCT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

8、 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 1312312()0CiaRPRUVUP 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位 Uia-为223131()CCiaRRUVPP 若 Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位 Uia+为223131()ECiaRRUVPP比较器的门限宽度 2231HCiaiRUIPUo1，则积分器的输出 Uo2 为 2142()OOUdtR3时，1OCUV24242()()CCOVttRPP时，1E24242()()EttR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

9、 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 2231OmCRUVP4 方波-三角波的频率 f 为531242()RPfC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）低通滤波器一阶 RC 低通滤波电路转移函数:令 得 其幅频特性：其相频特性：0i11j(j) jUCHRCR2c1(j)Hc1RC