信波形產(chǎn)生與濾波電路設(shè)計 電子技術(shù)等專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論

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1、目 錄 摘 要……………………………………………………………………………………..… .2 Abstract ...…………………………………………………………………………………....2 第一章 緒論………………………………………………………………………………... 3 1.1 設(shè)計目的…………………………………………………………..................................3 1.2 設(shè)計內(nèi)容 ……………………………………..…………………………… .. ..............3 1.3 設(shè)計要求 …………………………………………………………

2、…………………....3 1.4 設(shè)計進(jìn)度安排………......................................................................................................3 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計…………..........................................................................................4 2.1 方案的設(shè)計與選擇……............................................

3、......................................................4 2.2 系統(tǒng)總體框圖……..........................................................................................................4 第三章 硬件設(shè)計…........……………………………………............................................... 5 3.1 方波產(chǎn)生電路模塊…….......................

4、...........................................................................5 3.2 直流電源模塊……..........................................................................................................7 3.3 濾波電路模塊…….......................................................................................

5、...................8 3.4 系統(tǒng)總體電路圖…….....................................................................................................10 第四章 調(diào)試與仿真…….........................................................................................................12 4.1 方波電路調(diào)試………………………………………………………………………….

6、..12 4.2 電源電路調(diào)試…...............................................................................................................13 4.3 濾波電路調(diào)試 ……………………………………………………………………..…..14 總結(jié) ……………………………………..………………………...…....................................17 參考文獻(xiàn) …….………………..………………………………..……………………….…..18 附錄

7、Multisim軟件軟件簡介 ….….....................................................................................19 摘要 方波發(fā)生器在各理工科實驗中具有廣泛的應(yīng)用，同時在生活中的數(shù)字設(shè)備、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域也有需求。方波信號是一種應(yīng)用極為廣泛的信號，它在科學(xué)研究、工程教育及生產(chǎn)實踐中的使用也非常普遍。它通常作為標(biāo)準(zhǔn)信號，應(yīng)用于電子電路的性能試驗或參數(shù)測量。另外，在許多測試儀中也需要標(biāo)準(zhǔn)的方波信號檢測一些物理量。方波產(chǎn)生電路可以由遲滯比較器和R、C基本回路構(gòu)成，也可以由555定時器

8、加一些電阻、電容組成外圍電路構(gòu)成。 濾波電路也在電子電路中也有較大的應(yīng)用，例如人們往往要得到某種特定頻率的信號，而實際輸入的包含有各種頻率的信號，這時就要用到與之相對應(yīng)的濾波電路濾去不需要頻率的信號，而保留人們想要頻率的信號。構(gòu)成濾波電路的有低通濾波、高通濾波及帶通濾波電路，本設(shè)計是基于二階帶通濾波電路的一個中心頻率為10KHZ的濾波電路。 關(guān)鍵字:遲滯比較器；二階無線增益帶通濾波電路；中心頻率 Abstract Square wave generator in the science and engineering experiment has wide appl

9、ication, and at the same time in the life of the digital equipment, home appliances, electronic toys, and many other areas also have demand. Square wave signal is a kind of application of the signal, it is widely in scientific research, engineering education and the use of the production practice an

10、d is very popular. It is usually used as standard signal, used in electronic circuit performance test or parameter measurement. In addition, in many tester are required in the standard square wave signal detection some physical quantities. Produced by square wave circuit can hysteresit comparator an

11、d R C, basic circuit structure, by 555 the timer add some resistance, capacitance of a peripheral device. Filter circuit is also in electronic circuits also have larger applications, such as people tend to get a specific frequency of the signal, but the actual input contains various frequency

12、signal, would then use with the corresponding filter circuit to filter the frequency of the signal don't need and keep that people want to frequency signal. Constitute the filter circuit with low pass filter high-pass filter, and bandpass filter circuit, the design is based on second-order band-pass

13、 filter circuit of a center frequency for 10 KHZ filter circuit. Key words: hysteresit comparator; Second order wireless gain bandpass filters circuit; Center frequency 第一章 緒論 1.1 設(shè)計目的 由于在課堂上學(xué)習(xí)的都是一些純粹的理論知識，沒有在實踐中得到檢驗，始終無法令人信服。本設(shè)計基于對濾波電路的基礎(chǔ)上對信號處理做了一個簡單大設(shè)計，可實現(xiàn)當(dāng)輸入一個方波時，輸出同頻率的正弦波，完成方波到正弦波的轉(zhuǎn)化，通過設(shè)計可以將

14、所學(xué)的電子技術(shù)知識運用到實際上，加深對濾波電路、方波產(chǎn)生電路的理解，鍛煉自己的動手能力，培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神。 1.2 設(shè)計內(nèi)容 （1） 了解信號波形的產(chǎn)生于濾波電路的基本原理； （2） 完成信號波形的產(chǎn)生與濾波電路（設(shè)計并分析計算單元電路，對元器件進(jìn)行選型）； （3） 繪制信號波形的產(chǎn)生與濾波電路電路圖； （4） 組裝調(diào)試濾波電路； （5） 進(jìn)行實物檢查，設(shè)計答辯并完成設(shè)計報告； 1.3 設(shè)計要求 （1） 設(shè)計遲滯比較器方波產(chǎn)生電路，頻率為10KHZ可調(diào)； （2） 設(shè)計一個有源濾波器，經(jīng)濾波電路得到的正弦信號幅度峰峰值達(dá)到6V以上； （3） 設(shè)計2個雙電源電路：正負(fù)5V

15、和正負(fù)12V； 1.4 設(shè)計進(jìn)度安排 此報告將按照如下思路進(jìn)行展開描述：第一章主要介紹系統(tǒng)的總體設(shè)計與方案的論證；第二章主要介紹各單元模塊的電路設(shè)計與相關(guān)參數(shù)的分析計算；第三章重點介紹個單元模塊的調(diào)試、仿真及相關(guān)的分析、結(jié)論；最后是總結(jié)和有關(guān)的參考文獻(xiàn)。 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 2.1 方案的設(shè)計與選擇 （1） 方波產(chǎn)生電路 方案一：用MAX0832集成芯片產(chǎn)生所需的方波，可靠性好，穩(wěn)定性好，但經(jīng)濟很貴。 方案二：用NE555集成芯片外接幾個電阻電容，雖經(jīng)濟比較合理但波形有可能失真，必須經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形十次產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)方波，相對來說比較麻煩。

16、 方案三：用遲滯比較器外接R、C積分回路構(gòu)成多諧振蕩電路，由于設(shè)計和原理比較簡單，雖然對于高頻來說方波的前后沿不是很陡峭，但可以用轉(zhuǎn)換速率比較高的集成電壓比較器來代替運放基本能達(dá)到要求。 為此我們組最終選擇了第三種方案，仿真效果還可以。 （2） 雙電源產(chǎn)生電路 經(jīng)過查資料，對于直流電源的設(shè)計我們就給出了一種方案：220v交流電經(jīng)過三端輸出的變壓器后先經(jīng)過橋式整流電路得到脈動直流，在經(jīng)過濾波電路得到波動較小的紋波，最后接7812、7912（輸出5V時則換成7805、7905）輸出正12V、5V,負(fù)12V、5V。 （3） 濾波產(chǎn)生電路 方案一：

17、由老師提供的在由二階無線增益帶通濾波器構(gòu)成的濾波電路,其中運放為反相輸入，輸出端通過、形成兩條反饋回路，其優(yōu)點是電路具有倒相作用，使用元件較少，但增益調(diào)節(jié)對其性能參數(shù)會有影響，因此應(yīng)用范圍較小。 方案二:由一個二階的低通濾波電路和一個二階的高通濾波電路串聯(lián)構(gòu)成。 方案三：由電壓控制電壓源電路構(gòu)成的帶通濾波電路，其優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定、增益容易調(diào)節(jié)。 在此我們選用第三種方案來設(shè)計電路。 2.2 系統(tǒng)總體框圖 電源電路 示波器 方波產(chǎn)生電路 濾波電路 第三章 硬件設(shè)計 3.1 方波產(chǎn)生電路模塊 （1）

18、a 方案二電路原理圖 圖3.1 源圖像（a） b 原理 555定時器內(nèi)部有部有兩個電壓比較器、一個基本RS觸發(fā)器和一個集電極開路的 三極管組成。為了能讓555定時器產(chǎn)生脈沖，就得在外部電路上加一個RC充放電 回路。在一個周期上給相應(yīng)端口輸入一定的電壓。就可以實現(xiàn)所達(dá)到的效果。 c 周期 計算產(chǎn)生高低電平占空比的公式如下： ，，即當(dāng)時，占空比為50% ，要產(chǎn)生頻率為 10kHZ的方波，T=0.0001s=2*R**,=0.1uF,==72。 （2）a 方案三的電路圖 圖3.1 源圖像（b） b 設(shè)計說明 集成電壓比較器比集成運放放大器的開環(huán)增益低、失調(diào)電

19、壓大、共模抑制比小，因而它的靈敏度往往不如用集成運放構(gòu)成的比較器高，但由于集成電壓比較器通常工作在兩種狀態(tài)（輸出為高電平或低電平），因此不需要頻率補償電容，也就不存在像集成運放那樣因頻率補償電容引起轉(zhuǎn)換速率受限。設(shè)計題目給出的LM324運放只有在低頻的時候，方波效果比較好，但對于設(shè)計所要求的10KHZ的方波，頻率已很高了，這時產(chǎn)生的方波用multisim軟件仿真可以觀察到前后沿不陡峭，有點像正弦波，因此改換成了高速集成電壓比較器AD9631，后面仿真圖中會有二者的對比。 c 設(shè)計原理 該電路實際上就是在遲滯比較器的基礎(chǔ)上加了一個積分回路，遲滯比較器自身的特點有兩個閾值電壓+FVz和-FV

20、z，再接通電源的瞬間，輸出電壓處于不定狀態(tài)，假設(shè)輸出電壓偏于正向飽和，即Vo=+Vz時，加到電壓比較器同相端得電壓為+FVz，而加于反相端的電壓，由于電容上的電壓不能突變，只能由輸出電+FVz時，輸出電壓迅速翻轉(zhuǎn)到-Vz,-Vz又通過R3對C進(jìn)行反相充電，知道Vc略負(fù)于-Vz值時，輸出狀態(tài)再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)。如此循環(huán)不已，形成一系列的方波。 d 參數(shù)設(shè)計 設(shè)t=0時，Vc=-Vz，則在時間內(nèi)，電容C上的電壓將以指數(shù)規(guī)律由-FVz向+Vz方向變化，電容器端電壓隨時間變化規(guī)律為 設(shè)T為方波的周期，當(dāng) 時，,帶入上式，可得 對T求解，得 如適當(dāng)選取 和的值，可使得,即F=0.462，

21、則振蕩周期可簡化為T=2，振蕩頻率為。在Multisin仿真電路上連接遲滯回路比較器的實現(xiàn)電路，用AD9631作為電路的電壓比較器，用示波器檢測輸出端口的波形，檢查頻率和幅值是否在要求的分范圍內(nèi) ，一邊調(diào)試一邊計算。調(diào)試出一個最合適的參數(shù)，經(jīng)調(diào)試得選為860，選為1，選為2，C選為0.025uF。 3.2 直流電源模塊 a 電路原理圖 圖3.2 源圖像 |b 設(shè)計原理 首先交流店通過整流變壓器把220V的交流電變成12V的交流電，然后通過整流橋，將交流電變成直流，然后通過電容濾波，使電壓變得平穩(wěn)然后通過集成穩(wěn)壓芯片LM7805、LM7812、LM7905、LM7912，最后得到1

22、2V、5V的穩(wěn)定直流電壓。 c 參數(shù)計算與元件選型 首先是變壓器的選擇，由于要把220V的交流電降到12V,所以應(yīng)選擇變比為18左右的3端或2端輸出的變壓器，由于在Multisim軟件中沒有找到這樣的變壓器，所以暫時只能將輸入電壓改為150V。 由于是整流橋，所以每只二極管鎖車感受的最大方向電壓： =*12=17V 對于橋式整流電路，每只二極管的平均電流： < 1 (A) 為此我選擇了1B4B42的整流橋，它能承受的最大反向電壓為100V>17V,額定電流為1

23、A，都能達(dá)到設(shè)計的要求。 整流之后的電壓=(1.1-1.2） ,為副邊電壓。RC濾波電路中，C的選擇應(yīng)適應(yīng)下式，即RC放電時間常數(shù)應(yīng)滿足：RC=(3-5）,式中T為輸入交流信號周期：R為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻，阻值一般較小。所以電容選擇為1000u，后面4個瓷片電容是為了更好的濾去紋波。穩(wěn)壓的作用是將濾波電路輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓芯片后，輸出較穩(wěn)定的電壓，因此選擇7805、7905、7812、7912，是輸出穩(wěn)定在5V、12V。 3.3 濾波電路模塊 （1）a 方案三原理圖 圖3.3 源圖像a b 設(shè)計原理 由遲滯比較器輸出的方波信號包含極豐

24、富的諧波，即是由很多個頻率不同的正弦諧波疊加而成，從濾波電路中輸入時，其低次諧波和高次諧波都被濾去，只有頻率為10KHZ的正弦諧波被保留下來，沒有衰減，因此輸入為10KHZ的方波時輸出為同頻率的正弦波，10KHZ既是方波的頻率也是濾波電路的中心頻率。 c 濾波器的性能參數(shù) 濾波電路中性能參數(shù)有：中心角頻率或，在所有頻率中對應(yīng)的增益最大為；帶寬BW=-或BW=-，其中稱為上解直角頻率，為下截止角頻率；品質(zhì)因數(shù)Q=或Q=,Q值越高，濾波器的選擇性越好，衰減速率越高，但Q值也不能太高，否則會使電路難以調(diào)整，一般取 較好。 d 參數(shù)計算及元件選型 1，設(shè)計要求濾波器的中心頻率是10KHZ

25、,即=10KHZ,先確定一個電容的標(biāo)稱值為0.002uF,由==5(公式中C的單位是uF）。 2，這里取Q=10，查表得Q=10時，得=2、K=1時的電阻值=，,,。 3，將上述電阻值乘以參數(shù)K=5，得,取標(biāo)稱值79.7K； ,取標(biāo)稱值5.8；R2=,取標(biāo)稱值11.68 ,,取標(biāo)稱值23.3。 4，其用到的公式有： 或(BW遠(yuǎn)小于時） （2）方案一電路原理圖 圖3.3 源圖像b 至于原理和相關(guān)的參數(shù)計算和元件選型在方案三中已做了詳盡的解釋，方案一與上面類似，在這里就不再累贅了。 3.4 系統(tǒng)總體的電路圖 圖3.4 源圖像

26、 此電路圖將方波產(chǎn)生電路，濾波電路，以及直流電源電路整合成一個總的電路圖，構(gòu)成一個系統(tǒng)。 第四章 調(diào)試與仿真 4.1 方波電路調(diào)試 a 方案二中采用的是555構(gòu)成的電路，仿真時輸出波形如下： 圖 4.1 源圖像a 可以觀察出來其占空比是50%，滿足設(shè)計要求。 b 方案三用的是遲滯比較器構(gòu)成的電路，輸出波形如下： 圖4.1 源圖像b 可以觀察出占空比也差不多是50%，其輸出波形比較方正，只是在邊沿部分有點紋波，不平穩(wěn)，但這是在誤差范圍之內(nèi)的。 下面是用頻率計測量其輸出頻率： 圖4.1 源圖像c

27、仿真得出的結(jié)果與實際算出的結(jié)果10KHZ誤差不大，基本上符合要求。 4.2 電源電路調(diào)試 電源電路調(diào)試的主要參數(shù)是交直流電壓，看它是否與理論值相符合，以及是否符合相關(guān)結(jié)論。 a 檢驗。 圖4.2 a 輸出平均電壓 圖4.2b 輸出直流電壓 可以計算出與理論值相差有點大，具體原因也不是很清楚。 b 檢測紋波 圖4.2c 交流電壓分量平均值 圖4.2d 交流電壓分量平均值 在一定程度上輸出電壓的交流分量能反映出紋波的大小，即可以反映出濾波的效果，當(dāng)然理想情況下是最后輸出的是直流信號，交流分量為0，但實際上達(dá)

28、不到這種要求的，而且還可發(fā)現(xiàn)經(jīng)過濾波后紋波被削弱了。 c 輸出電壓檢驗 圖4.2e 正12V輸出端 圖4.2f 負(fù)12V輸出端 圖4.2g 正5V輸出端 圖4.2h 負(fù)12V輸出端 可以發(fā)現(xiàn)正負(fù)12V輸出端與理論值有一定的誤差，可能是因為當(dāng)信號經(jīng)過整流橋之后的輸出電壓過大，超出了穩(wěn)壓芯片的上限電壓，導(dǎo)致穩(wěn)壓芯片不能正常工作。 4.3 濾波電路調(diào)試 這一部分主要是對輸出波形、中心頻率、帶寬BW、增益等要素進(jìn)行調(diào)試。 a 輸出波形： 圖4.3 源圖像a

29、 理論上是方波輸入時 ，正弦波輸出，但好像看起來有點像三角波輸出，不符合要求，可能與電路有關(guān)，電路還要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。 b 輸出頻率： 圖4.3 源圖像 b 頻率是滿足要求的。 c 帶寬BW 圖4.3c 波特圖 由波特圖我們可以大致求出其通頻帶寬 ，由圖可知在9.836KHZ時，其增益是最大的，為4.555dB,也就是中頻增益，理論上是10KHZ,好在誤差不是很大，基本滿足要求。BW=，由3分貝帶寬的定義可知，當(dāng)增益降到1.555dB時對應(yīng)2個頻率分別就是上、

30、下限截止頻率。 圖4.3d 源圖像 圖4.3e 源圖像 由以上2個圖可知 大致為8.07kHZ，大致為12kHZ，BW==12-8.027=3.93kHZ，Q===2,5與理論值5也有誤差，因此要對參數(shù)做進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整。 總結(jié) 經(jīng)過幾個星期的艱苦奮戰(zhàn)，終于勉強完成了任務(wù)，雖然最后感覺有點累，特別是當(dāng)調(diào)試出現(xiàn)問題時，心情很糟糕，比較急，現(xiàn)在體會到急也沒有用，只會讓事情變得更糟糕，出現(xiàn)問題后要冷靜下來分析，到底問題出在哪兒，要在大學(xué)期間就開始培養(yǎng)自己發(fā)現(xiàn)問題解決

31、問題的能力，訓(xùn)練一種科學(xué)的解決問題的思維，我個人覺得這才是最重要的，才是我在這次課程設(shè)計中最大的收獲和體會。 在設(shè)計的過程遇到了很多的困難和困惑最后通過不停的查資料和一遍遍的仿真和調(diào)試基本上使問題得到解決，基本上達(dá)到了老師的要求，雖然過程看起來是艱苦的，但最后的結(jié)果是令人喜悅的。 這次課程設(shè)計培養(yǎng)了自己動手能力，掌握和鞏固了書本上的理論知識，綜合運用了本專業(yè)的相關(guān)知識，對知識有了系統(tǒng)的重新認(rèn)識?？梢哉f真正做到了理論與實踐相結(jié)合。這次課程設(shè)計的順利完成可以為以后的畢業(yè)設(shè)計、電賽甚至是以后的工作打下了基礎(chǔ)，而且我也深深體會到自己還有很多東西都不懂，需要我在以后的時間多花點時間給自己沖一下電，為

32、未來的就業(yè)做好充分準(zhǔn)備。 還給我的一點體會是就是要多查資料，不論上網(wǎng)上的還是從書上獲得的資料，都是很有用的，因為自己知道的東西畢竟有限，要充分利用現(xiàn)有的資料，實行拿來主義，把別人研究出來的成果為我所用，我覺得這也是一種能力的體現(xiàn)，給你現(xiàn)有的資源，你能不能獲得第一手的資料，關(guān)鍵是看你善不善于查閱資料，要知道網(wǎng)上的資料是海量的，很雜很泛濫，從這么多的資料中如何挑出自己想要的資料，這是一個需要不斷訓(xùn)練的過程。 參考文獻(xiàn) 第一章 （1） 康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社 2006 （2） 康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）. 北京：高

33、等教育出版社 2006 第二章 （1）康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社 2006 （2）康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社 2006 （3）謝自美主編. 電子線路設(shè)計·實驗·測試（第二版）. 武漢：華中科技大學(xué)出版社.2000 第三章 （1）康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社 2006 （2）康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社 2006 （3）謝自美主編. 電子線路設(shè)計·實驗·測試（第二版）. 武漢：華中科技大學(xué)出版社.2

34、000 第四章 （1）康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社 2006 （2）康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社 2006 （3）謝自美主編. 電子線路設(shè)計·實驗·測試（第二版）. 武漢：華中科技大學(xué)出版社.2000 附錄 Multisim軟件簡介 Multisim是美國國家儀器（NI）推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 B.1 multisim 10概述 ●通過直觀的電路

35、圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計電路 　　 ●通過交互式SPICE仿真, 迅速了解電路行為 　　 ●借助高級電路分析, 理解基本設(shè)計特征 　　 ●通過一個工具鏈, 無縫地集成電路設(shè)計和虛擬測試 　 ●通過改進(jìn)、整合設(shè)計流程, 減少建模錯誤并縮短上市時間 B.2 multisim 10特點 NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進(jìn)行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。