李艷霞 黃勇

【摘要】 通過(guò)四階巴特沃斯低通濾波器電路完成方波信號(hào)的分頻，用放大衰減電路使信號(hào)復(fù)合方波和三角波合成時(shí)的幅值要求，接著經(jīng)過(guò)移相，合成需要的方波。本系統(tǒng)對(duì)已有的信號(hào)合成電路進(jìn)行了改良，使波形實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果波形更加接近理論仿真效果。在一定理論仿真的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)更過(guò)多的從實(shí)際調(diào)試角度出發(fā)研究信號(hào)合成電路。

【關(guān)鍵詞】 信號(hào)合成 巴特沃斯濾波 低通濾波器

Analog signal synthesis improvement design of the circuit

Abstract：By fourth order butterworth low-pass filter circuit to complete the square wave signal frequency， signal with attenuation circuit amplification composite square wave and triangular wave synthetic amplitude requirements， after phase shift， synthetic design requirements of the square wave. This system redesign of the existing signal synthesis circuit， the waveform design results waveform more close to the theoretical simulation result. On the basis of a certain theoretical simulation， the design is more too much from the actual signal synthesis circuit debugging perspective study.

Key Words：signal synthesis； Butterworth filter； low pass filter函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可提供方波，正弦波等波形。然而，當(dāng)要求的不是上述波形時(shí)，上述設(shè)備則不再能提供人們所需的波形。為滿足對(duì)任意波形信號(hào)的要求，開(kāi)發(fā)了一種基于傅里葉級(jí)數(shù)的簡(jiǎn)易波形合成電路。該電路能為機(jī)械、電子、生物醫(yī)學(xué)、電力系統(tǒng)及軍事科學(xué)等領(lǐng)域的研究提供各種模擬信號(hào)。

根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，如下圖，系統(tǒng)產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)，并將這些信號(hào)再合成為近似方波或三角波信號(hào)。

系統(tǒng)用單片機(jī)產(chǎn)生方波，再經(jīng)濾波電路，生成正弦波。為了保證波形不失真，選用的放大器需要有足夠的帶寬，因此選擇TL072P制作信號(hào)合成電路，將產(chǎn)生的10kHz和30kHz正弦波信號(hào)，作為基波和3次諧波，合成一個(gè)幅度為5V的近似方波。兩種不同幅值不同比例的正弦波信號(hào)合成的結(jié)果有較大概率不是幅值為5V的近似方波信號(hào)，再之經(jīng)過(guò)濾波和移相電路的信號(hào)，幅值有可能改變。要符合上述要求，需要在系統(tǒng)中加入調(diào)幅電路。

一、濾波電路

1.1理論計(jì)算

四階巴特沃斯濾波器是兩個(gè)二階濾波器串聯(lián)的結(jié)果，以此可以僅分析二階濾波器，二階巴特沃斯低通濾波器傳遞函數(shù)：

Q是等效品質(zhì)因數(shù)，不同的品質(zhì)因數(shù)會(huì)導(dǎo)致幅頻響應(yīng)不同，因此，在濾波電路中濾出基波時(shí)，選取恰當(dāng)?shù)腝值減小高次諧波對(duì)基波的影響，經(jīng)過(guò)計(jì)算，Q值在1.5附近，系統(tǒng)性能最佳。

wc它是特征角頻率，會(huì)決定上限截止頻率 。

1.2濾波設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)放大器部分均選TL072，這是一種JFET作為輸入級(jí)的低失調(diào)、高輸入阻抗擁有3MHZ帶寬的運(yùn)放，適合在此次電子設(shè)計(jì)中使用。有源四階巴特沃斯濾波器以集成運(yùn)算放大器為主要部分，電路擁有輸出阻抗較低、輸入阻抗較高的特點(diǎn)。

其濾波效果在Multisim仿真中濾波效果和二階情況相同，實(shí)際調(diào)試過(guò)程中使用二階濾波電路最終合成波形出現(xiàn)較為明顯的畸變，說(shuō)明方波經(jīng)過(guò)濾波后仍存在很多高次諧波。由下表一可知，選擇四階巴特沃斯濾波器雖需投入更多時(shí)間成本，但能換來(lái)濾波性能上的顯著提升。

在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，電阻阻值R與電容容值C，需滿足兩點(diǎn)條件：其一，必須符合頻率計(jì)算公式。其二，電容容值C必須足夠的小，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)調(diào)試，最終確定容值C應(yīng)在100pf一下。選取較小的容值C可以避免波形出現(xiàn)鋸齒，最終合成的波形更加接近理論仿真結(jié)果。

結(jié)構(gòu) 調(diào)試 濾波效果

二階巴特沃斯濾波 電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，適合要求不高的場(chǎng)合 調(diào)試過(guò)程較為簡(jiǎn)單 有明顯高次諧波

四階巴特沃斯濾波 電路結(jié)構(gòu)與二階情況一致 調(diào)試過(guò)程復(fù)雜，難度較高 高次諧波明顯減少

表1 二階巴特沃斯濾波同四階情況的特性對(duì)比

二、移相電路

移相電路電路主要運(yùn)用了電容的電流超前電壓90度這一特性。但其不是單純的無(wú)源電路而是結(jié)合了集成運(yùn)放的有源電路，其體積小、性能穩(wěn)定，輸入阻抗高，輸出阻抗低，由它組成的移相電路具有電路簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低、波形好、適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以提供180度的相移。還兼有放大和緩沖的作用，故選此方案。

三、調(diào)幅電路

方波信號(hào)經(jīng)過(guò)波形變換和移相后，其輸出幅度將有不同程度的衰減，合成前需要將各成分的信號(hào)幅度調(diào)整到規(guī)定比例，才能合成為新的合成信號(hào)。

本設(shè)計(jì)方案選用反相放大電路，反相放大器的優(yōu)點(diǎn)在于輸入阻抗等于輸入電阻，且其輸入與輸出的相位相反。在反相放大器中，僅有差模信號(hào)，兩個(gè)輸入端的電位始終近似為零，因而抗干擾能力較強(qiáng)；同相放大器兩個(gè)輸入端不僅有差模信號(hào)，還有較大的共模電壓，而較高的共模抑制比就可以達(dá)到抑制共模電壓的目的。因此如果要求輸入阻抗不高、不考慮相位時(shí)，首選反相放大，因?yàn)榉聪喾糯笾淮嬖诓钅Ｐ盘?hào)。

四、加法電路

由于信號(hào)經(jīng)過(guò)前面調(diào)幅電路得到了放大，調(diào)幅電路采用的是反相放大電路，信號(hào)會(huì)反相，因此，采用反相加法運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成。

因?yàn)橐铣珊蟮牟ㄐ晤愅诜讲ê腿遣?，則三個(gè)頻率分量要滿足傅立葉

變換系數(shù)的要求，這里就需要系數(shù)矯正電路，即比例運(yùn)算電路，通過(guò)比例

調(diào)節(jié)后加到一個(gè)加法器組成的疊加電路中，實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的相應(yīng)的波形。

方波的傅里葉級(jí)數(shù)表示：

在這些諧波中，它們初相位一致，各個(gè)諧波的系數(shù)比例為，合成一個(gè)幅值5V的近似方波，10kHz正弦波的峰峰值為6V，30kHz正弦波的峰峰值為2V，50kHz正弦波的峰峰值應(yīng)為1.2V，所以在合成電路過(guò)程中還需要對(duì)正弦波實(shí)現(xiàn)放大。

五、結(jié)束語(yǔ)

信號(hào)合成電路在實(shí)際生活中應(yīng)用非常廣泛，將不同信號(hào)按一定比例進(jìn)行合成，可以得到各種需要的波形，諸如三角波等，通過(guò)信號(hào)合成電路可解決實(shí)驗(yàn)室已有儀器輸出波形類型單一的問(wèn)題。筆者對(duì)本設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了調(diào)試，調(diào)試結(jié)果證明此方案設(shè)計(jì)出的電路性能穩(wěn)定，能輸出理想的合成波形?？偠灾驹O(shè)計(jì)在理論仿真的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐，分析已有數(shù)據(jù)，總結(jié)改進(jìn)了信號(hào)合成電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化了輸出波形。