電子電路中信號(hào)的頻率分解與合成的實(shí)現(xiàn)

王雯婕

摘要：本文所研究的電子電路中信號(hào)的頻率分解與合成是指通過產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦信號(hào)，并將這些信號(hào)合成為近似的方波和三角波，構(gòu)成了信號(hào)波形合成電路。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由6個(gè)部分構(gòu)成：方波振蕩電路;分頻電路;窄帶通濾波電路;由雙運(yùn)放LM318構(gòu)成的移相電路;加法器合成電路;三角波合成電路;在本設(shè)計(jì)中，方波振蕩電路可產(chǎn)生300KHZ頻率的方波，經(jīng)過分頻電路和隔直電容以后成為雙極性方波。再經(jīng)過濾波和放大以后得到了所需的各次諧波，其經(jīng)過移相電路之后初相位相同，即可通過加法器合成為近似的方波和三角波。

關(guān)鍵詞：分頻電路;波形合成;帶通濾波;電子電路;集成運(yùn)放

中圖分類號(hào)：TN97?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1672-9129（2020）09-0044-01

1?背景原理

信號(hào)的兩種不同的描述方式分別為信號(hào)的時(shí)域特性和頻域特性。周期為T的一個(gè)時(shí)域周期信號(hào)f（t），可以展開為三角形式的傅里葉級(jí)數(shù)從而求出它的不同頻率的各次分量，包括直流分量及許多余弦分量和正弦分量，進(jìn)而可以研究其頻譜分布情況。

在電子電路中進(jìn)行信號(hào)分解和提取是濾波系統(tǒng)的一項(xiàng)基本任務(wù)，當(dāng)我們僅對(duì)信號(hào)的某些分量感興趣時(shí)，可以利用選頻網(wǎng)絡(luò)即濾波器，提取其中有用的部分，而將其它部分過濾掉。

2?各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

2.1方波發(fā)生器設(shè)計(jì)方案。方案一：采用分立元件來實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的多諧振振蕩器，然后根據(jù)需要加入積分電路等構(gòu)成正弦波、矩形波、三角等波形發(fā)生電路。這種信號(hào)發(fā)生器輸出頻率范圍窄，而且電路參數(shù)設(shè)定較繁瑣，相位也不一致，其頻率大小的測(cè)量往往需要通過硬件電路的切換來實(shí)現(xiàn)，操作不方便。

方案二：利用晶體振蕩電路來產(chǎn)生固定頻率的方波。晶振構(gòu)成的振蕩電路品質(zhì)優(yōu)良，產(chǎn)生的信號(hào)頻率精確，無需考慮額外配件和匹配問題。但晶體振蕩器的頻率一般很高，而且不能調(diào)節(jié)，因此對(duì)后級(jí)分頻電路要求很高，電路復(fù)雜、元件多、成本高。

方案三：采用555振蕩電路或函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL8038集成模擬芯片，它是一種可以同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的專用集成電路。波形的頻率可以通過調(diào)節(jié)555定時(shí)器電路的外接滑動(dòng)變阻器來進(jìn)行調(diào)節(jié)。該電路成本低廉，頻率可調(diào)，電路靈活方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，低功耗，輸入阻抗高，上升沿陡等的特點(diǎn)，不用依靠單片機(jī)，故選擇此方案。

2.2分頻電路模塊設(shè)計(jì)方案。方案一：利用編程來實(shí)現(xiàn)分頻電路設(shè)計(jì)。其原理與集成計(jì)數(shù)器原理相同，計(jì)數(shù)器實(shí)質(zhì)是對(duì)輸入的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，所以計(jì)數(shù)器在某種意義上講，等同于對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻。但此方案分頻得到的時(shí)鐘可能會(huì)有不穩(wěn)定或出現(xiàn)毛刺的現(xiàn)象，只能適用于對(duì)時(shí)鐘要求不高的基本設(shè)計(jì)，以及對(duì)于整數(shù)分頻來說可以很容易地用計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。

方案二：通過數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)分頻電路。由待分頻的信號(hào)時(shí)鐘邊沿觸發(fā)集成計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，不斷循環(huán)下去，通過這種方法可以實(shí)現(xiàn)任意的整數(shù)分頻電路。因此我們選擇方案二作為系統(tǒng)的分頻方案。

2.3選頻網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)方案。方案一：使用RC構(gòu)建低通濾波器或是使用LC濾波器構(gòu)建帶通濾波器。

方案二：以集成運(yùn)放LM318為核心的有源濾波電路，成本低，輸出阻抗低，所需元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且電路輸入阻抗高、并有專門的設(shè)計(jì)軟件。用集成運(yùn)放LM318和RC網(wǎng)絡(luò)組成的二階有源濾波電路器的濾波效果更好，幅頻相應(yīng)更接近理想特性，此外，它還具有一定的增益。因此選擇方案二。

2.4移相電路模塊設(shè)計(jì)方案。方案一：采用RC移相電路。RC移相電路主要是運(yùn)用了電容的電流超前電壓90度這一特性。采用RC移相電路輸出波形受輸入波形的影響，移相操作不方便，移相角度隨所接負(fù)載和時(shí)間等因素的影響而產(chǎn)生漂移等。

方案二：利用雙運(yùn)放LM318設(shè)計(jì)移相電路。此電路主要也運(yùn)用了電容的電流超前電壓90度這一特性，由于結(jié)合了集成運(yùn)放的有源電路，所以其不是單純的無源電路。該電路性能穩(wěn)定、體積小、成本低，由它組成的移相電路具有輸出阻抗低、輸入阻抗高、電路簡(jiǎn)單、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、波形好等優(yōu)勢(shì)，而且可以提供180°的相移，還兼有緩沖和放大的作用，因此選擇方案二。

2.5波形合成模塊設(shè)計(jì)方案。方波信號(hào)經(jīng)過波形移相和變換后，其輸出幅度將有不同程度的衰減，在進(jìn)行信號(hào)合成前，各波形（各分量）的幅度和相位都要進(jìn)行按規(guī)定調(diào)節(jié)好，調(diào)整到規(guī)定比例，才能合成為新的合成信號(hào)，而且理論上分解前的原始信號(hào)和合成后的信號(hào)應(yīng)該相同。

本文中系數(shù)矯正電路采用的是反向比例運(yùn)算電路，實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)整。通過比例調(diào)節(jié)后講各波形加到一個(gè)加法器組成的疊加電路中，采用反向加法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成，實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的相應(yīng)的波形。

3?測(cè)試及結(jié)果分析

調(diào)節(jié)移相電路，使三個(gè)波形同相送入加法器，用示波器觀察其合成輸出。為更好的進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試，本系統(tǒng)在以下位置留有測(cè)試點(diǎn)：

（1）波器輸出端，用以測(cè)試濾波器幅頻特性和相頻特性。

（2）移相器輸出端，用以測(cè)試移相器性能并測(cè)試信號(hào)幅度。

（3）信號(hào)合成加法器端，用以測(cè)試合成方波與三角波的幅度、相位與失真。

4?結(jié)語

本文通過討論頻率分解與合成電路中各模塊的設(shè)計(jì)方案，比較其優(yōu)缺點(diǎn)、可行度和實(shí)現(xiàn)成本等等不同方面，選擇最佳方案實(shí)現(xiàn)構(gòu)成了信號(hào)波形合成電路。即由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波分解為不同頻率和幅值的正弦信號(hào)，并將這些信號(hào)合成為近似的方波和三角波。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由6個(gè)部分構(gòu)成：方波振蕩電路;分頻電路;窄帶通濾波電路;移相電路;加法器合成電路;三角波合成電路;在本設(shè)計(jì)中，方波振蕩電路可產(chǎn)生300KHZ頻率的方波，經(jīng)過分頻電路和隔直電容以后成為雙極性方波。再經(jīng)過濾波和放大以后得到了所需的各次諧波，其經(jīng)過移相電路之后初相位相同，即可通過加法器合成為近似的方波和三角波。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒學(xué)玉，佘新平等.模擬電路設(shè)計(jì)仿真測(cè)試.電子工業(yè)出版社，2014.01.

[2]宣宗強(qiáng)等.電路、信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程.西安電子科技大學(xué)出版社，2014.08.