基于方波基波和三次谐波的移位相加器

基于方波基波和三次谐波的移位相加器 基于方波基波和三次谐波的移位相 加器 崔婕 14050510030 吕晗颖14020140082 陈靖14020140079 2016/6/27 摘要 本系统采用双运放构成的弛张振荡器来构成30khz的方波信号发生器，通过 一个四阶低通滤波器和一个六阶带通滤波器分别滤出方波的基波和三次谐波，且 均为巴特沃斯型。并出增益为1的0到-180度连续可调移相器。最后将滤得 的基波与三次谐波输入加法器进行叠加。为保证信号的完整性，准确性，均用电 压跟随器进行隔离。 关键词: 弛张振荡器 滤波 移相 跟随器 巴特沃斯 Abstract This system adopts dual op amp constitute a relaxation oscillator to constitute the 30kHz square wave signal generator, by a fourth order low pass filter and a sixth order band pass filter to filter out the fundamental and third harmonic, and are Butter worth Ge. And a phase shift with a gain of 1 is designed. In the end, the filtered fundamental wave and the three harmonic input adder are added. In order to ensure the integrity and accuracy of the signal, the voltage follower is used to isolate the signal. Keywords: relaxation oscillator filter phase follower of Butter worth 一、 论证与选择 1.1系统整体框图 方波发生器滤出基波学号后三位低通相加器(30KHz)(30KHz) 带通滤出三次谐波移相器(90KHz) 图一 系统整体框图 因30Hz频率低，响应慢，所需电容容值过大难设计合适的电路且误差较高，所以此设计发生器的频率为30KHz。 1.2多种方案比较 1.2.1方波信号发生器 【1】采用单运放弛张振荡器来实现方波信号的产生 该电路能实现方波信号的产生，但不能产生完美的三角波信号，且方波的幅度过大，频率的调试与幅度的调节是分开的。 2】采用双运放弛张振荡器来实现方波信号的产生 【 该电路保证方波的占空比和频率，增加了其负载能力。同时滑动变阻器可以同时调节幅度和频率，对于对方波频率没有要求的此题来说调试较为方便，所以本设计采用了双运放的弛张振荡器和跟随器来产生方波。 另:时间仓促并未来得及使用7812稳压芯片制作稳压电路，而是将电源直接供给方波发生器产生方波，由于电源信号发生器正负电压并不稳定，方波占空比不严格为50%，这是以后需要改进的一个地方。 1.2.2基波的滤出 【1】采用二阶巴特沃斯低通滤波器来滤出基波 巴特沃斯带内平坦，各级的幅频特性都比较平稳，且按照一定的规律在变化，便于实验观察，但在带外过渡带衰减缓慢，二阶低通无法将高次谐波完全滤除。 【2】采用四阶巴特沃斯低通滤波器来滤出基波 巴特沃斯带内平坦，各级的幅频特性都比较平稳，且四阶滤波器可以保证除基波外的高次谐波均被滤出，若采用更高阶的低通滤波器，级联放大器不稳定容易自激，相位偏差太大，衰减过度。综上所述，本设计选用四阶巴特沃斯低通滤波器滤出方波的基波。 1.2.3 三次谐波的滤出 【1】采用四阶低通滤波器和四阶高通滤波器级联的方法 此方法虽然上下限频率可以独立调整，但是在完成题目要求的情况下需要4 个运放，数量太多稳定性差。除此之外，级联运放的截止频率会改变，计算复杂且容易将三次谐波衰减或者带入其他杂波。 【2】采用六阶带通滤波器级联的方法 此方法在完成题目要求的情况下理论上需要的运放数量比方案一少，且选取合适的通带宽度即可保证级联时理论上的中心频率不会衰减。与此同时，带通滤波器的带外抑制效果也很好，故此设计选择六阶带通滤波器完成滤出三次谐波的题目要求。 1.2.4移相器 【1】无源移相器 即无源低通RC滤波器的拓扑结构，如果想要使增益为1可以分两路两路串联RC。优点是方便，不使用有源器件，缺点是选取相移不同时采用的元器件参数也不同调节十分不便。 【2】课本《模拟电子电路及技术基础》第二版第53页全通滤波器 该滤波器本身可以实现相移且增益为1，在此设计中又加以改进，用滑动电阻来调节书中运放同相端的电阻并加了跟随器进行隔离，可以实现相位在0到-180度之间连续可调，调节起来十分方便。 1.2.5相加器 1】 反相相加器 【 可以完成叠加，但是会将相位取反，导致图像移相不在题目要求的0到-180度内。 【2】 同相相加器 可以完成实验要求，完成基波和三次谐波的叠加，且相位保持不变，所以本设计选用同向相加器。 二、 理论与计算 基于以上方案的优缺点比较，此设计最终采用双运放弛张振荡器来实现方波信号的产生。通过单位增益的巴特沃斯四阶低通滤波器和单位增益的阶巴特沃斯带通滤波器分别滤出基波和三次谐波，并设计出增益为1的移相器。最后将滤得的基波与三次谐波输入同相加法器进行叠加，在各部分电路中均加以电压跟随器来保证信号的完整性和准确性。具体原件参数选择顺序均为设定电容求解电阻。 该系统共分为5部分，系统框图如下: XBP1XSC2Ext Trig+XFC1R13R1730kΩ_VCCINOUTC2BA1231.2nF16kΩ__VCC++12.0VVEE12.0VVCCU1DC11VCC12.0V7.5nFR2R1U2A-12.0V12R16U3A3R12R11C1411U6D12.0VR18143R143.6kΩ2.7kΩU5B11nF10kΩC10U2B131315R311.6kΩ200kΩ910Ω251nFR1516kΩU2CU3D14Key=A27C9200kΩTL084CD10712114U1C12650 %R19Key=A114VEETL084CD6810141nF114TL084CD20kΩ68 %-12.0VTL084CDVEETL084CD913873 %11430kΩVCCTL084CDKey=A-12.0V114VEE-12.0V9VEETL084CDTL084CD12.0V114114-12.0VTL084CD114C14300pF R3R27R62.2kΩVCC36kΩ3kΩC3U1BR24U3B12.0V1nFR285R8C4U2D5R4R97121.6kΩ7.5kΩC5C8U1AR5736kΩ614312kΩU3CR7TL084CD1nF1.8kΩ6R23TL084CD131101nF6.8kΩTL084CD1nF1.3kΩR10114C62.4kΩ28114TL084CD1nF114R20R30R29R2191nFC71kΩ1141kΩVEETL084CD560Ω36kΩ36kΩ114R22-12.0V430ΩR261kΩR25430Ω 图二 系统整体框图 2.1信号发生部分 选用双运放的弛张振荡器作为方波发生器，设占空比为0.5，C位300PF，有 ,1R2公式即可计算出各元器件的参数值。 ,,f0TRCR41 XFC1R1730kΩ123 12.0VVCCU2AR163R18110kΩU2B200kΩ25U2CKey=A10750 %R1911486 TL084CD930kΩTL084CD-12.0V114VEETL084CD114 C14300pF 图二 信号发生部分 2.2低通滤波器部分 低通滤波器部分采用单位增益的butterworth型低通滤波器，Q值总和为 12f21,,f1.31。两个二阶滤波器的截止频率=由得知级联时上限频率下降为HH1 30KHz时两个滤波器的截止频率应选择47KHz左右。 XBP1XSC2Ext Trig+_VCCINOUTC2BA1.2nFVCC__++12.0VC11VCCU1D12.0V7.5nFR2R112U3AR12R11C112.0V1433.6kΩ2.7kΩU5B1nFC1013151.6kΩ910Ω1nF27TL084CD1146VEETL084CD114VEE-12.0VTL084CD114VEE-12.0V -12.0V 图三 低通滤波器部分 2.3带通滤波器部分 带通滤波器采用六阶单位增益的butterworth型滤波器，通带带宽设计为 60KHz，中心频率为90KHz。这样可以保证滤出了三次谐波，即使上下限频率变化也不会太影响中心频率的衰减。 R3R62.2kΩVCC3kΩC3U1BR2412.0V1nF5R8C4U2DR4R97121.6kΩ7.5kΩC8C5U1AR5614312kΩU3CTL084CDR71nF1.8kΩR23131101nF6.8kΩTL084CD1nF1.3kΩR10114C62.4kΩ28TL084CD1nF114R20R2191nFC71kΩ1141kΩVEETL084CD560Ω114R22-12.0V430Ω R261kΩR25430Ω 图四 带通滤波器滤出部分 2.4方波基波的衰减部分 基波衰减是为了与三次谐波衰减保持相等，保证基波与三次谐波的幅度关系，叠加时的波形比较明显。实际制作时将滑动变阻器改为采用了1/5左右的衰减。 R31 200kΩU1CKey=A10 868 % 9 114 TL084CD 图五 衰减器部分 2.5移相器部分 移相器的滑动变阻器可实现0到-180度的连续可调，U3D作为跟随器防止滑动变阻器的阻值影响反馈电路。据课本原图进行改进，思路是改变-90度相移所 1,对应的角频率，由于90KHz的三次谐波频率已知，取电容为1nf，由=则RC15-90度时电阻R15应为1.8K左右，所以选用2K的滑动变阻器即可调节，实测相移可满足要求并能连续调节，十分方便。 R13 16kΩ VEE -12.0V411R14U6D13R1516kΩ14C912U3D12TL084CD141nF20kΩ1373 %VCCKey=A TL084CD12.0V114 图六 移相器部分 三、 测试结果与误差分析 3.1测试仪器: 1 测试仪器清单 序号 仪器名称 型号 指标 生产厂商 数量 1 数字示波器 DS1062E 60MHz RIGOL 1 3 信号源 TFG1010 10MHz SUING 1 4 直流稳定电源 SS3323 30V/3A SUING 1 3.2测试方法: 3.2.1测试方波频率 实验方案:先检查连线，然后用示波器观察法波发生器输出端的 波形的频率，可以调节滑动变阻器使其频率为30.02KHz。 测试结果:频率为29.94KHz，,此时峰峰值为4.96V。 3.2.2基波波形检测 实验方案:先检查连线，用示波器观察四阶低通滤波器输出端的波形峰峰值。 测试结果:峰峰值为5.48V。 3.2.3三次谐波检测 实验方案:先检查连线，再用示波器观察四阶低通滤波器输出端的波形峰峰值。 测试结果:三次谐波峰峰值2.06V。 3.2.4移相相加检测 实验方案:先检查连线，再用示波器观察相加器输入端的信号的幅度，再观察输出的波形。 测试结果:波形完好无失真且叠加连续可调。 3.3误差分析 1.增益误差产生的原因 (1)由于运放本身是半导体器件所以受外界温度影响较大，在 使用滑动变阻器调节失调电压时，滑动变阻器本身受震动等也不稳 定，所以不同时刻的漂移电压也不同。此系统没有严格矫正误差， 所以在经过有源器件的时候会出现增益衰减的情况，通过滤波器的 时候带内不够平坦还可能增益大于1。 (2)高频时应考虑阻抗匹配，寄生电感电容等效应，但是本设 计由于时间仓促均未严格考虑并计算设计电路。 2.电源电压产生的误差 由于实验室的电源发生器的正负电源并不严格相等，本设计由于 时间原因和器材原因没找到7805或7812电源芯片，所以在方波占 空比处产生误差。 3.电阻电容参数值误差 本设计选取的电阻电容最小误精度为1%，但最大误差可达到 10%，这些误差会造成电阻电容参数值不准确从而导致实验结果的误 差。 3.4测试结论: 此系统方波发生器误差不超过0.12KHz，基波频率和三次谐波频率均接近理想值，且幅度增益衰减很少，波形无失真连续相位可调，满足题目所有要求。 四、 总结 本系统采用双运放构成的弛张振荡器来构成30khz的方波信号发生器，通过一个四阶巴特沃斯低通滤波器来滤出基波和一个六阶巴特沃斯带通滤波器滤出基三次谐波，并设计移相器对三次谐波移相。最后将滤得的基波与三次谐波输入加法器进行叠加。在各电路中均用电压跟随器进行隔离，来保证信号的完整性，准确性。设计在电源入口处有库电容，芯片正负引脚有去耦电容，增加了芯片的稳定性。最终实验结果能很好的完成实验要求，产生完美波形，在此次学习中，使我们对这部分知识了解得更加深刻，充分的将理论与实际合为一体。 附录 (1)参考资料 [1] 杨建国.你好，放大器.科学出版社，2014 [2] (美)赛尔吉欧 佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计.西安:西安交通大学出版社，2004 [3]蔡锦福.运算放大器原理与应用.北京:科学出版社，2005 [4]孙肖子.模拟电子电路及技术基础.西安电子科技大学出版社，2008.1 (2)作品实物照片