信号波形合成实验电路设计

张理兵 奚基相 陈付毅

【摘要】本文设计了一个用于演示波形合成的实验电路，其主要包括方波振荡电路、分频电路、滤波及调理电路和移相加法电路等。实验结果表明：所设计的电路产生的相应幅度的10kHz，30kHz和50kHz正弦波分别作为基波和3次谐波和5次谐波可以合成一个近似方波，并与理论相符。

【关键词】信号合成；方波振荡电路；滤波；移相

1.引言

非正弦周期信号可以通过fourier展开式分解成直流、基波以及与基波成自然倍数的高次谐波的叠加。这个概念是信号与系统、数字信号与处理等多门学科的理论基础，然而这个规律一般都是以抽象的数学公式表示，即使采用仿真的方法来验证，学生也没有一个信号波形分解合成的一个深刻、直观的理解。因此，本文设计了一个信号波形合成的实际电路，用于验证：若要得到某种特殊的周期性电信号，可以将一系列正弦波形合成所需要的电信号。

2.实验内容设计

然，随着谐波增多合成后就越接近方波，但是这与方波还有一定的差距，从理论上讲，按该式由无穷多项满足要求的谐波就可逼近方波了。

本实验要求设计前3次谐波，即1、3、5次谐波，近似合成一定基波频率和幅值的方波。由（2）式可以知道，其1、3、5次谐波的幅值比为1：（1/3）：（1/5），即6：2：1.2，且前三级谐波的频率比为1：3：5。基本功能要求如下：

（1）设计一个能产生300kHz方波信号的信号源。

（2）所得的方波通过分频滤波处理得到10kHz，30kHz，50kHz的正弦波信号。

（3）产生的信号较稳定，且无明显失真。

（4）10kHz，30kHz和50kHz的正弦波分别作为基波和3次谐波和5次谐波，合成一个近似方波。

3.电路设计

根据信号波形合成实验内容设计，实验电路总体框架图如图1所示。其主要有300kHz方波振蕩电路、分频电路、滤波调理电路、移相加法电路等组成。由方波振荡电路产生300kHz方波，通过分频电路实现300kHz方波信号的30分频，10分频和6分频，从而得到10kHz，30kHz和50kHzd的方波。然后通过设计三个有源滤波器，分别对10kHz方波，30kHz方波和50kHz方波进行滤波，得到较为稳定且无明显失真的10kHz，30kHz和50kHz的正弦波，且其幅值通过电位器可以调节到所需要的幅值。由于方波信号经过分频滤波后，其相位会发生变化，并且不同频率发生的相位变化不同，因此，需要通过调节移相电路使10kHz，30kHz和50kHz的三路正弦波波形的初始相位相同。最后通过加法电路使这三路波形能够合成类似方波的波形。

4.总结

本文设计的信号波形合成实验涉及波形测量的基本技能，比如说，方波的纹波、顶宽、上升时间，正弦波的频率，两个波形的相位的比较，电路频率特性的测量。将方波振荡电路、分频电路、滤波电路和移相电路设计通过易于鉴别的方式表现出来，增强了实验的趣味性。

参考文献

[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，1999.

[2]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

作者简介：张理兵（1982—），男，浙江金华人，温州医科大学信息与工程学院教师，研究方向：电子技术。