模拟信号合成电路的改良设计

李艳霞 黄勇

【摘要】 通过四阶巴特沃斯低通滤波器电路完成方波信号的分频，用放大衰减电路使信号复合方波和三角波合成时的幅值要求，接着经过移相，合成需要的方波。本系统对已有的信号合成电路进行了改良，使波形实际设计结果波形更加接近理论仿真效果。在一定理论仿真的基础上，本设计更过多的从实际调试角度出发研究信号合成电路。

【关键词】 信号合成 巴特沃斯滤波 低通滤波器

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函数信号发生器可提供方波，正弦波等波形。然而，当要求的不是上述波形时，上述设备则不再能提供人们所需的波形。为满足对任意波形信号的要求，开发了一种基于傅里叶级数的简易波形合成电路。该电路能为机械、电子、生物医学、电力系统及军事科学等领域的研究提供各种模拟信号。

根据本系统的设计思想，如下图，系统产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波或三角波信号。

系统用单片机产生方波，再经滤波电路，生成正弦波。为了保证波形不失真，选用的放大器需要有足够的带宽，因此选择TL072P制作信号合成电路，将产生的10kHz和30kHz正弦波信号，作为基波和3次谐波，合成一个幅度为5V的近似方波。两种不同幅值不同比例的正弦波信号合成的结果有较大概率不是幅值为5V的近似方波信号，再之经过滤波和移相电路的信号，幅值有可能改变。要符合上述要求，需要在系统中加入调幅电路。

一、滤波电路

1.1理论计算

四阶巴特沃斯滤波器是两个二阶滤波器串联的结果，以此可以仅分析二阶滤波器，二阶巴特沃斯低通滤波器传递函数：

Q是等效品质因数，不同的品质因数会导致幅频响应不同，因此，在滤波电路中滤出基波时，选取恰当的Q值减小高次谐波对基波的影响，经过计算，Q值在1.5附近，系统性能最佳。

wc它是特征角频率，会决定上限截止频率 。

1.2滤波设计方案

本设计放大器部分均选TL072，这是一种JFET作为输入级的低失调、高输入阻抗拥有3MHZ带宽的运放，适合在此次电子设计中使用。有源四阶巴特沃斯滤波器以集成运算放大器为主要部分，电路拥有输出阻抗较低、输入阻抗较高的特点。

其滤波效果在Multisim仿真中滤波效果和二阶情况相同，实际调试过程中使用二阶滤波电路最终合成波形出现较为明显的畸变，说明方波经过滤波后仍存在很多高次谐波。由下表一可知，选择四阶巴特沃斯滤波器虽需投入更多时间成本，但能换来滤波性能上的显著提升。

在实际调试过程中，电阻阻值R与电容容值C，需满足两点条件：其一，必须符合频率计算公式。其二，电容容值C必须足够的小，经过多次试验调试，最终确定容值C应在100pf一下。选取较小的容值C可以避免波形出现锯齿，最终合成的波形更加接近理论仿真结果。

结构 调试 滤波效果

二阶巴特沃斯滤波 电路结构较简单，适合要求不高的场合 调试过程较为简单 有明显高次谐波

四阶巴特沃斯滤波 电路结构与二阶情况一致 调试过程复杂，难度较高 高次谐波明显减少

表1 二阶巴特沃斯滤波同四阶情况的特性对比

二、移相电路

移相电路电路主要运用了电容的电流超前电压90度这一特性。但其不是单纯的无源电路而是结合了集成运放的有源电路，其体积小、性能稳定，输入阻抗高，输出阻抗低，由它组成的移相电路具有电路简单、工作可靠、成本低、波形好、适应性强，而且可以提供180度的相移。还兼有放大和缓冲的作用，故选此方案。

三、调幅电路

方波信号经过波形变换和移相后，其输出幅度将有不同程度的衰减，合成前需要将各成分的信号幅度调整到规定比例，才能合成为新的合成信号。

本设计方案选用反相放大电路，反相放大器的优点在于输入阻抗等于输入电阻，且其输入与输出的相位相反。在反相放大器中，仅有差模信号，两个输入端的电位始终近似为零，因而抗干扰能力较强；同相放大器两个输入端不仅有差模信号，还有较大的共模电压，而较高的共模抑制比就可以达到抑制共模电压的目的。因此如果要求输入阻抗不高、不考虑相位时，首选反相放大，因为反相放大只存在差模信号。

四、加法电路

由于信号经过前面调幅电路得到了放大，调幅电路采用的是反相放大电路，信号会反相，因此，采用反相加法运算电路实现信号合成。

因为要合成后的波形类同于方波和三角波，则三个频率分量要满足傅立叶

变换系数的要求，这里就需要系数矫正电路，即比例运算电路，通过比例

调节后加到一个加法器组成的叠加电路中，实现所要达到的相应的波形。

方波的傅里叶级数表示：

在这些谐波中，它们初相位一致，各个谐波的系数比例为，合成一个幅值5V的近似方波，10kHz正弦波的峰峰值为6V，30kHz正弦波的峰峰值为2V，50kHz正弦波的峰峰值应为1.2V，所以在合成电路过程中还需要对正弦波实现放大。

五、结束语

信号合成电路在实际生活中应用非常广泛，将不同信号按一定比例进行合成，可以得到各种需要的波形，诸如三角波等，通过信号合成电路可解决实验室已有仪器输出波形类型单一的问题。笔者对本设计方案进行了调试，调试结果证明此方案设计出的电路性能稳定，能输出理想的合成波形。总而言之，本设计在理论仿真的基础上，经过大量实践，分析已有数据，总结改进了信号合成电路的设计，进一步优化了输出波形。