基于脈沖信號(hào)（方波）的正弦信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)

李順江 李家旺

【摘要】正弦信號(hào)廣泛應(yīng)用于電路系統(tǒng)測(cè)試與控制中，有多種電路設(shè)計(jì)方案可產(chǎn)生正弦信號(hào)。本文采用基于脈沖信號(hào)（方波）的正弦信號(hào)產(chǎn)生電路方案進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。該電路可產(chǎn)生脈沖信號(hào)（方波）頻率（9kHz）奇數(shù)倍的固定頻率的正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ（基波Ⅰ：9kHz，三次諧波Ⅲ：27kHz，┅，），且信號(hào)波形質(zhì)量較好。測(cè)試表明：產(chǎn)生的正弦信號(hào)的頻率與幅值與脈沖信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)展開結(jié)果基本相符合。設(shè)計(jì)過程中采用了Multisim 11.0仿真。本文對(duì)正弦信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】脈沖信號(hào)（方波）;正弦信號(hào);帶通濾波器

Based on Pulse Signal（Square Wave）Design of Sine Signal Generating Circuit

Physics and Electronic Science College of Chuxiong Normal University ?LI Shun-jiang ?LI Jia-wang

Abstract：Sine signal is widely used in circuit test and control system，there are a variety of circuit design can produce sine signal. In this paper，based on pulse signal（square wave）design of sine signal generatingcircuit. The circuit can generate pulse signals（square wave）frequency（9kHz）sinusoidal signal with a fixed frequency Ⅰ，Ⅲ（fundamental wave Ⅰ：9kHz，three harmonic III：27kHz，somehow），and signal quality is better. The test showed that：the frequency and amplitude of sinusoidal signals and pulse signals of Fourier expansion results are basically consistent with.It adopted Multisim 11.0 simulation in the design process.In this paper，the sine signal circuit design has a certain reference value.

Key words：The pulse signal（square）;Sine signal;Band pass filter

引言

正弦信號(hào)廣泛應(yīng)用于電路系統(tǒng)測(cè)試與控制中，有多種電路設(shè)計(jì)方案可產(chǎn)生正弦信號(hào)。本文基于脈沖信號(hào)（方波）的正弦信號(hào)產(chǎn)生電路方案進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，對(duì)正弦信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

1.電路的設(shè)計(jì)思想

1.1 電路設(shè)計(jì)的基本原理

其波形如圖1.1所示。

圖1.1 脈沖信號(hào)的波形

根據(jù)脈沖信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)展開表達(dá)式：

展開式中是脈沖信號(hào)的峰-峰值，，

第一項(xiàng)是脈沖信號(hào)的直流分量;第二項(xiàng)是脈沖信號(hào)的基波，其頻率或周期與脈沖信號(hào)相同正弦信號(hào)（正弦波）;第三項(xiàng)是脈沖信

號(hào)3次諧波 ，其頻率是脈沖信號(hào)頻率的3倍的正弦信號(hào)（正弦波）。

1.2 電路工作原理

基于脈沖信號(hào)（方波）的正弦信號(hào)產(chǎn)生電路原理框圖如圖1.2所示。該電路用NE555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生出頻率為9kHz的脈沖信號(hào)（方波）分別送到由LM324構(gòu)成中心頻率的帶通濾波器，通過帶通濾波器從頻率為9kHz的脈沖波（方波）中濾波出正弦信號(hào)Ⅰ（基波：9kHz）和Ⅲ（三3次諧波，其頻率是脈沖信號(hào)的3倍的正弦信號(hào)（正弦波）[1]?；谏鲜鲈恚嚎蓮念l率為9kHz的脈信中通過帶通濾波器濾波獲取固定頻率的正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ（基波Ⅰ：9kHz，三次諧波Ⅲ：27kHz）。用LM324構(gòu)成中心頻率的帶通濾波器通過一次濾波，發(fā)現(xiàn)濾出的正弦波噪聲干擾比較嚴(yán)重，波形失真嚴(yán)重，為獲得較好的濾波效果，所以采用兩次濾波。

圖1.2 電路原理框圖

2.主要電路模塊介紹

2.1 基于NE555構(gòu)成的脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路

基于NE555構(gòu)成的脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路的工作原理圖如圖2.1所示。該電路基于NE555定時(shí)器構(gòu)成的一個(gè)多諧振蕩器， 電路接通電源時(shí)通過R1、D2、R3、R4對(duì)C2充電，充電完成后，C2對(duì)R3、R4、D1、R2進(jìn)行放電，充放電支路中元器件的取值決定了該電路的頻率和占空比，取R1=R2，是R4在中間位置使其充放電時(shí)間基本相等，其占空比為50%，R3可改變其頻率。若先調(diào)整占空比再調(diào)整頻率會(huì)使占空比發(fā)生改變，所以先調(diào)好頻率再去調(diào)節(jié)占空比。通過調(diào)整占空比及頻率使脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路輸出占空比為50%、頻率為9kHz的脈沖信號(hào)（方波）。

2.2 獲取出正弦波的濾波電路

基于LM324構(gòu)成中心頻率f01=9kHz帶通濾波器工作原理如圖2.2所示。基于LM324構(gòu)成中心頻率f02=27kHz兩級(jí)帶通濾波器工作原理如圖2.3所示。

已知中心頻率f0，中心頻率（f0）處的增益A及帶寬Bw=（fH-fL），計(jì)算品質(zhì)因數(shù)Q：

選定電容C的值，依據(jù)以下公式可確定帶通濾波器電阻參數(shù)。

按帶通濾波器設(shè)計(jì)要求，由上述公式計(jì)算出的電阻參數(shù)如圖2.2及2.3所示。

3.電路特性仿真與測(cè)試

3.1 帶通濾波器特性的仿真

電路采用Multisim 11.0進(jìn)行了仿真。輸入帶通濾波器的脈沖信號(hào)頻率為9.03kHz時(shí)，從中心頻率為的帶通濾波器輸出端獲得的仿真波形圖如圖3.1（a）所示;從中心頻率為的兩級(jí)帶通濾波器輸出端獲得的仿真波形圖如圖3.1（b）所示。從形圖可看出，電路仿真輸出的正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ波形質(zhì)量較好。

電路產(chǎn)生的正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ的傅里葉級(jí)數(shù)展開與仿真結(jié)果情況如表3.1所示。（假設(shè)脈沖信號(hào)的頻率f=9.03kHz，峰-峰值VOPP=1031mV）。

從表可看出：電路仿真輸出的正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ波形的頻率與脈沖信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)展開式中得到的正弦信號(hào)頻率相等，但它們的幅值有一定的差異。因?yàn)槔碚撚?jì)算的電阻參數(shù)有效位數(shù)較多而在仿真設(shè)計(jì)取整近似以便元件的選擇。從而使仿真電路電阻值與設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生差異，從而導(dǎo)致電路放大倍數(shù)與設(shè)計(jì)要求有差別。

表3.1 電路產(chǎn)生的正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ的傅里葉級(jí)數(shù)展開與仿真結(jié)果情況

3.2 電路特性的測(cè)試

調(diào)整NE555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩電路使其輸出峰-峰值約為1V，頻率為9.03kHz，占空比為50%的脈沖信號(hào)送到帶通濾波器的輸入端，中心頻率為的帶通濾波器輸入、輸出端觀察到的波形如圖3.2（a）所示;中心頻率為的兩級(jí)帶通濾波器輸入、輸出端觀察到的波形如圖3.2（b）所示（數(shù)字波器：UNI-T UT2202C 200MHz;電源：YB1731A 3A;電路輸出端帶600Ω純電阻負(fù)載）。從觀察到的波形。

可看出，電路產(chǎn)生的正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ波形質(zhì)量較好。

電路產(chǎn)生的正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ的傅里葉級(jí)數(shù)展開與實(shí)測(cè)結(jié)果情況如表3.2所示。（假設(shè)脈沖信號(hào)的頻率f=9.03kHz，峰-峰值VOPP=1031mV）。

表3.2 電路產(chǎn)生的正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ的傅里葉級(jí)數(shù)展開與實(shí)測(cè)結(jié)果情況

圖4 電路實(shí)物圖

從表3.2可看出：電路輸出的正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ波形的頻率與脈沖信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)展開式中得到的正弦信號(hào)頻率和峰-峰值均有一些差異，但頻率差異較小，幅值差異較大。因?yàn)槔碚撚?jì)算的電阻、電容參數(shù)與實(shí)際電路中選擇的元器件參數(shù)有一定的差異及其電路分布電感與電容的影響，導(dǎo)致電路帶通濾波器的中心頻率及中心頻率處的放大倍數(shù)與設(shè)計(jì)要求有定的差別。

4.結(jié)論

1）基于脈沖信號(hào)（方波）產(chǎn)生正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ（基波Ⅰ：9kHz，三次諧波Ⅲ：27kHz，┅，）是可行的，且產(chǎn)生的正弦信號(hào)波形質(zhì)量較好。

2）電路輸出的正弦信號(hào)Ⅰ、Ⅲ的頻率與脈沖信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)展開式中得到的正弦信號(hào)頻率和峰-峰值基本一致，頻率差異較小，幅值差異稍大，該設(shè)計(jì)證明了脈沖信號(hào)（方波）傅里葉級(jí)數(shù)展開式的正確性。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上不難看出，改波形的獲取過程中，是與傅里葉變換是一致的，能從方波中濾出基波、三次諧波甚至是其他頻率的諧波分量。其頻率是與傅里葉變換的頻率相一致，其幅值與傅里葉變換的幅值相近，當(dāng)然誤差存在的，是本文的不足之處。該實(shí)驗(yàn)也從側(cè)面的基本論證傅里葉級(jí)數(shù)。

3）設(shè)計(jì)中采用了Multisim 11.0進(jìn)行了仿真，本文對(duì)正弦信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

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國(guó)家級(jí)物理學(xué)（師范類）特色專業(yè)項(xiàng)目（TS12467）;云南省基金（2009CD097）;楚雄師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：

李順江，現(xiàn)就讀于楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)院 2011級(jí)電子信息與科學(xué)技術(shù)專業(yè)。

李家旺，楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)院副教授，從事光譜分析與電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作。