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第二章 信号处理电路的系统方案

2.1系统方案介绍

整个电路由两大部分电路组成，第一部分为信号产生，产生一个频率为2kHz正弦波和10Hz的方波。第二部分为信号处理，将产生的正弦波和方波叠加，并设计滤波电路，滤除叠加波中的方波而输出正弦波。

2.2系统框图

系统框图如图2-1所示。通过框图，可以清晰的看出系统的各个模块的功能。

正弦波产生电路

求和叠加电路 二阶有源滤波放大电路 方波产生电路

图2-1 系统框图

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第三章 信号产生电路的分析及设计

3.1正弦波产生电路的分析及设计

3.1.1正弦波振荡电路原理

正弦波振荡电路是一个没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路。正弦波振荡电路也称为正弦波振荡器，其实质是放大器引正反馈的结果。正弦波振荡电路一般由放大电路、选频网络、正反馈电路、稳幅环节四部分组成。选频网络通常不是独立存在，有时和正反馈网络合二为一，有时和放大电路合二为一。其基本原理如下：

在直流电源闭合的瞬间，频率丰富的干扰信号串入振荡电路的输入端，经过放大后出现在电路的输出端，但是由于幅值很小而频率又杂，不是所要求的信号。此信号再经过选频及正反馈网络把某一频率信号筛选出来（而其他信号被抑制），再送回放大电路的输入端，整个电路的回路增益应略大于1，这样不断循环放大，得到失真的输出信号，最后经稳幅环节可输出一个频率固定、幅值稳定的正弦波信号。

3.1.2设计方案及比较

正弦波振荡电路的类型根据选频网络的组成元件可大致分为RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路、石英晶体正弦波振荡电路三种。其中RC正弦波振荡电路一般用来产生1Hz到1MHz范围内的低频信号，而LC和石英晶体正弦波振荡电路则一般用来产生1MHz以上的高频信号。

对于产生高频信号的LC正弦波振荡电路，主要有变压器耦合式LC振荡器和三点式LC振荡器两大类。其中变压器耦合式LC振荡器又可分为共发射极LC振荡器和共基极LC振荡器；而三点式LC振荡器又可分为电感三点式LC振荡器和电容三点式LC振荡器。而对于产生低频信号的RC正弦波振荡电路，主要有RC文氏桥振荡电路和双T型RC振荡电路两类。

RC正弦波振荡电路没有LC正弦波振荡电路那样尖锐的选择性，振荡波形没有LC振荡器那样纯，但RC网络简单、便宜。RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下，LC 振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡(几百千赫以上)。由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。根据本设计的设计要求，产生2kHz的正弦波，选用RC文氏桥式振荡电路便能达到设计要求。

3.1.3正弦波产生电路的实现方案

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图3-1 RC文氏桥式振荡电路原理图

如图3-1所示，RC串并联构成选频网络，其中R1与R2阻值相等，均为8k，C1与C2容值相等，均为0.01uF,R3和R4构成反馈网络，R4阻值取2k,R5、D1、D2构成稳幅电路，R4阻值取2k,调节R3可改变反馈系数，从而改变放大电路的电压增益满足振荡的幅度条件，二极管利用其稳压特性来限制输出幅度，改善输出波形，避免失真。

由图所示RC串并联电路令

1j?C1Z1?R1?1R2?j?C2Z2?1R2?j?C2

其中 R2=R1=R , C2=C1=C 令

Fv?。V2V1其中,V2为运放正相端的电压，V1为运放的输出电压， 则得

Fv?。1Z2j?RC?= (3-1)

Z1?Z2（1-?2R2C2）?3j?RC3?j(?RC-1)?RC 第7页

当上式分母中虚部系数为零时，RC串并联网络的相角为零。满足这个条件的频率可由式(3-1)求出：

11或f0? （3-2） ?0?RC2?RC将（3-2）代入（3-1）中有

Fv?。1??3?j（-0）?0? （3-3）

由式（3-3）可知，当 ???0?幅频响应的幅值为最大，即

。1Fv?

3而相频响应的相位角为零。

起振条件：|A·F|≥1 ，A≥3，其中，A为放大电路的增益，F为反馈系数。

图3-1中两个二极管的作用是起稳定幅度的作用，利用二极管导通电阻的非线性可控制负反馈的强弱，从而控制放大器电压放大倍数以达到稳定幅度的目的。当震荡刚建立时，振幅较小，流过二极管的电流也小，其正向电阻大，负反馈减弱，保证了起震时振幅增大；但当振幅过大时，其正向电阻变小，负反馈加深，保证了震幅的稳定。也可以用其它的非线性元件来自动调节反馈的强度，以稳定震幅。如：热敏电阻，场效应管等。

电路仿真结果如图3-2所示

11或f0? （3-4） RC2?RC

图3-2正弦波输出

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3.2方波产生电路的分析及设计

多谐振荡方波发生器在各理工科实验中具有广泛的应用，同时在生活中的数字设备、家用电器、电子玩具等许多领域也有需求。方波信号是一种应用极为广泛的信号，它在科学研究、工程教育及生产实践中的使用非常普遍。它通常作为为标准信号，应用于电子电路的性能试验或参数测量。另外，在许多测试仪中也需要用标准的方波信号检测一些物理量。所以研究多谐振荡方波发生器具有非常重要的现实意义。本节设计是基于555定时器设计方波产生电路

3.2.1 555定时器的电路结构和逻辑功能

图3-3 555定时器的电路结构

由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。它的各个引脚功能如下：

1脚：GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5～16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3～18V。一般情况下选用5V。

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