电子系统综合设计与训练.doc

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1、电 子 系 统 综 合 设 计 与 训 练指 导 书编者：陈巍 曾宪阳 陆欣云南京工程学院工程基础实验与训练中心前言：本课程是南京工程学院工程基础实验与训练中心系统集成专业、自动化学院相关专业课程体系与内容的教学改革的产物，是组成南京工程学院电工电子类专业技术基础课平台课程的课程之一，也是最重要的的一门实践性课程。其目的是通过以工程实践或社会生活为背景的综合电子系统的研究、设计与实现，使学生能将已学过的模拟电路、数字电路与EDA技术、微机原理、单片机、嵌入式系统等多门课程知识综合运用于电子系统的设计中，从而培养学生知识综合应用及电子系统设计的能力，这是在所有实践性课程中最具活力，最能培养学生的

2、自主学习与实践能力、培养学生创新思维的课程之一。在教学中可以根据学生兴趣爱好及所在的各学科专业的实际要求，选择不同的实践课题。授课方式：本课程是研讨型实践课程，采用教师授课、自主学习与研究、演讲与讨论、设计与实践、答辩与验收等多种教学方式。课程学时：课内总学时120学时，其中：授课10学时，专题讲座10课时，讨论40课时，实践60学时（实践2课时作1学时）；课内外学时比例：1:1适合范围：电类专业本科生先修课程：大学物理（含半导体器件物理）、电路分析基础、电子技术基础（模拟、数字）、单片机技术或嵌入式系统。第一部分：模拟电子技术、数字电子技术混合设计项目项目一 、正弦信号产生、转换计数显示电路

3、的设计【项目内容】设计一个数模混合系统，包括信号的产生、转换、脉冲计数、译码、显示等。电路应实现的具体功能与技术指标如下：1. 基本要求(1) 设计一个正弦信号产生电路，要求输出信号频率可调。频率范围为5001000Hz。(2) 设计一个正弦转方波变换电路，要求方波输出为TTL电平。(3) 设计一个分频器，要求能够对方波脉冲信号进行分频(4) 设计一个计数、译码、显示电路，要求能够对分频后的脉冲信号进行计数，并显示计数脉冲个数，用三位数码管显示。2. 提高要求（5） 完成分频器电路分频系数可控。（6） 对正弦信号产生电路输出的信号实现信号放大和衰减。4 发挥部分（7）实现对方波信号频率的测量【

4、项目目的】1. 了解项目过程：学习、设计、实现、分析、总结。2. 系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路及单片机的知识，在单元电路设计的基础上，利用EWB或者Multisim，Protel软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。3. 通过设计、调试等环节，增强独立分析与解决问题的能力。【项目要求】1. 项目要求：(1)根据项目内容、技术指标及项目室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。(2)利用EDA软件进行仿真，并优化设计。(3)实际搭试所设计电路，使之达到设计要求。(4)按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，分析电路性能指标。(5)撰写

5、项目报告。2. 说明要求先用软件设计并仿真，然后硬件实现。【教学指导】1. 明确设计任务要求, 确定总体方案对系统的设计任务进行具体分析，充分理解题目的要求、每项指标的含义。针对系统提出的任务、要求和条件，查阅资料，广开思路，提出尽量多的不同方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选取合适的方案。将系统分解成若干个模块，明确每个模块的功能、各模块之间的连接关系以及信号在各模块之间的流向等等。构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理、各单元电路的功能、信号的流向及各单元电路间的关系。2. 基本要求部分电路工作原理正弦波发生电路可以选用RC正弦波振荡电路，正弦波方波转换电路可选用

6、电压比较器电路来实现，脉冲分频电路可以选用计数器或移位寄存器来实现，脉冲计数应选用典型常用的计数器，如：74LS160、74LS161、74LS163等，译码显示部分采用驱动共阴数码管的显示译码器74LS48和共阴数码管SM4205。3. 提高部分电路工作原理根据题目的提高部分的要求，分频系数可控可以用手动设置跳线或者使用拨码开关来实现。信号放大或衰减可以选用通用型运放741来实现。4. 计算机仿真优化系统的实现方案、电路设计以及参数计算和元器件参数基本确定后，先利用Multisim软件对设计的单元电路进行仿真，优化调整电路结构和元器件参数，直至达到指标要求。然后再将各单元电路连接起来仿真，看

7、总体指标是否达到要求、各模块之间配合是否合理、信号流向是否顺畅，如果发现有问题，还要重新审视各部分电路的设计，进一步调整，改进各部分电路的设计和连接关系，这一过程可能要反复多次，直到计算机仿真结果证明电路设计确实正确为止。自拟测试表格，要求能将各个单元电路、总体电路的特性完整表示出来。5. 硬件安装、调试与测量安装：根据设计的电路在面包板或项目箱上搭试电路调试：分层次进行，先单元电路，再模块电路，后系统联调。测试：按自拟表格进行性能测试，并与仿真值做对比，分析之间的异同及原因。【报告要求】1. 项目项目名称。2. 项目内容及要求分析项目的功能与性能指标。3. 电路设计，包括：(1) 电路设计思

8、想，电路结构框图与系统工作原理。(2) 各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明。(3) 电路的仿真与优化。4. 画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。5. 制定项目测量方案。6. 安装调试，包括：(1) 使用的主要仪器和仪表。(2) 调试电路的方法和技巧。(3) 测试的数据和波形并与设计结果比较分析。(4) 调试中出现的故障、原因及排除方法。6. 总结(1) 阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法。(2) 总结设计电路和方案的优缺点。(3) 指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。(4) 项目的收获和体会。7. 列出系统需要的元器件清单。8. 参考文献。【项目考核】1.

9、项目考察内容：(1) 电路图与原理分析。(2) 电路仿真运行结果。(3) 硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析。(4) 项目报告。2. 项目结束需要提交的材料：(1) 仿真电路图(2) 硬件实物(3) 项目报告【提供主要器件】运放uA741、74LS160、74LS161、74LS163、74LS194及部分电阻电容等项目二、锯齿波信号产生、转换计数显示电路的设计【项目内容】设计一个数模混合系统，包括信号的产生、转换、脉冲计数、译码、显示等。电路应实现的具体功能与技术指标如下：3. 基本要求(5) 设计一个锯齿波信号产生电路，要求输出信号频率可调。频率范围为5001000Hz。(6) 设计一

10、个锯齿波转方波变换电路，要求方波输出为TTL电平。(7) 设计一个分频器，要求能够对方波脉冲信号进行分频(8) 设计一个计数、译码、显示电路，要求能够对分频后的脉冲信号进行计数，并显示计数脉冲个数，用三位数码管显示。4. 提高要求（5） 完成分频器电路分频系数可控。（6） 对锯齿波信号产生电路输出的信号实现信号放大和衰减。5 发挥部分（7）实现对方波信号频率的测量【项目目的】4. 了解项目过程：学习、设计、实现、分析、总结。5. 系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路及单片机的知识，在单元电路设计的基础上，利用EWB或者Multisim，Protel软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值

11、的电子电路。6. 通过设计、调试等环节，增强独立分析与解决问题的能力。【项目要求】3. 项目要求：(1)根据项目内容、技术指标及项目室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。(2)利用EDA软件进行仿真，并优化设计。(3)实际搭试所设计电路，使之达到设计要求。(4)按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，分析电路性能指标。(5)撰写项目报告。4. 说明要求先用软件设计并仿真，然后硬件实现。【教学指导】6. 明确设计任务要求, 确定总体方案对系统的设计任务进行具体分析，充分理解题目的要求、每项指标的含义。针对系统提出的任务、要求和条件，查阅资料，广开思路，提出尽

12、量多的不同方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选取合适的方案。将系统分解成若干个模块，明确每个模块的功能、各模块之间的连接关系以及信号在各模块之间的流向等等。构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理、各单元电路的功能、信号的流向及各单元电路间的关系。7. 基本要求部分电路工作原理锯齿波发生电路可以选用两个运放构成，锯齿波方波转换电路可选用电压比较器电路来实现，脉冲分频电路可以选用计数器或移位寄存器来实现，脉冲计数应选用典型常用的计数器，如：74LS160、74LS161、74LS163等，译码显示部分采用驱动共阴数码管的显示译码器74LS48和共阴数码管SM4205。8.

13、 提高部分电路工作原理根据题目的提高部分的要求，分频系数可控可以用手动设置跳线或者使用拨码开关来实现。信号放大或衰减可以选用通用型运放741来实现。9. 计算机仿真优化系统的实现方案、电路设计以及参数计算和元器件参数基本确定后，先利用Multisim软件对设计的单元电路进行仿真，优化调整电路结构和元器件参数，直至达到指标要求。然后再将各单元电路连接起来仿真，看总体指标是否达到要求、各模块之间配合是否合理、信号流向是否顺畅，如果发现有问题，还要重新审视各部分电路的设计，进一步调整，改进各部分电路的设计和连接关系，这一过程可能要反复多次，直到计算机仿真结果证明电路设计确实正确为止。自拟测试表格，要

14、求能将各个单元电路、总体电路的特性完整表示出来。10. 硬件安装、调试与测量安装：根据设计的电路在面包板或项目箱上搭试电路调试：分层次进行，先单元电路，再模块电路，后系统联调。测试：按自拟表格进行性能测试，并与仿真值做对比，分析之间的异同及原因。【报告要求】4. 项目项目名称。5. 项目内容及要求分析项目的功能与性能指标。6. 电路设计，包括：(1) 电路设计思想，电路结构框图与系统工作原理。(2) 各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明。(3) 电路的仿真与优化。7. 画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。8. 制定项目测量方案。9. 安装调试，包括：(1) 使用的主要仪器和仪

15、表。(2) 调试电路的方法和技巧。(3) 测试的数据和波形并与设计结果比较分析。(4) 调试中出现的故障、原因及排除方法。9. 总结(5) 阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法。(6) 总结设计电路和方案的优缺点。(7) 指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。(8) 项目的收获和体会。10. 列出系统需要的元器件清单。11. 参考文献。【项目考核】3. 项目考察内容：(1) 电路图与原理分析。(2) 电路仿真运行结果。(3) 硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析。(4) 项目报告。4. 项目结束需要提交的材料：(1) 仿真电路图(2) 硬件实物(3) 项目报告【提供主要器件】运放

16、uA741、74LS160、74LS161、74LS163、74LS194及部分电阻电容等项目三、自动循迹小车（I)考察知识点：1、直流电机控制设计、电机正反转、驱动控制；2、光电传感器的原理及应用设计、循迹模块设计；3、计数器的应用设计； 4、数码管显示电路设计；5、直流稳压电源设计；6、学会使用protel99se绘制电路原理图、PCB图，学会制作电路板，掌握焊接技术；7、掌握Multisim仿真软件、Proteus仿真软件的使用；8、掌握数字电路、模拟电路综合设计与调试。设计周期：3周一、设计任务如图1所示，设计并制作一小车，能按预定轨迹行驶，小车检测到起跑线后开始计时，自动循迹行驶一周

17、后回到起跑线停止行驶并停止计时。小车可用玩具汽车改装，但不可人工遥控行驶（包括有线和无线遥控）。要求使用数字、模拟电路控制设计。图1黑色轨迹宽度约1.5cm，可用黑色绝缘胶带代替，轨迹两边贴有白纸，在轨迹的某位置设有一起跑线，如图1所示。二、参考电路框图三、设计要求1基本要求（1）循迹功能：小车从起跑线出发，能自动循迹一周再回到起跑线且停止在起跑线上；（2）计时功能：小车能记录全程行驶时间，并实时显示在数码管上。2发挥部分（1）小车检测到起跑线后开始计时，循环一周后再次检测到起跑线停止计时；（2）计时时间误差尽可能小；（3）检测到起跑线后发出声光报警信号；（4）其它特色与创新。四、评分标准项目

18、与指标 满分 （100分）基本 要求 设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。10完成基本要求（1）25完成基本要求（2）25发挥 部分 完成发挥部分第（1）项10完成发挥部分第（2）项10完成发挥部分第（3）项10完成发挥部分第（4）项10五、说明（1）不允许在跑道内外区域另外设置任何标志或检测装置；（2）车辆（含在车体上附加的任何装置）外围尺寸的限制：长度35 cm，宽度15cm；（3）小车行驶电源需自行设计直流电源；（4）必须使用数字、模拟电路设计；项目四、自动往返小车（II）考察知识点：1、掌握数字电路、模拟电

19、路综合设计与调试；2、直流电机控制设计、电机正反转、驱动控制；3、计数器的应用设计；4、数码管显示电路设计；5、直流稳压电源设计；6、学会使用protel99se绘制电路原理图、PCB图，学会制作电路板，掌握焊接技术；7、掌握Multisim仿真软件、Proteus仿真软件的使用。设计周期：3周一、设计任务设计并制作一小车，能前进一定的时间，然后返回，在行驶过程中，小车能实时显示行驶时间。小车可用玩具汽车改装，但不可人工遥控行驶（包括有线和无线遥控）。要求使用数字、模拟电路控制设计。二、参考电路框图三、设计要求1基本要求（1）往返功能：电路能按一定的时间驱动小车前进、后退，并一直循环；（2）计

20、时功能：小车能记录全程行驶时间，并实时显示在数码管上。2发挥部分（1）能设定小车往返循环次数，循环完毕小车停车；（2）计时时间误差尽可能小；（3）前进与后退过程中小车发出不同的声光报警信号；（4）其它特色与创新。四、评分标准项目与指标 满分 （100分）基本 要求 设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。10完成基本要求（1）25完成基本要求（2）25发挥 部分 完成发挥部分第（1）项10完成发挥部分第（2）项10完成发挥部分第（3）项10完成发挥部分第（4）项10五、说明（1）不允许在跑道内外区域另外设置任何标志或检

21、测装置；（2）车辆（含在车体上附加的任何装置）外围尺寸的限制：长度35 cm，宽度15cm；（3）小车行驶电源需自行设计直流电源；（4）必须使用数字、模拟电路设计。第二部分：模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术混合设计项目项目一、增益自动切换电压放大电路的设计【项目内容】设计一个电压放大电路，能够根据输入信号幅值自动切换调整增益。设输入信号频率为020KHz，其幅值范围为0.110V（峰峰值Upp）。电路应实现的功能与技术指标如下：1. 基本要求当输入为直流信号时，要求设计的电路达到以下要求：(1) 当0.5V时，电路的增益约为10倍。(2) 当0.53V时，电路的增益约为1倍。(3) 当3

22、10V时，电路的增益约为0.1倍。2. 提高要求（4）当输入为交流信号时，根据输入电压的峰峰值大小，电路增益仍满足基本要求。3 发挥部分（5）对输入电压值分档再细化；（6）采用单片机为主控单元，通过按键进行选择并且进行幅度和增益值的显示【项目目的】1. 了解项目过程：学习、设计、实现、分析、总结。2. 系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路及单片机的知识，在单元电路设计的基础上，利用EWB或者Multisim，Proteus软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。3. 通过设计、调试等环节，增强独立分析与解决问题的能力。【项目要求】1. 项目要求：(1)根据项目内容、技术指标及

23、项目室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。(2)利用EDA软件进行仿真，并优化设计。(3)实际搭试所设计电路，使之达到设计要求。(4)按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，分析电路性能指标。(5)撰写项目报告。2. 说明要求先用软件设计并仿真，然后硬件实现。【教学指导】1. 明确设计任务要求, 确定总体方案对系统的设计任务进行具体分析，充分理解题目的要求、每项指标的含义。针对系统提出的任务、要求和条件，查阅资料，广开思路，提出尽量多的不同方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选取合适的方案。将系统分解成若干个模块，明确每个模块的功能、各模

24、块之间的连接关系以及信号在各模块之间的流向等等。构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理、各单元电路的功能、信号的流向及各单元电路间的关系。2. 基本要求部分电路工作原理将直流信号加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行分档比较，对应某一输入电压值，只有相应的一个比较电路输出为高电平（或低电平），其余比较器输出为低电平（或高电平）。根据比较器的输出状态，通过模拟开关的控制，选择相应的增益。3. 提高部分电路工作原理根据题目的提高部分的要求，交流信号幅值取样电路可以采用峰值取样或整流滤波取平均值的方法。【项目方案】1. 各模块电路设计及参数选择(1) 输入信号的幅度比较与鉴别示例如图2.1所

25、示，运放A2、A3作为电压比较器。它们的反相输入端分别接基准电压和，这两个基准电压可由及、组成的分压器获得。输入信号同时加在A2、A3的同相输入端，与和进行比较，决定它们的输出、是高电平还是低电平。用、去信号控制模拟开关的工作状态，切换反馈电阻即可实现增益的自动转换。（也可用处理器采样输入信号，根据输入信号的大小直接控制放大器的增益。）(2) 增益切换放大电路示例受模拟开关的控制，电阻-与运放A1构成增益可控的同相放大电路。模拟开关CD4052的状态受电压比较器A2、A3的控制，同相放大器A1的反馈电阻可切换为、或，则放大电路的增益分别为、和。 图1.1 增益自动切换电压放大电路原理图（最好采

26、用单片机控制进行A/D的转换，实现增益的变换与控制）2. 计算机仿真优化系统的实现方案、电路设计以及参数计算和元器件参数基本确定后，先利用Multisim软件对设计的单元电路进行仿真，优化调整电路结构和元器件参数，直至达到指标要求。然后再将各单元电路连接起来仿真，看总体指标是否达到要求、各模块之间配合是否合理、信号流向是否顺畅，如果发现有问题，还要重新审视各部分电路的设计，进一步调整，改进各部分电路的设计和连接关系，这一过程可能要反复多次，直到计算机仿真结果证明电路设计确实正确为止。自拟测试表格，要求能将各个单元电路、总体电路的特性完整表示出来。3. 硬件安装、调试与测量安装：根据设计的电路在

27、面包板或项目箱上搭试电路调试：分层次进行，先单元电路，再模块电路，后系统联调。测试：按自拟表格进行性能测试，并与仿真值做对比，分析之间的异同及原因。【报告要求】1. 项目项目名称。2. 项目内容及要求分析项目的功能与性能指标。3. 电路设计，包括：(1) 电路设计思想，电路结构框图与系统工作原理。(2) 各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明。(3) 电路的仿真与优化。4. 画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。5. 制定项目测量方案。6. 安装调试，包括：(1) 使用的主要仪器和仪表。(2) 调试电路的方法和技巧。(3) 测试的数据和波形并与设计结果比较分析。(4) 调试中出现

28、的故障、原因及排除方法。6. 总结(1) 阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法。(2) 总结设计电路和方案的优缺点。(3) 指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。(4) 项目的收获和体会。7. 列出系统需要的元器件清单。8. 参考文献。【项目考核】1. 项目考察内容：(1) 电路图与原理分析。(2) 电路仿真运行结果。(3) 硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析。(4) 项目报告。2. 项目结束需要提交的材料：(1) 仿真电路图(2) 硬件实物(3) 项目报告【提供主要器件】运放uA741、模拟开关CD4052、单片机最小系统及部分电阻电容等项目二、信号的产生、分解与合成【项目内

29、容】设计并制作一个电路使之能够产生方波，并从方波中分离出主要谐波，再将这些谐波合成为原始信号或其他周期信号。1. 基本要求（1） 设计一个方波发生器，要求其频率为1kHz，幅度为5V；（2） 设计合适的滤波器，从方波中提取出基波和3次谐波；（3） 设计一个加法器电路，将基波和3次谐波信号按一定规律相加，将合成后的信号与原始信号比较，分析它们的区别及原因。2. 提高要求（4）设计5次谐波滤波器或设计移相电路，调整各次谐波的幅度和相位，将合成后的信号与原始信号比较，并与基本要求部分作对比，分析它们的区别及原因。（5）采用单片机完成信号的产生和显示。3. 其他部分（6）用类似方式合成其他周期信号，如

30、三角波、锯齿波等。【项目目的】1. 掌握方波信号产生的基本原理和基本分析方法，电路参数的计算方法，各参数对电路性能的影响；2. 掌握滤波器的基本原理、设计方法及参数选择；3. 了解项目过程：学习、设计、实现、分析、总结。4. 系统、综合地应用已学到的电路、电子电路基础等知识，在单元电路设计的基础上，利用multisim和FilterPro等软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。5. 掌握多级电路的安装调试技巧，掌握常用的频率测量方法。6. 本项目三人一组，每人完成一个功能电路，发挥团队合作优势，完成项目要求。【项目要求】1. 项目要求：（1）根据项目内容、技术指标及项目室现有条件

31、，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。（2）利用EDA软件进行仿真，并优化设计。（3）实际搭试所设计电路，使之达到设计要求。（4）按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，分析电路性能指标。（5）撰写项目报告。2.说明要求先用软件设计并仿真，然后硬件实现。【教学指导】项目分成原理解析、功能电路设计和仿真、系统设计及仿真、连接电路并调试、项目电路测试验收、撰写研究报告等几个阶段进行。通过对设计任务中性能指标的理解，由学生自行设计电路和项目方案，经仿真研究后提交项目预习报告（课前准备），教师审核并对关键电路、参数、测量线路进行方案论证后，进入项目室搭试功能电路，并完成项目

32、参数的测量、作品验收。1. 项目前理论知识准备(1) 正确理解设计要求；(2) 复习非正弦周期函数的傅里叶分解、信号的提取、信号的移相和放大等相关理论与方法；(3) 复习带通滤波器的设计和测试技术；(4) 掌握移相器、比例加法器电路的原理、基本类型、选型原则和设计方法。2. 项目前的仿真研究：所设计的电路必须经过仿真，虚拟测试。3. 项目过程：项目电路三人一组，分工合作，先逐步完成各功能电路，并和仿真结果作对比，最终完成整个项目系统。4. 要求学生完成的工作：(1) 前期准备：利用电路理论分析该专题所涉及的原理，非正弦波形的测试技术（伏安特性测量、双通道波形测量和比较、频率特性测量、波形的FF

33、T），掌握带通滤波器、移相器、比例加法合成器的基本类型、选型原则和设计方法。(2) 电路参数设计：提供带通滤波器典型电路和参考参数，其他功能电路需要自己决定电路类型和参数设计。需要解决高次谐波提取时波形畸变的问题，解决合成后波形与原始波形比对的度量方法（作为提高部分）。电路参数设计需体现在设计报告中。(3) 功能电路的设计和项目方案论证：由学生自行选择方案进行设计，通过仿真论证设计效果和测试方案。功能电路的设计和方案论证需体现在设计报告中。(4) 对所涉及的基本电路模块（带通滤波器、移相器、比例加法器），逐个设计并仿真其功能。(5) 搭试电路，按照功能电路逐步实现，然后整体调试直至完成，最后总

34、体验收。(6) 记录测量数据并处理分析，并体现在设计报告中。(7) 项目总结。【项目方案】非正弦周期信号可以通过Fourier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。本项研究需要设计一个高精度的带通滤波器和移相器，组成选频网络，实现方波（三角波、锯齿波）Fourier分解的原理性项目，通过相互关联各次谐波的组合实现方波（三角波、锯齿波）合成的原理性项目，还可以构建信号无畸变传输的原理性项目。简易波形分解与合成仪由下述四个部分功能电路周期信号产生电路、波形分解电路（滤波器）、相位调节、幅值调节与合成电路组成。各部分原理及功能简述如下：1. 非正弦周期信号的分解与合成对某非正弦周期信

35、号，其周期为，频率为，则可以分解为无穷项谐波之和，即：上式表明，各次谐波的频率分别是基波频率的整数倍。(1) 锯齿波如果是一个锯齿波，其数学表达式为：对进行谐波分析可知：，所以即锯齿波可以分解为基波的一次、二次n次无穷多项谐波之和。其幅值分别为基波幅值的，且各次谐波之间初始相位角差为零。反过来，用上述这些谐波可以合成一个锯齿波。(2) 方波方波信号可以分解为: 由1、3、5、7等奇次波构成，次谐波的幅度值为基波幅值的倍。只要选择符合上述规律的各次谐波组合在一起，便可以近似合成相应的方波。很显然，随着谐波的增多合成后就越接近方波，但是这与方波还有一定的差距，从理论上来讲，按该方式由无穷多项满足要

36、求的谐波就可逼近方波了。以下用前2项或前3项谐波近似合成1KHz,幅值为3的方波（锯齿波或三角波）为例讨论。a 基波分量 b 基波加三次谐波c 前5次谐波相加 d 近似合成的方波图4.1 方波及其谐波将上述波形分别画在一幅图中，可以看出它们逼近方波的过程。注意“吉布斯现象”。周期信号傅里叶级数在信号的连续点收敛于该信号，在不连续点收敛于信号左右极限的平均值。如果我们用周期信号傅里叶级数的部分和来近似周期信号，在不连续点附近将会出现起伏和超量。在实际中，如果应用这种近似，就应该选择足够多的谐波次数，以保证这些起伏拥有的能量可以忽略。同理，只要选择符合要求的不同频率成分和相应的幅值比例及相位关系的

37、谐波，便可近似地合成相应的方波，锯齿波等非正弦周期波形。2. 系统设计总体设计电路应包含波形产生、分解与合成三大部分，如图4.2所示。其中，并行的滤波器电路将波形分解为1、3、5次等谐波；各部分谐波再经过移相器和加法器合成为原波形。图4.2 项目电路的总体框架图3. 滤波电路的设计(1) 通过无源电路实现带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性如图4.3所示。图4.3 无源带通滤波器其幅频、相频特性公式为式中为高通滤波器的传递函数，为低通滤波器的传递函数。有这时极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。应注意，当高、低

38、通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。同时，所需要的信号经过滤波器分离后出来后，幅度都有一定衰减。实际上，两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离并放大，所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器由调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。(2) 通过有源电路实现通过有源低通滤波器和有源高通滤波器联级实现带通滤波器：此方法可实现带通和带阻滤波器，但因为其具有离散的实极点，因此，只适合于宽带或者品质因素极低的系统设计。直接设计有源滤波器，可节省元器件，而且对于电路参数的选择与调整也带

39、来了便利。二阶带通滤波器转移函数：*有源滤波器设计中选择运算放大器主要考虑带宽、增益范围、噪声、动态范围这四个参数。(I) 带宽：当为滤波器选择运算放大器时，一个通用的规则就是确保它具有所希望滤波器频率10倍以上带宽，最好是20倍的带宽。如果设计一个高通滤波器，则要确保运算放大器的带宽满足所有信号通过。(II) 增益范围：有源滤波器设计需要有一定的增益。如果所选择的运算放大器是一个电压反馈型的放大器，使用较大的增益将会导致其带宽低于预期的最大带宽，并会在最差的情况下振荡。对一个电流反馈型运算放大器来说，增益取的不合适将被迫使用对于实际应用来说太小或太大的电阻。 (III) 噪声：运算放大器的输

40、入电压和输入电流的噪声将影响滤波器输出端的噪声。在噪声为主要考虑因素的应用里，你需要计算这些影响（以及电路中的电阻所产生热噪声的影响）以确定所有这些噪声的叠加是否处在有源滤波器可接受的范围内。(IV) 动态范围：在具有高Q值的滤波器里面，中间信号有可能大于输入信号或者大于输出信号。对操作恰当的滤波器来说，所有的这些信号必须能够通过而无出现削波或过度失真的情况。*目前已经有很多专业的有源滤波器设计软件如：德州仪器的Filter Pro、国家半导体WEBENCH 中的Active Filter Designer、Nuhertz Technologies的Filter Solutions等。这些软件

41、可以根据您的设计指标要求很快的算出电路参数，很大程度上节省了开发周期。对于两种典型二阶有源带通滤波器结构，如图4.4和图4.5所示： 图4.4 Sallen-Key带通滤波器 图4.5 Multiple-Feedback带通滤波器本次项目中使用的有源带通滤波器，其参数设计可以借助TI公司的滤波器设计专用软件Filter Pro。(3) 比例放大器、移相器与加法器i. 移相器电路考虑幅值的损失，应使得最终输入输出表达式为两个共轭复数的相除，使得模值比为1，而使输出相对源输入产生附加相移。通过可变电阻对输出的相移进行改变，输入输出比表达式应该是R的函数，即，选择图所示的电路实现移项功能。由图4.7

42、，联立方程组 解得 图4.7 0180移相电路 图4.8 -1800移相电路若选择参数=，则表达式化简为，其模为1。针对滤波器网络输出的不同频率的波形适当选择的大小，在调节的过程中大小在1左右变动实现相移。当=0时，相移为；当=时，相移为0，相移的变化范围可以满足调整的需要。同理，如图4.8，有，当=0时，相移为0；当=时，相移为-；在此项目中，取=10k，都选用100nF的电容，电位器选用1k。可以根据实际的情况来选择以上两种移项,其中第一种移相器的可移动相位角为0180，第二种移相器的可移动相位角为-1800。ii. 加法器电路加法器由简单的反相加法电路构成，其结构如图4.9所示。其中输入

43、端的电位器用于调整输入波的幅度。图1.6.9 加法器电路4. 波形合成时要调整各次谐波初始相位差验证各高次谐波与基波之间的初始相位差是否为零，方法有二：方法一，李沙育图形法。把基波送入示波器的X输入，再分别把2,37次的高次谐波送入输入，观察李沙育图形。方法二，两波叠加法。把基波分别与2,37次谐波进行叠加，观察叠加结果。注意：用此法之前必须将各高次谐波的幅值调节为基波幅值的，当各次谐波与基波之间的初始相位差不为零时，需再次调节可调移相器中的电位器，微调，。【报告要求】需要学生在项目报告中反映在项目中所做的工作，如：1. 理论推导计算；2. 电路参数设计；3. 项目方案论证和功能电路的设计；4

44、. 功能电路仿真；5. 项目过程步骤；6. 项目数据测量记录、处理和分析；7. 项目结果分析，项目总结。【项目考核】1. 教师现场测试系统功能。2. 评阅项目总结报告。【提供主要器件】运放uA741、OPA820、单片机最小系统及部分电阻电容等项目三、有限带宽放大器【项目内容】设计制作有限带宽的低噪声放大器，放大器输出端为50阻性负载。1.基本要求（1）放大器电压增益40dB(100倍)，并尽量减小带内波动；（2）在最大增益下，放大器下限截止频率不高于20Hz，上限截止频率不低于3MHz；（3）信号频率大于上限截止频率后，增益随频率的衰减斜率为-40db/十倍频或更陡；（4）在输出负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值10V。2.提高要求（5）在电压增益达到40dB的基础上，提高放大器上限截止频率，使之不低于5MHz，信号频率大于上限截止频率后，增益随频率的衰减斜率为-40db/十倍频或更陡；尽可能降低放大器的输出噪声；（6）放大器输入为正弦波时，可测量并数字显示放大器输出电压的峰峰值和有效值，输出电压（峰峰值）测量范围为0.5V到最大不失真输出电压，测量相对误差小于5%；3.发挥部分（7）对输入电压增益分档再细化；（8）采用单片机为主控单元，通过按键进行选择并且进行幅度和增益值的显示【项目目的】1.了解项目过程：学习、设计、实现、分析、总结。2.系统