电子电路中信号的频率分解与合成的实现

王雯婕

摘要：本文所研究的电子电路中信号的频率分解与合成是指通过产生不同频率和幅值的正弦信号，并将这些信号合成为近似的方波和三角波，构成了信号波形合成电路。所设计的系统主要由6个部分构成：方波振荡电路;分频电路;窄带通滤波电路;由双运放LM318构成的移相电路;加法器合成电路;三角波合成电路;在本设计中，方波振荡电路可产生300KHZ频率的方波，经过分频电路和隔直电容以后成为双极性方波。再经过滤波和放大以后得到了所需的各次谐波，其经过移相电路之后初相位相同，即可通过加法器合成为近似的方波和三角波。

关键词：分频电路;波形合成;带通滤波;电子电路;集成运放

中图分类号：TN97 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2020）09-0044-01

1 背景原理

信号的两种不同的描述方式分别为信号的时域特性和频域特性。周期为T的一个时域周期信号f（t），可以展开为三角形式的傅里叶级数从而求出它的不同频率的各次分量，包括直流分量及许多余弦分量和正弦分量，进而可以研究其频谱分布情况。

在电子电路中进行信号分解和提取是滤波系统的一项基本任务，当我们仅对信号的某些分量感兴趣时，可以利用选频网络即滤波器，提取其中有用的部分，而将其它部分过滤掉。

2 各环节设计

2.1方波发生器设计方案。方案一：采用分立元件来实现非稳态的多谐振振荡器，然后根据需要加入积分电路等构成正弦波、矩形波、三角等波形发生电路。这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，相位也不一致，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。

方案二：利用晶体振荡电路来产生固定频率的方波。晶振构成的振荡电路品质优良，产生的信号频率精确，无需考虑额外配件和匹配问题。但晶体振荡器的频率一般很高，而且不能调节，因此对后级分频电路要求很高，电路复杂、元件多、成本高。

方案三：采用555振荡电路或函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。波形的频率可以通过调节555定时器电路的外接滑动变阻器来进行调节。该电路成本低廉，频率可调，电路灵活方便，结构简单，稳定性好，低功耗，输入阻抗高，上升沿陡等的特点，不用依靠单片机，故选择此方案。

2.2分频电路模块设计方案。方案一：利用编程来实现分频电路设计。其原理与集成计数器原理相同，计数器实质是对输入的驱动时钟进行计数，所以计数器在某种意义上讲，等同于对时钟进行分频。但此方案分频得到的时钟可能会有不稳定或出现毛刺的现象，只能适用于对时钟要求不高的基本设计，以及对于整数分频来说可以很容易地用计数器来实现。

方案二：通过数字电路实现分频电路。由待分频的信号时钟边沿触发集成计数器计数，不断循环下去，通过这种方法可以实现任意的整数分频电路。因此我们选择方案二作为系统的分频方案。

2.3选频网络模块设计方案。方案一：使用RC构建低通滤波器或是使用LC滤波器构建带通滤波器。

方案二：以集成运放LM318为核心的有源滤波电路，成本低，输出阻抗低，所需元件少，结构简单，且电路输入阻抗高、并有专门的设计软件。用集成运放LM318和RC网络组成的二阶有源滤波电路器的滤波效果更好，幅频相应更接近理想特性，此外，它还具有一定的增益。因此选择方案二。

2.4移相電路模块设计方案。方案一：采用RC移相电路。RC移相电路主要是运用了电容的电流超前电压90度这一特性。采用RC移相电路输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等。

方案二：利用双运放LM318设计移相电路。此电路主要也运用了电容的电流超前电压90度这一特性，由于结合了集成运放的有源电路，所以其不是单纯的无源电路。该电路性能稳定、体积小、成本低，由它组成的移相电路具有输出阻抗低、输入阻抗高、电路简单、工作可靠、适应性强、波形好等优势，而且可以提供180°的相移，还兼有缓冲和放大的作用，因此选择方案二。

2.5波形合成模块设计方案。方波信号经过波形移相和变换后，其输出幅度将有不同程度的衰减，在进行信号合成前，各波形（各分量）的幅度和相位都要进行按规定调节好，调整到规定比例，才能合成为新的合成信号，而且理论上分解前的原始信号和合成后的信号应该相同。

本文中系数矫正电路采用的是反向比例运算电路，实现幅度调整。通过比例调节后讲各波形加到一个加法器组成的叠加电路中，采用反向加法运算实现信号合成，实现所要达到的相应的波形。

3 测试及结果分析

调节移相电路，使三个波形同相送入加法器，用示波器观察其合成输出。为更好的进行系统调试与测试，本系统在以下位置留有测试点：

（1）波器输出端，用以测试滤波器幅频特性和相频特性。

（2）移相器输出端，用以测试移相器性能并测试信号幅度。

（3）信号合成加法器端，用以测试合成方波与三角波的幅度、相位与失真。

4 结语

本文通过讨论频率分解与合成电路中各模块的设计方案，比较其优缺点、可行度和实现成本等等不同方面，选择最佳方案实现构成了信号波形合成电路。即由信号发生器产生的方波分解为不同频率和幅值的正弦信号，并将这些信号合成为近似的方波和三角波。所设计的系统主要由6个部分构成：方波振荡电路;分频电路;窄带通滤波电路;移相电路;加法器合成电路;三角波合成电路;在本设计中，方波振荡电路可产生300KHZ频率的方波，经过分频电路和隔直电容以后成为双极性方波。再经过滤波和放大以后得到了所需的各次谐波，其经过移相电路之后初相位相同，即可通过加法器合成为近似的方波和三角波。

参考文献：

[1]邹学玉，佘新平等.模拟电路设计仿真测试.电子工业出版社，2014.01.

[2]宣宗强等.电路、信号与系统实验教程.西安电子科技大学出版社，2014.08.