CN208367996U

CN208367996U - 一种用于将中低频带小信号分离的实验教学装置

Info

Publication number: CN208367996U
Application number: CN201721580707.XU
Authority: CN
Inventors: 余发军; 路向阳; 李瑞鑫; 甘有德; 郭士成
Original assignee: Zhongyuan University of Technology
Current assignee: Zhongyuan University of Technology
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2027-11-23

Abstract

本实用新型公开了一种用于将中低频带小信号分离的实验教学装置，包括信号叠加单元、信号移相单元、信号滤波单元和电源单元，电源单元给信号叠加单元、信号移相单元和信号滤波单元供电；所述信号叠加单元，用于接收两路正弦输入信号进行叠加后合成一路混合信号；所述信号移相单元，用于接收混合信号并将混合信号进行移相得到移相信号；所述信号滤波单元，用于接收移相信号并进行滤波得到滤波后的分离信号。整个过程硬件实现，每个步骤都可让学生直观观察到信号的波形，增加了实验的灵活性，有利用学生理解信号分离原理，提供了实验的可操作性，具有推广使用的价值。

Description

一种用于将中低频带小信号分离的实验教学装置

技术领域

本实用新型属于信号分离技术领域，具体涉及一种用于将中低频带小信号分离的实验教学装置。

背景技术

信号分离技术是将两种或两种以上信号彼此分离的技术，是分离信号源与噪声的主要技术手段之一。频率小于100KHz的中低频小信号是广泛存在于自然界中，因此，研究中低频带小信号分离技术在信息提取及模式识别等领域具有重要意义。一个完整的信号分离系统应包括信号采集单元、信号处理单元和信号分离单元及相应的分离算法。

现有的电子技术课程或信号分析课程的实验教学装置中，往往包含可调信号发生器、运算放大器，少数包含频谱分析等模块。而对于信号分离这一知识点，实验教学中多借助于虚拟仪器仿真软件演示两种或两种以上信号源的分离步骤，由于仿真软件与实际操作实验装置具有一定的差距，因此，通过仿真软件得到的仿真结果与真实情况具有一定的误差。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于将中低频带小信号分离的实验教学装置，利用现有实验台中可调信号发生器产生两路中低频小信号，通过本实用新型中的信号叠加单元、信号移相单元和信号滤波单元，使信号分离的原理通过实验演示清楚，克服了现有实验教学装置中依赖仿真软件的缺陷，具有可操作性强的优点，使信号分离知识点通过本实验装置展现出来。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种用于将中低频带小信号分离的实验教学装置，包括信号叠加单元、信号移相单元、信号滤波单元和电源单元，电源单元给信号叠加单元、信号移相单元和信号滤波单元供电；所述信号叠加单元，用于接收两路正弦输入信号进行叠加后合成一路混合信号；所述信号移相单元，用于接收混合信号并将混合信号进行移相得到移相信号；所述信号滤波单元，用于接收移相信号并进行滤波得到滤波后的分离信号。

所述信号叠加单元包括第一OP27运算放大器，第一OP27运算放大器的负极输入端经电阻R2与正弦输入信号P2连接、经电阻R1与正弦输入信号P1连接，且第一OP27运算放大器的负极输入端经电阻R4与第一OP27运算放大器的输出端连接；第一OP27运算放大器的正极输入端经电阻R3接地；第一OP27运算放大器的第一电源端接电源单元的+5V电源连接；第一OP27运算放大器的第二电源端接电源单元的-5V电源连接；第一OP27运算放大器的输出端分为两路，一路与信号移相单元连接；另一路作为备用端口。

所述信号移相单元包括第二OP27运算放大器和第三OP27运算放大器，第二OP27运算放大器的正极输入端经电容C1与第一OP27运算放大器的输出端连接，且在电容C1和第二OP27运算放大器的正极输入端之间连接有接地电阻R7；第二OP27运算放大器的负极输入端经电阻R5与第一OP27运算放大器的输出端连接，且第二OP27运算放大器的负极输入端经电阻R6与第二OP27运算放大器的输出端连接；第二OP27运算放大器的第一电源端接电源单元的+5V电源连接；第二OP27运算放大器的第二电源端接电源单元的-5V电源连接；第二OP27运算放大器的输出端分为两路，一路经电阻R8与第三OP27运算放大器的负极输入端连接；另一路经可调变阻器R9与第三OP27运算放大器的正极输入端连接，且在可调变阻器R9与第三OP27运算放大器的正极输入端之间连接有接地电容C2；第三OP27运算放大器的第一电源端接电源单元的+5V电源连接；第三OP27运算放大器的第二电源端接电源单元的-5V电源连接；第三OP27运算放大器的输出端经电阻R11后分为两路，一路与信号滤波单元连接，另一路经电阻R10与第三OP27运算放大器的负极输入端连接。

所述信号滤波单元，包括数字信号控制器和有源滤波器，数字信号控制器的输入端与第三OP27运算放大器的输出端连接，数字信号控制器的输出端与有源滤波器的输入端连接，有源滤波器的输出端得到所需的滤波分离信号。

所述数字信号控制器的输入端还分别与复位电路、时钟源和JIAG接口连接。

所述数字信号控制器的型号为TMS320F28234；所述有源滤波器的型号为MAX262。

所述电源单元包括变压器、整流桥、稳压芯片LM7805和稳压芯片LM7905，变压器的初级线圈与交流电源220V连接；所述整流桥包括第一二极管D1、第二电极管D2、第三电极管D3和第四电极管D4；第一二极管D1的负极与变压器次级线圈的一端连接，第二二极管D2的负极与变压器次级线圈的另一端连接；第一二极管D1的正极与第二二极管D2的正极连接后与稳压芯片LM7805的Vin管脚连接，在第二二极管D2的正极与稳压芯片LM7805的Vin管脚之间并联设置有接地电容C3和接地电容C4；稳压芯片LM7805的Gnd管脚接地，稳压芯片LM7805的+5V管脚与正电源接线排的一个接口连接，在稳压芯片LM7805的+5V管脚与正电源接线排的一个接口之间并联连接有接地电容C7和接地电容C8；正电源接线排的另一个接口接地；第三二极管D3的正极与变压器次级线圈的一端连接，第四二极管D4的正极与变压器次级线圈的另一端连接，第三二极管D3的负极与第四二极管D4的负极连接后与稳压芯片LM7905的Vin管脚连接，在第四二极管D4的负极与稳压芯片LM7905的Vin管脚之间并联设置有接地电容C5和接地电容C6；稳压芯片LM7905的Gnd管脚接地；稳压芯片LM7905的-5V管脚与负电源接线排的一个接口连接，在稳压芯片LM7905的-5V管脚与负电源接线排的一个接口之间并联连接有接地电容C9和接地电容C10；负电源接线排的另一个接口接地。

本实用新型通过信号叠加单元将两个正弦信号融合在一起，并可通过预留端口连接在示波器上，直观观察混合后的波形，混合后的信号经信号移相单元进行移相，且移相是采用两级串联的运算放大器，第一级运放的放大倍数是1，作为电压跟随器使用，经电压跟随器处理后的混合信号输入第二级运放内，并且通过调节可调变阻器的阻值实现输出信号的一相作用，并且移相后的信号还可与示波器连接，观察移相后的波形。移相后的信号经信号滤波单元进行滤波，在滤波时，通过按键可控制滤波频带，从而控制输出信号的频带，得到想得到的小信号，滤波后的小信号输入到示波器内显示波形。整个过程硬件实现，每个步骤都可让学生直观观察到信号的波形，增加了实验的灵活性，有利用学生理解信号分离原理，提供了实验的可操作性，具有推广使用的价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的控制原理图。

图2为本实用新型信号叠加单元的电路图。

图3为本实用新型信号移相单元的电路图。

图4为本实用新型信号滤波单元的原理框图。

图5为本实用新型电源单元的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种用于将中低频带小信号分离的实验教学装置，包括信号叠加单元、信号移相单元、信号滤波单元和电源单元，电源单元给信号叠加单元、信号移相单元和信号滤波单元供电；所述信号叠加单元，用于接收两路正弦输入信号进行叠加后合成一路混合信号；两路正弦输入信号分别为有用信号源和干扰信号源。

所述信号移相单元，用于接收混合信号并将混合信号进行移相得到移相信号，采用两级OP27运放芯片级联，前级OP27放大倍数为1，作为电压跟随器；后级用10k多圈精密电位器作为滑动变阻器来改变输入阻值，采用多圈精密电位器改变阻值较为精准，同时提高该电路的稳定性与抗干扰能力；所述信号滤波单元，用于接收移相信号并进行滤波得到滤波后的分离信号。

具体地，所述信号叠加单元，如图2所示，包括第一OP27运算放大器，第一OP27运算放大器的负极输入端经电阻R2与正弦输入信号P2连接、经电阻R1与正弦输入信号P1连接，且第一OP27运算放大器的负极输入端经电阻R4与第一OP27运算放大器的输出端连接；第一OP27运算放大器的正极输入端经电阻R3接地；第一OP27运算放大器的第一电源端接电源单元的+5V电源连接；第一OP27运算放大器的第二电源端接电源单元的-5V电源连接；第一OP27运算放大器的输出端分为两路，一路与信号移相单元连接；另一路作为备用端口。

所述信号移相单元，如图3所示，包括第二OP27运算放大器和第三OP27运算放大器，第二OP27运算放大器的正极输入端经电容C1与第一OP27运算放大器的输出端连接，且在电容C1和第二OP27运算放大器的正极输入端之间连接有接地电阻R7；第二OP27运算放大器的负极输入端经电阻R5与第一OP27运算放大器的输出端连接，且第二OP27运算放大器的负极输入端经电阻R6与第二OP27运算放大器的输出端连接；第二OP27运算放大器的第一电源端接电源单元的+5V电源连接；第二OP27运算放大器的第二电源端接电源单元的-5V电源连接；第二OP27运算放大器的输出端分为两路，一路经电阻R8与第三OP27运算放大器的负极输入端连接；另一路经可调变阻器R9与第三OP27运算放大器的正极输入端连接，且在可调变阻器R9与第三OP27运算放大器的正极输入端之间连接有接地电容C2；第三OP27运算放大器的第一电源端接电源单元的+5V电源连接；第三OP27运算放大器的第二电源端接电源单元的-5V电源连接；第三OP27运算放大器的输出端经电阻R11后分为两路，一路与信号滤波单元连接，另一路经电阻R10与第三OP27运算放大器的负极输入端连接。

所述信号滤波单元，如图4所示，包括数字信号控制器和有源滤波器，所述数字信号控制器的型号为TMS320F28234；所述有源滤波器的型号为MAX262。数字信号控制器的输入端与第三OP27运算放大器的输出端连接，数字信号控制器的输出端与有源滤波器的输入端连接，有源滤波器的输出端得到所需的滤波分离信号。且在所述数字信号控制器的输入端还分别与复位电路、时钟源和JIAG接口连接，用于提高本装置的可操作性性能。

所述电源单元，如图5所示，包括变压器、整流桥、稳压芯片LM7805和稳压芯片LM7905，变压器的初级线圈与交流电源220V连接；所述整流桥包括第一二极管D1、第二电极管D2、第三电极管D3和第四电极管D4；第一二极管D1的负极与变压器次级线圈的一端连接，第二二极管D2的负极与变压器次级线圈的另一端连接；第一二极管D1的正极与第二二极管D2的正极连接后与稳压芯片LM7805的Vin管脚连接，在第二二极管D2的正极与稳压芯片LM7805的Vin管脚之间并联设置有接地电容C3和接地电容C4；稳压芯片LM7805的Gnd管脚接地，稳压芯片LM7805的+5V管脚与正电源接线排的一个接口连接，在稳压芯片LM7805的+5V管脚与正电源接线排的一个接口之间并联连接有接地电容C7和接地电容C8；正电源接线排的另一个接口接地；第三二极管D3的正极与变压器次级线圈的一端连接，第四二极管D4的正极与变压器次级线圈的另一端连接，第三二极管D3的负极与第四二极管D4的负极连接后与稳压芯片LM7905的Vin管脚连接，在第四二极管D4的负极与稳压芯片LM7905的Vin管脚之间并联设置有接地电容C5和接地电容C6；稳压芯片LM7905的Gnd管脚接地；稳压芯片LM7905的-5V管脚与负电源接线排的一个接口连接，在稳压芯片LM7905的-5V管脚与负电源接线排的一个接口之间并联连接有接地电容C9和接地电容C10；负电源接线排的另一个接口接地。

本实用新型中每个单元的输出都预留有测试端口，如信号叠加单元输出后可以通过示波器观测两路信号的叠加波形，移相单元输出后可以通过示波器观测移相前后波形对比等，便于每单元处理后测试直观观察；且本实用新型参数可调节性，如移相单元可通过可调变阻器R5可在0-180度范围内连续调节输出与输入之间相位差；信号滤波单元可通过按键选择所需的不同频带小信号成分，增加实验的灵活性，有利用学生理解信号分离原理，提供了实验的可操作性，具有推广使用的价值。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种用于将中低频带小信号分离的实验教学装置，其特征在于：包括信号叠加单元、信号移相单元、信号滤波单元和电源单元，电源单元给信号叠加单元、信号移相单元和信号滤波单元供电；所述信号叠加单元，用于接收两路正弦输入信号进行叠加后合成一路混合信号；所述信号移相单元，用于接收混合信号并将混合信号进行移相得到移相信号；所述信号滤波单元，用于接收移相信号并进行滤波得到滤波后的分离信号。

2.根据权利要求1所述的用于将中低频带小信号分离的实验教学装置，其特征在于：所述信号叠加单元包括第一OP27运算放大器，第一OP27运算放大器的负极输入端经电阻R2与正弦输入信号P2连接、经电阻R1与正弦输入信号P1连接，且第一OP27运算放大器的负极输入端经电阻R4与第一OP27运算放大器的输出端连接；第一OP27运算放大器的正极输入端经电阻R3接地；第一OP27运算放大器的第一电源端接电源单元的+5V电源连接；第一OP27运算放大器的第二电源端接电源单元的-5V电源连接；第一OP27运算放大器的输出端分为两路，一路与信号移相单元连接；另一路作为备用端口。

3.根据权利要求1或2所述的用于将中低频带小信号分离的实验教学装置，其特征在于：所述信号移相单元包括第二OP27运算放大器和第三OP27运算放大器，第二OP27运算放大器的正极输入端经电容C1与第一OP27运算放大器的输出端连接，且在电容C1和第二OP27运算放大器的正极输入端之间连接有接地电阻R7；第二OP27运算放大器的负极输入端经电阻R5与第一OP27运算放大器的输出端连接，且第二OP27运算放大器的负极输入端经电阻R6与第二OP27运算放大器的输出端连接；第二OP27运算放大器的第一电源端接电源单元的+5V电源连接；第二OP27运算放大器的第二电源端接电源单元的-5V电源连接；第二OP27运算放大器的输出端分为两路，一路经电阻R8与第三OP27运算放大器的负极输入端连接；另一路经可调变阻器R9与第三OP27运算放大器的正极输入端连接，且在可调变阻器R9与第三OP27运算放大器的正极输入端之间连接有接地电容C2；第三OP27运算放大器的第一电源端接电源单元的+5V电源连接；第三OP27运算放大器的第二电源端接电源单元的-5V电源连接；第三OP27运算放大器的输出端经电阻R11后分为两路，一路与信号滤波单元连接，另一路经电阻R10与第三OP27运算放大器的负极输入端连接。

4.根据权利要求3所述的用于将中低频带小信号分离的实验教学装置，其特征在于：所述信号滤波单元，包括数字信号控制器和有源滤波器，数字信号控制器的输入端与第三OP27运算放大器的输出端连接，数字信号控制器的输出端与有源滤波器的输入端连接，有源滤波器的输出端得到所需的滤波分离信号。

5.根据权利要求4所述的用于将中低频带小信号分离的实验教学装置，其特征在于：所述数字信号控制器的输入端还分别与复位电路、时钟源和JIAG接口连接。

6.根据权利要求4所述的用于将中低频带小信号分离的实验教学装置，其特征在于：所述数字信号控制器的型号为TMS320F28234；所述有源滤波器的型号为MAX262。

7.根据权利要求1所述的用于将中低频带小信号分离的实验教学装置，其特征在于：所述电源单元包括变压器、整流桥、稳压芯片LM7805和稳压芯片LM7905，变压器的初级线圈与交流电源220V连接；所述整流桥包括第一二极管D1、第二电极管D2、第三电极管D3和第四电极管D4；第一二极管D1的负极与变压器次级线圈的一端连接，第二二极管D2的负极与变压器次级线圈的另一端连接；第一二极管D1的正极与第二二极管D2的正极连接后与稳压芯片LM7805的Vin管脚连接，在第二二极管D2的正极与稳压芯片LM7805的Vin管脚之间并联设置有接地电容C3和接地电容C4；稳压芯片LM7805的Gnd管脚接地，稳压芯片LM7805的+5V管脚与正电源接线排的一个接口连接，在稳压芯片LM7805的+5V管脚与正电源接线排的一个接口之间并联连接有接地电容C7和接地电容C8；正电源接线排的另一个接口接地；第三二极管D3的正极与变压器次级线圈的一端连接，第四二极管D4的正极与变压器次级线圈的另一端连接，第三二极管D3的负极与第四二极管D4的负极连接后与稳压芯片LM7905的Vin管脚连接，在第四二极管D4的负极与稳压芯片LM7905的Vin管脚之间并联设置有接地电容C5和接地电容C6；稳压芯片LM7905的Gnd管脚接地；稳压芯片LM7905的-5V管脚与负电源接线排的一个接口连接，在稳压芯片LM7905的-5V管脚与负电源接线排的一个接口之间并联连接有接地电容C9和接地电容C10；负电源接线排的另一个接口接地。