無中生有：從方波信號中產(chǎn)生原本不存在的二次諧波的21種電路設(shè)計(jì)方法

課堂練習(xí)題

今天信號與系統(tǒng)課堂上，通過網(wǎng)絡(luò)課堂和同學(xué)們討論了一個來自于鄭君里教授在其《教與寫的記憶》書中記載的他當(dāng)年在課堂上與同學(xué)們討論的問題。這個問題就是如何設(shè)計(jì)一個電路系統(tǒng)，由對稱方波（占空比為 50%的方波）作為輸入，產(chǎn)生一個頻率為對稱方波兩倍頻的正弦波。

現(xiàn)在課程講完了第三章，信號的頻譜分析（傅里葉變換），鄭君里教授的這個課堂討論題目比較適合來闡述信號的波形與頻譜的關(guān)系、線性是不變系統(tǒng)的特性、系統(tǒng)的頻率特性等問題。

課堂討論問題

題目中的“坑”

鄭老師當(dāng)年是面對電子工程系的同學(xué)來出的這道題目。大部分的同學(xué)在模擬電路、電路原理、高頻電子線路課程中學(xué)習(xí)過選頻放大電路。使用它可以將蘊(yùn)含在信號中的某個單頻信號進(jìn)行放大輸出。

比如對于一個周期信號，它的交流分量包括有基波以及各階高次諧波，就可以使用選頻電路來獲得周期信號中特定的高次諧波的正弦信號。這也是通訊電路中常見到的電路設(shè)計(jì)。

選頻放大電路

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當(dāng)然。在這個問題中，鄭君里教授是預(yù)先埋伏了一個“坑”：那就是對于一個對稱方波周期信號，它具有特殊的“奇諧對稱”特性，它的諧波中只包含有奇次諧波，也就是只有 1,3,5,7,..... 次諧波，所以直接使用前面的選頻放大電路對方波信號進(jìn)行選頻放大是無法產(chǎn)生對應(yīng)的二倍頻正弦信號的。

因此，在設(shè)計(jì)的電路中需要具有一個電路環(huán)節(jié)，能夠從方波信號中產(chǎn)生原本不存在的二次諧波。這種能夠“無中生有”產(chǎn)生新的頻率的電路不能夠是“線性時(shí)不變”系統(tǒng)。因?yàn)榫€性時(shí)不變系統(tǒng)的輸出信號中無法產(chǎn)生與輸入信號不同頻率的信號。

幾種解決方案

經(jīng)過鄭老師的提醒，班上的同學(xué)也紛紛給出了不同思路的解決方案。

課堂討論部分學(xué)生方案

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這些方案可以分為三大類：第一大類： 先通過選頻電路獲得信號的基頻正弦信號，然后在通過整流（半波整流、全波整流）電路、平方電路形成帶有二次諧波的周期信號，最后在通過選頻電路獲得二倍頻正弦信號；

第二大類： 通過對普通的 RC 微分電路和積分電路的改造，比如在電阻 R 上增加非線性的二極管器件，或者對輸出的信號進(jìn)行二極管全波整流等，來產(chǎn)出非“奇諧對稱”的信號，然后在使用選頻電路獲得二倍頻正弦信號；

第三大類： 直接使用數(shù)字信號電路，比如單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、脈沖延遲電路、異或電路等，產(chǎn)生二倍頻的脈沖信號，或者非奇諧對稱的脈沖信號，然后在通過選頻電路獲得二倍頻正弦信號。

今天課程中學(xué)生給出的部分答案

今天在課堂上，自動化系的同學(xué)們紛紛給出了自己的設(shè)計(jì)方案草圖，其中有正確的，也有錯誤的，下面逐一分析一下：

答案 1：延遲異或電路

答案 1

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這個電路屬于前面第三類方案。其中的延遲電路屬于線性電路，異或部分屬于非線性電路，新的頻率也由此產(chǎn)生。根據(jù)我的要求，同學(xué)沒有繼續(xù)將后級的選頻放大電路給出。

答案 2：非線性 RC-D 電路

答案 2

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這個屬于前面第二類解決方案。這個方案沒有在電阻 R 上并聯(lián)非線性器件二極管，而是在電容上并聯(lián)，這同樣也能夠輸出非奇諧對稱的波形。如果大家感興趣可以繪制出該電路在占空比為 50%的方波驅(qū)動下的輸出波形。

后期通過選頻電路便可以獲得二倍頻的正弦信號了。

答案 3：RC 微分+整流

答案 3

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這個方案也屬于前面第二大類的方案。

這里面有一個特別的地方，即不能夠直接在原來的方波信號上進(jìn)行整流。在原題中所給的方波是 0~5V 的方波，如果直接全波整流，所獲得的仍然是對稱的方波信號。因此這里的 RC 微分電路是需要的。

答案 4：平方電路

答案 4

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這個答案屬于前面第一大類方案。同學(xué)答案中并沒有繪制出平方電路的實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際上，對基頻正弦波進(jìn)行平方運(yùn)算，根據(jù)三角函數(shù)恒等式，在輸出的結(jié)果中就包含有一個直流分量和一個二倍頻的正弦信號了，所以最后只需要在添加一個 RC 隔直電路便可以輸出所需要的二倍頻正弦信號。

答案 5：奇怪的二極管電路

答案 5

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這個方案就顯得比較奇怪了。如果課堂時(shí)間允許，我可能會請?zhí)峁┻@個答案的同學(xué)通過視頻給大家把它的想法的細(xì)節(jié)講清楚。

在他的電路中，方波信號通過一對極性相反的并聯(lián)二極管之后再去微分，由于給定的方波是 0~5V 的信號，所以前面的并聯(lián)二極管電路實(shí)際上對信號不起作用。所以最終的信號是對方波取微分。

但微分電路是線性定常電路，并不能夠改變輸入信號的頻率分量，所以這個電路存在缺陷。

當(dāng)然，如果他的電路中的二極管是作用在 RC 微分電路中的電阻或者電容上，情況就變成了前面第三類答案了。

答案 6：T 觸發(fā)器

答案 6

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通過 T 觸發(fā)器完成對輸入信號的二分頻。輸出頻率為原來方波頻率一半的方波信號。輸出的信號也是嚴(yán)格的占空比為 50% 的方波信號，其中只包括基波的奇次諧波，所以這個電路中也沒有原來信號的二倍頻信號。

答案 7：對基頻進(jìn)行半波整流

答案 7

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這個答案屬于前面第一大類方案，方案是正確的。

答案 8：二階 RC 電路

答案 8

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其中文字描述了改變方波的占空比，然后在通過一個二階的 RC 低通濾波器來獲得信號中低頻諧波信號。這個方案中存在兩個問題：

只是通過文字描述來改變方波的占空比，思想是對的，將方波的占空比調(diào)整到非 50%即可改變信號的“奇諧對稱性”，但問題在于沒有給出具體的實(shí)現(xiàn)電路。估計(jì)該同學(xué)的數(shù)字電路課程沒有學(xué)習(xí)好；使用二階 RC 電路只能獲得信號的低頻信號，其中應(yīng)該是基波成分更大，二次諧波成分次之，所以并不是二倍頻的正弦信號。應(yīng)該將 RC 低通濾波器修改成 LC 選頻放大電路。

答案 9：與非電路

答案 9

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這個電路非常新穎，如果不做仿真，還無法立即判斷該電路的輸出 U0 的波形，近而判斷輸出信號中是否包含有二次諧波。

電路將原來的方波信號以及它的反向信號經(jīng)過后面的 RC 微分，施加在后面的與非門上。如果 RC 的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方波信號的周期，所以在后面的與非門的輸入端大部分的情況都是高電平，所以 U0 大部分情況下是保持低電平。

當(dāng)輸入方波的上升沿，或者下降沿來臨的時(shí)候，則會通過 RC 微分在后面的與非門的一個輸入端產(chǎn)生一個負(fù)極性脈沖，從而引起輸出產(chǎn)生一個正向脈沖。由于是在上升沿、下降沿都會產(chǎn)生一個正向脈沖，所以輸出的 U0 應(yīng)該是兩倍頻率的脈沖信號，其中包含有二次諧波。

但這個電路的問題在于兩個 RC 微分電路居然共用一個電阻，這就會對抵消微分作用，使得輸出不再會產(chǎn)生脈沖。所以需要對電路中共用的電阻 R 分開，每個電容分別使用他們各自的電阻才行。

答案 10：RC 濾波

答案 10

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這個答案沒有給出具體電路，但通過 C 表示方波信號施加在一個電容負(fù)載上，使得信號的上升沿和下降沿變化。

但是如果僅僅是一個電容負(fù)載，方波信號的上升沿、下降沿會變得平滑，但輸出的波形仍然是奇諧對稱的。除非在電路中還存在著其它非線性環(huán)節(jié)，否則這個方案是錯誤的。

答案 11：JK 觸發(fā)器

答案 11

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實(shí)際上這個電路是將 JK 觸發(fā)器當(dāng)做 T 觸發(fā)器來使用。輸出的信號應(yīng)該是原來方波信號的二分頻。

好吧，如果課程允許回溯追究的話，也就是后期課程的老師可以根據(jù)學(xué)生應(yīng)用前面選修課程內(nèi)容的情況，反過來對原來課程學(xué)分績進(jìn)行修改的話，估計(jì)這個同學(xué)了的數(shù)字電路的學(xué)分績需要降低了。當(dāng)然啦，這是玩笑。

答案 12：直接在原來信號的增加一個直流分量

答案 12

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在信號上增加直流分量當(dāng)然無法改變信號的交流成分了，所以輸出的信號中自然也不會包含有二次諧波的成分的。

這個同學(xué)可能對奇諧對稱的概念并沒有完全理解。再分析奇諧對稱的時(shí)候，需要將原來周期信號的直流分量去除之后，再來看它的對稱性。

答案 13：通過 ROM 改變波形

答案 13

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這個方案希望通過 ROM 來改變輸入信號的波形。思路是很好的，但是方波信號只能是一個地址位，怎么來產(chǎn)生相應(yīng)的 ROM 訪問地址呢？

這個方案之前還需要有一個計(jì)數(shù)器，來產(chǎn)生 ROM 的訪問地址，然后在 ROM 的輸出中可以設(shè)置任意序列方波信號了。所以這個設(shè)計(jì)不完整。

答案 14：三進(jìn)制計(jì)數(shù)器

答案 14

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這個答案只是給了三進(jìn)制計(jì)數(shù)器的概念，并沒有給出計(jì)數(shù)器輸出信號的波形是什么樣的？如果理解是占空比為 1/3，頻率為原來頻率 1/3 的方波信號的話，在這個信號的諧波中，會具有 6 倍頻嗎？

結(jié)果令人遺憾，占空比為 1/3 的方波信號沒有 6 次諧波！具體原因請同學(xué)們回憶一下課上我們針對方波信號的波形（寬度、周期）與諧波之間的關(guān)系的分析上。

答案 15：JK 觸發(fā)器+RC 濾波

答案 15

這個問題前面分析過，輸出信號中不包含二次諧波。

除非這個電路中應(yīng)用到了 JK 觸發(fā)器 IC 電路輸出特性的非線性，否則是錯誤的。

答案 16：T 觸發(fā)器+與非門

答案 16

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這個電路是將原來的方波電路與它的二分頻信號進(jìn)行與非操作，可以獲得一個占空比為 1/4 的方波信號，該方波信號的頻率是原來方波信號的一半。

為了獲得原來方波信號的二倍頻，所以需要從占空比為 1/4 的方波信號中獲得它的 4 倍頻諧波。

很可惜！占空比為 1/4 的方波信號不包含四次諧波以及四次諧波的整數(shù)倍的諧波頻率。為什么？回憶一下上節(jié)課的討論。所以這個電路方案也是錯誤的。

答案 17：二極管整流

答案 17

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首先原來題目給定的信號是一個 0~5V 的信號，經(jīng)過二極管之后作用在電阻上，應(yīng)該輸出的信號波形與原來的方波是一模一樣的。

即使原來的方波信號不包含直流分量，那么經(jīng)過半波整流之后，所獲得的仍然是一個占空比為 50%的方波信號。所以這個電路也是錯誤的。

答案 18：增加一個直流偏置

答案 18

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這個方案前面分析過。只是增加信號的直流分量無法改變信號的交流分量，所以該電路也無法產(chǎn)生二倍頻信號。

答案 19：延遲+異或

答案 19

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這個方案是正確的。理由前面分析過。

答案 20：RLC 電路

答案 20

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RLC 組成的線性電路是無法產(chǎn)生輸入信號的而被聘的。這個方案是錯誤的。

答案 21：選頻+平方電路

答案 21

這個電路屬于第一類方案，是正確的。

很可惜，自動化系的同學(xué)學(xué)習(xí)完模擬電路之后，對于選頻電路、平方電路還無法給出具體的結(jié)構(gòu)。但是在當(dāng)今的時(shí)代，大部分的電路設(shè)計(jì)都是通過專用的 IC 來實(shí)現(xiàn)了?，F(xiàn)在的同學(xué)不掌握這些具體的電路，對于將來的工程實(shí)踐不會造成太大的影響，誰讓他們處在這個時(shí)代呢。