一、任务
设计并制作信号分离装置，如图1所示。一台双路输出信号源输出2路周期信号A和B（频率范围：20kHz ~100kHz，且fA ＜fB；峰峰值均为1V），经增益为1的加法器产生混合信号C，信号C通过分离电路分离出信号A’和B’。要求信号A’和B’相比信号A和B 波形无失真，A’和A、B’和B的波形在示波器上能连续稳定同频显示。
二、要求
1．基本要求
（1）制作增益为 1 的加法器，实现 C=A+B。
（2）信号 A 和 B 均为正弦波，fA =50kHz，fB =100kHz。要求装置能正确分离出信号 A’和 B’，且峰峰值均不小于 1V。
（3）信号 A 和 B 均为正弦波，频率分别为 10kHz 的整数倍。要求装置能正确分离出信号 A’和 B’，且峰峰值均不小于 1V。
2．发挥部分
（1）信号 A 和 B 分别为正弦波或三角波，频率分别为 5kHz 的整数倍。要求装置能正确分离出信号 A’和 B’，且峰峰值均不小于 1V。
（2）发挥部分（1）中，信号 A 和 B 均为正弦波，且 fB 是 fA的整数倍。要求装置能设置并控制信号 B’与 A’的初相位差，范围 0°~180°，设置分辨率 5°，误差绝对值不大于 5°。
（3）其他。
三、说明
（1）预留信号 A、B、C、A’和 B’测试端口。
（2）“加法器”为独立电路板，由移动电源供电，其与“分离电路”只有信号 C 和地线连接，两者不得存在其他连线或通信方式，否则不予测试。
（3）“分离电路”可配有唯一 1 个启动键。每项信号分离测试时，设置信号源参数过程中不允许触碰“分离电路”，参数设置完毕后，允许按一次启动键，后续无人工干预。信号分离时间不大于 20s。
（4）发挥部分（2）中，令信号 A’为 sinωA’t，信号 B’为 sin(ωB’t+φ)，本题定义 φ 为信号 B’与 A’的初相位差（参见图 2）。测试时，设置信号源参数和初相位差后，允许按一次启动键，后续无人工干预。完成时间不大于 20s。图 2 初相位差图示
（5）“稳定同频显示”的测试方法：设置信号 A 为示波器触发源，调节水平扫描速度使得示波器上显示 4~8 个周期的信号 A 波形，此时观测信号 A’波形应与信号 A 同频率、不失真，稳定显示不漂移。
GPT-4o给出的设计方案：
一、设计概述
本项目的任务是设计并制作一个信号分离装置，用于将输入的两个混合信号 ( A ) 和 ( B ) 进行处理，从中提取混合信号 ( C ) ，然后分离出信号 ( A' ) 和 ( B' )。系统的主要功能模块包括信号发生器、加法器、分离电路、滤波器、及最终的信号显示装置。
二、硬件组成及功能描述
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双通道输出信号源
- 频率范围：20kHz至100kHz
- 信号幅值：不小于1V
- 生成信号：信号A (频率 ( f_a = 50kHz )) 和信号B (频率 ( f_b = 100kHz ))
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加法器模块
- 功能：将信号 ( A ) 和 ( B ) 进行相加，得到混合信号 ( C )
- 性能要求：稳定性高，能够精确叠加，并保持信号幅值不变
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分离电路
- 分离方法：使用带通滤波器实现频率分离
- 带通滤波器1：中心频率设为 ( 50kHz )，用于提取信号 ( A' )
- 带通滤波器2：中心频率设为 ( 100kHz )，用于提取信号 ( B' )
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滤波器设计
- 带宽：10kHz
- 选择高质量电容和电感元件， 确保滤波精度及稳定性
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显示模块
- 使用双通道示波器，实时显示并比较提取出的信号 ( A' ) 和 ( B' )
- 系统所需的时频域信号分析软件，用于实现信号幅值、频率以及相位差的精确测量
三、软件设计
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初始化
- 初始化双通道输出信号源，设置频率和幅值
- 初始化加法模块，配置信号叠加参数
- 配置带通滤波器，设定中心频率及带宽
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信号处理流程
- 调用双通道输出信号源，生成并输出信号 ( A ) 和 ( B )
- 通过加法器模块将信号 ( A ) 和 ( B ) 进行相加，得到混合信号 ( C )
- 将混合信号 ( C ) 输入到分离电路，通过带通滤波器分离出信号 ( A' ) 和 ( B' )
- 在示波器上实时显示信号并进行比较，确保信号 ( A' ) 和 ( B' ) 的幅值、频率和相位满足要求
四、器件选择及理由
- 信号发生器：选用 Agilent 双通道信号发生器，频率范围广， 幅值稳定
- 加法器：基于高精度低噪声运算放大器（如OPA2134）设计，确保信号叠加精度
- 带通滤波器：基于高品质电感电容元件设计的LC滤波器，确保信号分离效果
- 示波器：Rigol DS1054Z，可实现高精度、"实时显示分离信号的波形 和频率"分析
- 电源模块：线性稳压电源模块，提供稳定的电压供应
五、校准与测试
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初步调试
- 校准信号发生器的输出频率和幅值
- 调试加法器模块，确保信号叠加后无明显失真
- 校准带通滤波器的中心频率，确保精确分离
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性能测试
- 测试系统在不同频率和幅值下的工作稳定性
- 测试信号分离的准确度，确保频率、幅值和相位的精确提取
- 在不同输入条件下，检测系统对噪声和干扰的抑制能力
本题考察知识点
本题目考察了几个关键的电子工程和信号处理知识点。主要包括：
- 信号生成与混合：两个不同频率的信号A和B被生成并混合，考察了信号生成器的使用和加法电路的原理。
- 滤波与分离：利用带通滤波器从混合信号中分离出原始的信号A和信号B，考察了滤波器的设计和应用。
- 信号调制与解调：处理信号的频率和相位，确保从混合信号中正确恢复原始信号。
- 相位差测量：通过测量恢复信号的相位差，并配置示波器进行观测，考察了精确的信号测量与分析能力。
该设计任务着重于信号处理与生成、信号混合与分离、信号特性测量、设备同步与显示以及精度与误差控制。通过高质量的信号生成和处理技术，实现对信号幅值、频率和相位差的精确测量和显示，有效保证系统的准确性和可靠性。
