信号波形合成实验电路设计.doc

1、信号波形合成实验电路小组成员：李于飞、耿红鹏、赵珑摘要： 本设计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实验电路。本系统主要由 8 个部分构成：由 NE555 构成的方波振荡电路；主要由集成计数器 74LS90 和作为 D 触发器的CD4013 构成的分频电路；使用 LM318 构成的窄带通滤波电路；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；使用 AD637 构成的真有效值检测电路；MSP430F149 单片机控制液晶显示电路。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

2、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。各次谐波有效值可检测并由单片机控制对幅度进行显示。系统工作稳定，基本达到了题目的所有要求。关键字：方波振荡电路；分频；移相；真有效值；信号合成。目录一、系统方案1.1 方波发生电路方案.1.2 分频电路设计方案.1.3 滤波电路设计方案1.4 移相电路设计方案.1.5 信号合成电路设计方案1.6 信号检测和显示方案2、理论分析与计算2.1 系统原理框图2.2 方波信号的合成与分解.2.3 三角波信号合成2.4 反相加法电路 .三、总体方案的设计与实现.3.1 555 振荡电路

3、原理分析与计算.3.2 分 频 电 路 .3.3 方波三角波变换电路3.4 三角波正弦波变换电路3.5 移相电路3.6 比例运算和合成电路3.7 AD 转换和液晶显示 4、实验测试及测试结果分析4.1 测试仪器.4.2 整机标准 .4.3 合成电路结果4.4 测试结果和分析5、总结一 系统方案1.1 方波发生电路方案方案一：采用分立元件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、矩形、三角等波形发生器。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：采用 555 振荡电路或函数信号发生器

4、 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。该电路具有成本低廉，频率可调，电路灵活方便，结构简单，低功耗，输入阻抗高，上升沿陡等的特点，不用依靠单片机。根据题意，本系统需要一个 300kHz 的方波，所以选择方案二，可满足要求。方案三：由 UA741 集成运算放大器构成的方波信号发生器具有结构简单,调试方便，但它产生方波信号的可靠性差，易失真，稳定性差。1.2 分频电路设计方案方案一：利用数字电路设计分频电路。通过计数器计数来实现，由待分频的时钟边沿触发集成计数器计数，当计数器到规

5、定值时，输出时钟进行翻转，并给计数器一个复位信号，使得下一个时钟从零开始计数。以此循环下去。这种方法可以实现任意的整数分频电路，根据题意，选择方案一作为系统的分频方案。方案二：使用编程方法实现分频电路。其原理与利用集成计数器相同，实现起来也十分简单，但分频得到的时钟可能会出现毛刺或不稳定的因素，适用于时钟要求不高的基本设计，且对于整数分频可以很容易地用计数器来实现，故不采用此方案。1.3 滤波电路设计方案由分频电路产生的单极性方波需要经过窄带通滤波电路形成正弦波。其带通的范围很窄，要与各次谐波的频率接近。方案一：使用由 LC 网络组成的无源高阶巴特沃斯滤波器。其通带内相应最为平坦，衰减特性和相

6、位特性都很好，对器件的要求也不高。但其在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点。方案二：采用实时 DSP 数字滤波技术，数字信号灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效的滤波，但要进行滤波，需要 A/D、D/A 既有较高的转换速率，处理器具有较高的运算速度，成本高。方案三：以集成运放 LM318 为核心的有源滤波电路，结构简单，所需元件少，成本低，且电路输入阻抗高、输出阻抗低，并有专门的设计软件。所以根据实际情况，选择方案三作为系统的滤波方案。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。故选

7、此方案。1.4 移相电路设计方案方案一：利用 RC 移相电路。RC 移相电路主要是由电容的电流超前电压 90度这一特性。RC 滞后移相电路是电阻在前面，电容在后面。输入信号从电阻进入，输出信号是从电容上输出，其与电容并联，电压相等，所以输出电路的电压也滞后电流。同理，RC 超前移相电路是电容器在前面，电阻在后面。可通过改变 RC 的值来改变移相的度数，相移在 090之间变化。使用 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：使用双运放 LM318 做移相电路。此电路主要也运用了电容的电流超前电压 90 度这一特性。但其不是单

8、纯的无源电路而是结合了集成运放的有源电路，其体积小、性能稳定，输入阻抗高，输出阻抗低，由它组成的移相电路具有电路简单、工作可靠、成本低、波形好、适应性强，而且可以提供 180的相移。还兼有放大和缓冲的作用，故选此方案。方案三：使用数字移相技术实现。主要分为两类：一类为是运用直接数字式频率合成技术 DDS；一类是利用单片机计数延时的方法实现；一类是先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。DDS 技术的实现电路较为复杂；以 DA 转换方式实现的移相，虽然所用元件少，但输出信号的频率难以细调，特别是移相的最小单位太大，只适合于对频率要求不高，且移相角度固定的场合；以延时输出方波的方式实

9、现的移相，输出信号的频率以参考信号的频率为准，而参考信号的频率则可以精确给定，可用于对频率要求高，且需无级移相的场合，但其硬件电路比较复杂。1.5 信号合成电路设计方案方波信号经过波形变换和移相后，其输出幅度将有不同程度的衰减，合成前需要将各成分的信号幅度调整到规定比例，才能合成为新的合成信号。本课题采用反向比利运算电路实现幅度调整，采用反向加法运算实现信号合成。1.6 信号检测和显示方案信号检测和显示部分采用 MSP430 单片机，由于信号最高频率 50KHz，采用有效值检测芯片 AD637 配合高频检波二极管和周围阻容元件制作一个平均值检测电路，送单片机的 12 位 AD 转换并换算，得到

10、其幅值，送显示器LCD12864 控制显示2理论分析与计算2.1 系统原理框图300KHZ 10KHZ、30KHZ、50KHZ方波 电路 合成+5V图 2-1 系统原理框图 三角波 -5V2.2 方波信号的分解与合成 周期信号是由一个或几个、乃至无穷多个不同频率的谐波叠加而成的，因此周期信号可以分解成多个乃至无穷多个谐波信号。方波信号的傅里叶分解函数：(2-1) tttUdtf 1111 5sin3sisin4在理想情况下，方波的偶次谐波应该无输出信号，始终为零电平，奇次谐波中的一、三、五次谐波的幅度比为 1：（1/3）:（1/5） 。信号源输出 300KHz的方波信号经过分频滤波电路后可以得

11、到 10KHz、30KHz、50KHz 的方波，其计算公式表示如下：(2-2) t1052sin6.0t32sint102sin3 331 tf频率为 10KHz 的正弦波信号的峰峰值为 6V；、频率为 30KHz 的正弦波信号的峰峰值为 2V；频率为 50KHz 的正弦波信号的峰峰值为 1.2V。图 2 所示分别为1、3、5 次谐波的分解与合成图。各次谐波合成方波的幅值为 5V。信号源300KHZ15 分频5 分频3 分频电容隔离带通滤波，信号放大同相 加法器2 分频2 分频2 分频单片机显示图 2.1 1、3、5 次谐波的分解与合成2.3 三角波信号的合成三角波信号的傅里叶变换公式如下：(

12、2-2) tttUdtf 22222 5sin1sinsi8将产生的 10KHz、30KHz、50KHz 的合成方波信号的正弦信号，经过变换和合成得到一个近似的三角波形信号。采用公式（2-1）变换取 1、3、5 次谐波分量可以得到近似三角波，即：t1052sin8.10t32sin.0t2.5sin4 32 tf(2-3)经过计算三角波信号的幅度为 5V。2.3 反相加法电路把 3 个输入信号（Vi1、Vi2、Vi3）同时加到运放的反相端，其输入输出电压的关系为： VRRV3i2i1ifo 1当 R1=R2=R3=10K 时，则有3i2i1ifo.0若令 Rf=10K,则 3i2i1io若输出

13、端再接一级反相器则可消去负号，使 (2-4) 3i2i1io三总体方案的设计与实现3.1 555 振荡电路原理分析与计算由 555 定时器组成的多谐振荡器，多 谐 振 荡 器 又 称 为 无 稳 态 触 发 器 ， 它 没有 稳 定 的 输 出 状 态 ， 只 有 两 个 暂 稳 态 。 电 路 图 如 图 2 所 示 。 在 电 路 处 于 某一 暂 稳 态 后 ， 经 过 一 段 时 间 可 以 自 行 触 发 翻 转 到 另 一 暂 稳 态 。 两 个 暂 稳 态 自行 相 互 转 换 而 输 出 一 系 列 矩 形 波 。 多 谐 振 荡 器 可 用 作 方 波 发 生 器 。 电源接

14、通后，V Cc通过电阻 R1、R 2向电容 C 充电。当电容上电 VC=2/3Vcc 时，阀值输入端受到触发，比较器 C1翻转，输出电压 Vo=0，同时放电管 T 导通，电容 C 通过 R2放电；当电容上电压 VC=1/3Vcc，比较器 C2工作，输出电压 Vo 变为高电平。C 放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。其振荡周期与充放电的时间有关：充电时间： CRVRt CPH )(7.031ln)( 2121 放电时间： VCt CPL 22 7.031ln振荡周期：T=t PH+tPL0.7(R 1+2R2)C振荡频率：f=1/T= RtPLH)(4.21占空系数： 当 R2R1时，

15、占空系数近似为 50。21TD图 3.1方波发生电路图 3.2仿真波形3.2 分 频 电 路由 74LS90、74LS08、CD4013 三片芯片组成。先将 300KHz 的方波信号进行3 分频、5 分频、15 分频，再通过 CD4013 D 触发器二分频，最终得到50KHz、30KHz、10KHz 的正弦波信号。74LS90 不仅可以用于计数，还能用于分频，一片 74LS90 可构成最大进制计数器是十进制，若分频数大于 10，则要用两片或多片级联，级联后高位的周期即为分频后的周期，但占空比并非 50%，这就需要用 D 触发器对分频后的方波进行整形。74LS08 是四集成与门，在电路中起缓冲隔

16、离的作用。CD4013 是由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和 Q 及 Q 输出，电路中 CD4013 的接法是将 R、S 都接地并让接到 D 上，置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。Q由 D 触发器构成的二分频电路，能够在分频的同时对波形整形。图 3.36 分频图 3.410 分频图 3.530 分频3.3 方波三角波变换电路方波三角波变换电路采用由运算放大器组成的有源积分电路实现，见图所示。567U1BTL083IC14 0.01UR11 200KR10 3.6KR93.6KGND图 3.6 方波三角波变换电路3.4

17、 三角波正弦波变换电路三角波正弦波变换电路采用单级 RC 无源积分电路实现，见图所示。R181KC170.01UGND图 3.7 三角波正弦波变换电路3.5 移相电路在上述变换电路中曾出现过 RC 积分电路的应用，则会产生一定的相移，为了使合成波形达到相位要求，必须实现三路波形同步，这里的移相电路便实现这个功能，见图 6 所示。其中图 6（a）实现滞后相移 90 o；图 6（b）实现超前相移 90 o（a）滞后移相 （b）超前移相图 移相电路根据需要，后续电路可接入超前移相的或滞后移相的移相器。3.6 比例运算和合成电路的分析和计算课题要求合成后的波形类同于方波和三角波，则三个频率分量要满足傅

18、立叶变换系数的要求，这里就需要系数矫正电路，即比例运算电路，通过比例调节后加到一个加法器组成的叠加电路中，实现所要达到的相应的波形。设计的电路见下图所示。50KHz10KHz30KHz56 7GND32 1411GNDZONGHE56 7GND56 7GND图 3.8 比例运算和和叠加电路在进行信号合成前，各波形（10KHz 的基波、30KHz 的三次谐波、50KHzui uo1K20K2K1000Pui uo1K20K1000P2K的五次谐波）的幅度和相位都要进行按规定调节好，以下探讨信号叠加前各波形之间的相位和关系。1）方波由傅立叶级数对方波予以分解可得 .)sin1.3sin1(i4)

19、tttnAtf 可见各级谐波的系数比为 。合成方波时，据题意， 正弦波的5: kHz10峰峰值为 6V， 正弦波的峰峰值为 2V， 正弦波的峰峰值应为kHz30kz01.2V。另外，这些谐波要求初相位相同，由式可知，初相位均为零。各自所需幅值可通过调节三个放大器的放大量获得，初相可通过上一节对相位调节电路的调节来获得。2）三角波同样由傅立叶级数对方波予以分解可得 .)1sin()(sin1.5sin13si(sin4)( 2222 tttttAtf 可见前三级各级谐波的系数比为 。合成三角波时，据题意，25:91正弦波的峰峰值为 6V， 正弦波的峰峰值为 0.67V， 正弦波kHz10kHz3

20、0kHz50的峰峰值应为 0.24V。另外，这些谐波中每隔一个相位取反。各自所需幅值可通过调节三个放大器的放大量获得，初相可通过上一节对相位调节电路的调节来获得。3.7 AD 转换和液晶显示单片机的任务就是测量某路的正弦波的幅值和送显示，其组成部分有精密检波电路、平滑滤波电路、单片机 MSP430F149 最小系统和 LCD12864 字符液晶显示器等几个部分组成，见图 8 所示。被测信号10KHz、30 KHz、50 KHz、正弦信号三角信号AD637有效值检测电路MSP430F149单片机AD转换LCD 液晶显示器D-BUSC-BUS初始化：端口，显示，5 路 A/D 转换调用数据处理函数

21、调用 LCD显示函数A/D 转换图 3.9 单片机检测和显示系统框图电路原理为：将经过 AD637 构成的真有效值检测电路输出的信号经单片机的 A/D 转换后，再经过计算，将有效值换算为幅度，送给 LCD 显示，通过手动切换来对各个正弦信号的幅度进行测量和显示。430F149 单片机的内部 A/D 转换为 12 位，其分辨率为 1/1024，参考电压选用 2.5V，则一个字的测量误差为 0.24%，小于题目所要求的 5%,可达到要求。AD637 输入正弦信号，输出直流信号，直流信号的大小就是正弦信号的有效值。峰峰值与有效值的转换公式为：占空比为 1 的方波的有效值=峰峰值0.5。 AD637

22、的外部电容 C1 的选择至关重要，是影响测量准确度和响应时间的重要参数，尽管增加电容的容量可以减少纹波电压产生的交流误差，但稳定时间也会按比例增加，使测量时间大为延长。外围电路可通过第 9 脚和第 6 脚设置一可调电阻来调节，但难以达到高准确度要求。（1）软件流程图开始图 3-10图 3-11 真有效值检测电路原理图 4实验测试及测试结果分析4.1 测试仪器数字示波器 TDS2012B；数字万用表 DT890；函数信号发生器 EE1641B1；双路输出直流稳压电源 EM1715A。4.2整机标准1）电源供电：双 DC5V2V，60mA；DC3.3V2V ，60mA；双DC15V2V，1A；2）

23、使用环境：温度-20 O C+80 O C；湿度 095%RH3）外观尺寸 420360754）MCU 检测系统的检测误差：小于等于 2%4.3 方波合成电路结果用示波器分别观察用于合成方波的各次谐波的波形，再分别观察通过加法器合成的波形，数据如下：数据谐波f（理论） f（实际） Vp-p(理论) Vp-p(实际)基波 10KHZ 10.68KHZ 6V 6.00V三次谐波 30KHZ 30.12 2V 2.02V五次谐波 50KHZ 50.51KHZ 1.2V 1.17V4.4 测试结果及分析5、总结本设计较完满的完成了题目基本部分的要求，还较好的完成题目发挥部分的要求。采用运算放大器和单片

24、机等部分芯片，完成了 300KHz 方波信号源电路，30 分频电路、10 分频电路和 6 分频电路，10KHz 带通滤波电路、30KHz 带通滤波电路、50KHz 带通滤波电路， 10KHz 移相电路、 30KHz 移相电路、50KHz移相电路，方波和三角波合成电路，正弦波有效值单片机测量电路等单元电路的设计和制作，制作工作量饱满，在测试的过程中，需要多次调整滤波电路的中心频率以及各部分电路的放大倍数才能输出符合标准的正弦信号，避免了波形失真的问题。本设计很好的体现了信号的合成与分解，增强了团队合作精神。通过测试，获得了符合设计要求的正弦波信号和合成方波信号、三角波信号。参考文献【1】 周良权、傅恩锡、李世馨编. 模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社, 2005 年.【2】 杨志忠主编. 数字电子技术高等教育出版社，2003 年.【3】 黄争. 德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南.上海：BEIJING 德州仪器半导体技术有限公司大学计划部，2010 年.【4】 黄争. 运算放大器应用手册基础知识篇.北京：电子工业出版社 2010 年.