合成信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.docVIP

摘摘 要要 隨著數(shù)字集成電路、微電子技術(shù)和 EDA 技術(shù)的深入研究，現(xiàn)代頻率合成 技術(shù)具有很大研究性。根據(jù)題目要求，我們以單片機(jī) LM3S811 為核心，輔以必 要的模擬電路，設(shè)計(jì)合成信號(hào)發(fā)生器。該系統(tǒng)主要由 LM3S811 單片機(jī)、方波發(fā) 生器、分頻電路、濾波電路、調(diào)理電路、加法電路等模塊組成。本系統(tǒng)采用 TLC083 芯片產(chǎn)生方波振蕩電路，通過(guò)施密特觸發(fā)器 CD40106 芯片進(jìn)行波形變 換后得到 300KHz 方波信號(hào)，經(jīng)過(guò) 30 分頻、10 分頻、6 分頻電路后得到 10KHz、30KHz、50KHz 信號(hào)，經(jīng)過(guò) TLC04 芯片進(jìn)行濾波，得到相應(yīng)頻率但不 同幅值的正弦信號(hào)，再通過(guò)由 TLC085 構(gòu)成的調(diào)理電路對(duì)相位和幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)， 最后通過(guò)加法電路將三路正弦信號(hào)合成近似方波和三角波。測(cè)試表明，其結(jié)構(gòu) 緊湊，電路簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，統(tǒng)功能完善，很好的實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：信號(hào)波形合成 分頻器 濾波器 2 Abstract Along with the digital integrated circuits, microelectronics technology and EDA technology research, has great modern frequency synthesis technology research. According to the topic request, we LM3S811 as the core, with single-chip microcomputer with necessary analog circuits, design and synthesize signal generator. This system mainly consists of LM3S811 single-chip microcomputer and square-wave generator frequency circuit, filtering, points circuit and regulate circuit, addition circuit module. The system USES the TLC083 chip produce square-wave oscillating circuit, through CD40106 chips for waveform Schmitt toggle 300KHz square wave signal transformation, after get 30 points frequency, 10 points frequency, 6 points frequency circuit 10KHz, 30KHz, after we get TLC04 50KHz signals, after filtering, obtained corresponding chip frequency but different amplitude of the sine signals, then TLC085 constitute by the modulation circuit to phase and amplitude adjustment circuit will last through the addition of three road sine signal synthetic approximate square-wave and delta waves. Tests showed that the structure is compact, simple circuit, extensibility, perfect functions, ec well implemented the design indexes. Keywords：Signal waveform synthesis frequency divider filter 3 目目 錄錄 摘 要2 目錄4 引 言5 第一章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和任務(wù)要求.6 第二章 方案論證與比較.7 1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案： 7 第三章 理論分析計(jì)算和器件選型.8 第四章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).8 4.1 方波振蕩電路設(shè)計(jì) 8 4.2 無(wú)源濾波電路設(shè)計(jì) 9 4.3 峰值檢波電路設(shè)計(jì) 9 4.4 加法電路設(shè)計(jì) .10 第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)10 5.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概括 .10 5.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖 .11 第六章系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)論分析.11 6.1 測(cè)試儀器 .11 6.2 測(cè)試方法 .11 6.3 測(cè)試結(jié)果 .12 6.4 測(cè)試結(jié)論分析 .12 第七章總結(jié).13 參考文獻(xiàn).14 4 引引 言言 信號(hào)源是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，它在通信、測(cè)控、導(dǎo)航、雷達(dá)、 醫(yī)療等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，而且信號(hào)源還可以作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì) 和生產(chǎn)中的重要工具，其必須滿足高精度、高速度、高分辨率、頻率可調(diào)等許 多要求。凡是能產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)的儀器， 都統(tǒng)稱為信號(hào)源 ,也稱為信號(hào)發(fā)生器， 它能夠用于產(chǎn)生被測(cè)電路所需特定參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)。在測(cè)試、研究或調(diào)整 電子電路及其設(shè)備時(shí)，為了測(cè)定電路的一些電參量，如測(cè)量頻率響應(yīng)、噪聲 系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號(hào)，以模擬在 實(shí)際工作中使用的待測(cè)設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)要求進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測(cè)量時(shí)， 需要使用振幅、頻率已知的正弦信號(hào)源 ；當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時(shí)，又需 使用前沿時(shí)間、脈沖寬度和重復(fù)周期已知的矩形脈沖源；并且要求信號(hào)源 輸出信號(hào)的參數(shù)，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能夠在一定范圍內(nèi) 進(jìn)行精確調(diào)整， 其有很好的穩(wěn)定性 和輸出指示等。 信號(hào)源可以根據(jù)輸出波 形的不同，劃分為正弦波信號(hào)發(fā)生器、矩形脈沖信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生 器和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。 其中正弦信號(hào)是使用最廣泛的測(cè)試信號(hào)。 因?yàn)楫a(chǎn)生正弦信號(hào)方法簡(jiǎn)單，且用正弦信號(hào)測(cè)量較方便。正弦信號(hào)源又可以 根據(jù)工作頻率范圍的不同劃分為若干種。 合成信號(hào)源的信號(hào)不是由振蕩器直 接產(chǎn)生，而是以高穩(wěn)定度石英振蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源，利用頻率合成技術(shù)形成 所需要的任意頻率信號(hào)，具有與標(biāo)準(zhǔn)頻率源相同的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。合成 信號(hào)源主要由晶體振蕩器、頻率合成單元、調(diào)制單元、電平控制單元組成。 5 第一章第一章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和任務(wù)要求系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和任務(wù)要求 總體框圖 由以上分析，系統(tǒng)的總體功能如圖 1 所示： 300 KHZ 方 波 振 蕩 器 30 分頻 10 分頻 6 分頻 無(wú)源低通 濾波器 調(diào)理電路 無(wú)源低通 濾波器 有源低通 濾波器 信號(hào)合 成電路 MCU 顯示 調(diào)理電路 調(diào)理電路 調(diào)理電路 調(diào)理電路 峰值檢測(cè)電路 500KHZ1.5MHZ 峰值檢測(cè)電路 峰值檢測(cè)電路 圖 1 總體設(shè)計(jì)框圖 1.任務(wù)要求 設(shè)計(jì)制作一個(gè)電路，能夠產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)，并將這些信號(hào)再合成 為近似方波和其他信號(hào)。 （1） 基本要求 1）方波振蕩器的信號(hào)經(jīng)分頻與濾波處理，同時(shí)產(chǎn)生頻率為 10kHz 和 30kHz 的 正弦波信號(hào)，這兩種信號(hào)應(yīng)具有確定的相位關(guān)系； 2）產(chǎn)生的信號(hào)波形無(wú)明顯失真，幅度峰峰值分別為 6V 和 2V； 3）制作一個(gè)由移相器和加法器構(gòu)成的信號(hào)合成電路，將產(chǎn)生的 10kHz 和 30kHz 正弦波信號(hào)，作為基波和 3 次諧波，合成一個(gè)近似方波，波形幅度為 5V。 （2） 發(fā)揮部分 1）再產(chǎn)生 50kHz 的正弦信號(hào)作為 5 次諧波，參與信號(hào)合成，使合成的波形更 接近于方波； 2）根據(jù)三角波諧波的組成關(guān)系，設(shè)計(jì)一個(gè)新的信號(hào)合成電路，將產(chǎn)生的 10kHz、30kHz 等各個(gè)正弦信號(hào)，合成一個(gè)近似的三角波形； 3）設(shè)計(jì)制作一個(gè)能對(duì)各個(gè)正弦信號(hào)的幅度進(jìn)行測(cè)量和數(shù)字顯示的電路，測(cè)量 誤差不大于5； 6 第二章第二章 方案論證與比較方案論證與比較 1.11.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案： 我們用 TLC083 芯片產(chǎn)生 300KHz 的方波，經(jīng)分頻電路、TLC04 芯片濾波電 路后得到一個(gè)正弦波，然后用峰值檢波電路檢測(cè)其峰峰值，最后用加法電路合 成題目所求方波。 1.1.11.1.1 方波振蕩電路方波振蕩電路 方案一：用 555 定時(shí)器接成的多諧振蕩器，能使產(chǎn)生的方波占空比可調(diào)， 即高電平持續(xù)時(shí)間與低電平持續(xù)時(shí)間的比值可調(diào)，占空比 1090，適合低 中頻振蕩電路。 方案二：用 TLC083 芯片，壓擺率可達(dá)到 19V/us,帶寬 10MHz，可實(shí)現(xiàn)高頻 振蕩電路。 通過(guò)以上比較分析，我們選用方案二。 1.1.21.1.2 濾波電路濾波電路 方案一：采用 RC 濾波電路，由于電阻 R 與頻率變化無(wú)關(guān)，RC 低通濾波 器在器件選材方面要相對(duì)簡(jiǎn)單，但不適合大功率輸出，僅可作為弱信號(hào)處理與 微小功率應(yīng)用。 方案二：采用 TLC04 芯片，四階低通濾波器，TLC04 的截止頻率的穩(wěn)定 性只與時(shí)鐘頻率穩(wěn)定性相關(guān)，截止頻率時(shí)鐘可調(diào)，其時(shí)鐘截止頻率比為 50：1，因而設(shè)計(jì)截止頻率為 1/1.69RF1CF150=251.8Hz，能夠滿足振動(dòng)時(shí)效 和振動(dòng)焊接工藝的要求。 通過(guò)以上方案比較，我們選用方案二。 1.1.31.1.3 峰值檢波電路峰值檢波電路 方案一：將交流信號(hào)與一直流信號(hào)疊加使之變成單極性，將其分壓后用單 片機(jī) A/D 采樣其值。 方案二：采用 TLC372 和 LM358 芯片，通過(guò)峰值檢波電路可以對(duì)交流信 號(hào)進(jìn)行絕對(duì)值處理，便于加速度值的進(jìn)一步數(shù)字顯示，電路構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單。 通過(guò)以上方案比較，我們選用方案二。 1.1.41.1.4 加法電路加法電路 方案一：采用同向求和運(yùn)算電路，同向求和電路的各輸入信號(hào)的放大倍數(shù) 互不影響，不能單獨(dú)調(diào)整，因此同向求和電路調(diào)節(jié)不如反向求和電路方便。 7 方案二：采用反向求和運(yùn)算電路，其電路中某一信號(hào)的輸入電阻的阻值不 影響其他輸入電壓與輸出電壓的比例關(guān)系，因此調(diào)節(jié)更方便。 通過(guò)以上方案比較，我們選用方案二。 第三章第三章 理論分析計(jì)算和器件選型理論分析計(jì)算和器件選型 任何周期函數(shù) f(t)都可以表示為三角函數(shù)所構(gòu)成的級(jí)數(shù)之和，即： 1 0 )sincos( 2 1 )( n nn tnbtnaatf 其中：第一項(xiàng)為直流分量，為角頻率，T 為周期。 2 0 a T 2 所謂周期性函數(shù)的傅里葉分解就是將周期性函數(shù)展開(kāi)成直流分量、基波和 所有階諧波的迭加。 方波為奇函數(shù)，它沒(méi)有常數(shù)項(xiàng)。數(shù)學(xué)上可以證明此方波可表示為： 4111 ( )(sinsin3sin5sin7) 357 f ttttt = = 1 41 ()sin(21) 21 n nt n 同樣，對(duì)于三角波也可以表示為： 2222 8111 ( )(sinsin3sin5sin7) 357 f ttttt = 1 22 1 81 ( 1)sin(21) (21) n n nt n 根據(jù)題目分析可得，基波峰峰值為 6V 時(shí)，方波三次諧波峰峰值為基波峰峰 值的三分之一，方波五次諧波峰峰值為為基波峰峰值的五分之一；三角波三次 諧波峰峰值為為基波峰峰值絕對(duì)值的九分之一,三角波五次諧波峰峰值為基波峰 峰值的二十五分之一。 第四章第四章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4.14.1 方波振蕩電路設(shè)計(jì)方波振蕩電路設(shè)計(jì) 此電路由運(yùn)算放大器 TLC083 和施密特觸發(fā)器 CC40106 組成，振蕩頻率取 決于 C1R3的大小,頻率計(jì)算公式 f=1/（1.39 C1R3） 。其設(shè)計(jì)電路圖如圖 4 所示： 8 圖 4.方波振蕩電路 4.24.2 無(wú)源濾波電路設(shè)計(jì)無(wú)源濾波電路設(shè)計(jì) 無(wú)源低通濾波電路主要由 TLC04 芯片組成，其 8 腳輸入 10KHz 的方波，2 腳由單片機(jī)產(chǎn)生 500KHz 的載波，輸出幅度為 6V 的正弦波。同理，其 8 腳輸入 30KHz 的方波，2 腳由單片機(jī)產(chǎn)生 1.5M 的載波， ，輸出幅度為 2V 的正弦波。其 設(shè)計(jì)電路圖如圖 5 所示： 圖 5.無(wú)源濾波電路 4.34.3 峰值檢波電路設(shè)計(jì)峰值檢波電路設(shè)計(jì) 將輸入加法器的正弦信號(hào)輸入峰值檢波電路，得到正弦波信號(hào)的峰值送至 單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換后顯示,其電路圖如圖 6 所示： 9 圖 6.峰值檢波電路 4.44.4 加法電路設(shè)計(jì)加法電路設(shè)計(jì) 加法電路相當(dāng)于輸入端有三個(gè)電壓源，相應(yīng)的輸入電阻決定了每個(gè)電壓對(duì) 電路的作用，而且反饋電阻和輸入電阻的比例決定增益的大小。因?yàn)?R11=R12=R13=R14,所以 Uo=U1+U2+U3,為避免靜態(tài)偏移，要將相同端用電阻接地， 接地電阻為 R15=R11/R12/R13/R14。其設(shè)計(jì)電路圖如圖 7 所示： 圖 7.加法電路 第五章第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 5.15.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概括系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概括 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要用來(lái)產(chǎn)生兩路載波和對(duì)三個(gè)電路的峰值進(jìn)行采樣并顯 示。LM3S811 本身帶有 PWM 波形發(fā)生器和 AD 采樣芯片，只需調(diào)整系統(tǒng)晶振和 PWM 波周期、脈寬，便可輸出 500KHZ 和 1.5MHZ 的方波信號(hào)，將 AD 芯片三路 端口使能后，便可時(shí)時(shí)采樣電壓，采樣數(shù)據(jù)送給單片機(jī)處理后，再由單片機(jī)送 給 LCD 顯示。 10 5.25.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖軟件設(shè)計(jì)流程圖 開(kāi)始 初始化 Vpb11 AD 采樣 顯示三角波 測(cè)量參數(shù) 顯示方波測(cè) 量參數(shù) 結(jié)束 輸出兩種正 弦波信號(hào) 流程圖 第六章系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)論分析第六章系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)論分析 6.16.1 測(cè)試儀器測(cè)試儀器 示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)用表、模擬萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源。 6.26.2 測(cè)試方法測(cè)試方法 （1）用示波器觀察產(chǎn)生頻率為 10KHz、30KHz、50KHz 的正弦波信號(hào)， （2）利用峰值檢波電路對(duì)各個(gè)正弦信號(hào)的幅度進(jìn)行測(cè)量，液晶屏將顯示幅值。 然后觀察不同幅值下 10KHz、30KHz、50KHz 正弦波迭加的波形。 11 6.36.3 測(cè)試結(jié)果測(cè)試結(jié)果 （1）各波形的峰峰值如下表： 理論值（V）測(cè)量值（V） 基波 66.02 方波三次諧波 22.04 方波五次諧波 1.21.23 三角波三次諧波 -2/30.63 三角波五次諧波 6/250.25 合成方波 55.04 合成三角波 7 （2）各頻率的波形如下表： 合 成 波 形 基波方波三角波 合 成 諧 波 10KHz 10KHz，30KHz 10KHz，30K Hz，50KHz 10KHz，30K Hz， 10KHz，30KH z，50KHz 合 成 波 形 6.46.4 測(cè)試結(jié)論分析測(cè)試結(jié)論分析 300KHz 的方波振蕩器經(jīng)分頻與濾波處理，能夠同時(shí)產(chǎn)生頻率為 10KHz、30KHz、50KHz 的正弦波信號(hào)，其波形無(wú)明顯失真，峰峰值分別為 6.02V、2.04V、1.23V。由方波移相放大器和方波加法器構(gòu)成的信號(hào)合成電路， 將產(chǎn)生的 10KHz 的基波、30KHz 的三次諧波、50KHz 的五次諧波合成了一個(gè)近似 方波。再用三角波移相放大器和三角波加法器將產(chǎn)生的 10KHz 的基波、30KHz 的三次諧波、50KHz 的五次諧波合成了一個(gè)近似的三角波。從測(cè)量的數(shù)據(jù)和波 形可以看出，本設(shè)計(jì)較好的實(shí)現(xiàn)了題目所要求的性能指標(biāo)。 12 第七章第七章 總結(jié)總結(jié) 本設(shè)計(jì)主要講述了合成信號(hào)發(fā)生器的工作原理和工作過(guò)程。在說(shuō)明工作原理 的過(guò)程中，突出了合成信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)中基本電路的組成單元以及這些單元如 何實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成的；結(jié)合本設(shè)計(jì)的內(nèi)容，指出了各單元電路的設(shè)計(jì)方法和意義。 在這次設(shè)計(jì)中遇到了很多實(shí)際性的問(wèn)題，在實(shí)際設(shè)計(jì)中才發(fā)現(xiàn)，書本上理論性 的東西與在實(shí)際運(yùn)用中的還是有一定的出入的，所以有些問(wèn)題不但要深入地理 解，而且要不斷地更正以前的錯(cuò)誤思維。電路設(shè)計(jì)是一個(gè)很靈活的東西，它反 映了你解決問(wèn)題的邏輯思維和創(chuàng)新能力。它才