TI杯信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路

1、2010年江蘇省TI杯模擬電子設(shè)計(jì)大賽競(jìng)賽論文參賽學(xué)校： 南京工程學(xué)院 論文題目：信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路 編 號(hào)： 參賽選手： 指導(dǎo)教師： 2010年8月24日信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路摘要：本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將不同頻率的正弦波合成近似方波和其它波形的功能。用555多諧振蕩電路來(lái)產(chǎn)生一定頻率的矩形波，通過(guò)穩(wěn)壓分頻電路產(chǎn)生不同頻率的方波，經(jīng)運(yùn)放電路調(diào)理幅值。再通過(guò)低通濾波器濾出同頻率的正弦波，經(jīng)移相電路來(lái)實(shí)現(xiàn)相位同步。根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式，將各頻率的正弦波通過(guò)加法比例電路來(lái)合成近似方波和其它波形。關(guān)鍵詞：信號(hào)合成 低通濾波 移相 傅里葉級(jí)數(shù)Abstract：The system has realized th

2、e synthesis of different frequency sine wave square wave and other wave functions. 555 multivibrator to produce a certain frequency square wave, through the regulator circuit frequency square waves of different frequencies generated by the op-amp circuit conditioning amplitude. And through a low pas

3、s filter with frequency sine wave, with phase-shifting circuit to achieve phase synchronization. According to the Fourier series expansion for each of the frequency of the sine wave synthesized by the addition ratio of square wave circuit, and other waveformsKeywords: signal compose low-pass phasic

4、move 目 錄一、理論分析4二、系統(tǒng)方案論證42.1方波振蕩電路52.2分頻濾波電路52.3移相電路62.4波形合成電路6三、單元模塊設(shè)計(jì)63.1方波振蕩電路63.2分頻電路63.3濾波電路73.4移相電路83.5加法電路83.6電壓測(cè)量電路9四、系統(tǒng)調(diào)試9五、系統(tǒng)功能10六、設(shè)計(jì)總結(jié)10七、附錄11一、理論分析根據(jù)傅里葉變換，任何具有周期為T(mén)的波函數(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：其中：T為周期，為角頻率。；第一項(xiàng)為直流分量?？蓪D1所示方波 表示為 =同樣，對(duì)于如圖2所示的三角波也可以表示為：=即方波可分解成不同頻率的正弦波，一定頻率的正弦波也可合成特定頻率的方波。三角

5、波也可同樣理解。本系統(tǒng)根據(jù)這一原理，用正弦波來(lái)合成產(chǎn)生方波。二、系統(tǒng)方案論證根據(jù)題意，可將系統(tǒng)劃分為方波振蕩電路、分頻濾波電路、移相電路和波形合成電路四個(gè)主要部分，如圖所示：以下對(duì)各電路模塊進(jìn)行方案論證。2.1方波振蕩電路系統(tǒng)要用10kHz、30kHz、50kHz的正弦波來(lái)合成方波。正弦波可由10kHz方波直接濾波得到，那么方波振蕩電路需產(chǎn)生10kHz或者其倍頻方波?；蛘呱鲜稣也捎?0kHz、30kHz、50kHz方波分別濾波得到，三者最小公倍數(shù)為150kHz，那么信號(hào)發(fā)生電路需產(chǎn)生150kHz或其倍頻方波。產(chǎn)生方波有三種方案：方案一：用RC振蕩電路來(lái)和遲滯比較器來(lái)產(chǎn)生方波。此方案電路簡(jiǎn)單

6、，器件較為常用，產(chǎn)生頻率的范圍很寬。不過(guò)RC振蕩產(chǎn)生的頻率不太穩(wěn)定，而且不易調(diào)諧。方案二：用晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生方波。晶振產(chǎn)生的頻率很穩(wěn)定，但是晶振頻率一般較高，需多次分頻才能產(chǎn)生系統(tǒng)所需頻率。而且晶振頻率較為固定，不易調(diào)諧。方案三：用集成電路555做成多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生方波。此電路極為簡(jiǎn)單，只需極少器件，而且頻率、占空比均可調(diào)。555振蕩頻率可達(dá)500kHz，滿足題目要求。此處我們選用方案三。2.2分頻濾波電路方案一：如果信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的是10kHz或其倍頻的方波，只需按方波傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式直接濾波即可。不過(guò)10kHz、30kHz、50kHz的頻率較為接近，濾出10kHz的正弦波尚可，濾出30k

7、Hz，50kHz的頻率較為困難。方案二：如果產(chǎn)生的是150kHz或其倍頻的濾波可采用計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻我們選用常見(jiàn)的十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161。系統(tǒng)需要10kHz、30kHz、50kHz三種頻率，最小公倍數(shù)150kHz。由于方波經(jīng)奇分頻之后占空比不再是50%，也就不能分解成正弦波，所以我們需要300kHz或者更高的倍頻進(jìn)行偶分頻得到滿足條件的方波。再對(duì)三種頻率的方波分別進(jìn)行低通濾波即可得到相應(yīng)頻率的正弦波，此方案相對(duì)方案一較為容易，巴特沃斯低通濾波器可實(shí)現(xiàn)。經(jīng)討論，此處我們選擇方案二。2.3移相電路系統(tǒng)中各信號(hào)的頻率都不高，所以移相電路采用RC移相電路即可，可實(shí)現(xiàn)0至滯后90調(diào)相。在調(diào)相過(guò)程中

8、會(huì)伴隨幅值衰減，我們接入運(yùn)放進(jìn)行有源移相來(lái)補(bǔ)償幅值。2.4波形合成電路波形合成可以用加減運(yùn)算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，此電路可以用運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)。此電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，而且效果較好。綜合以上各部分電路模塊的要求，確定系統(tǒng)方案：方波振蕩電路產(chǎn)生300kHz的方波，分頻電路分出10kHz、30kHz、50kHz的三路方波，濾波電路用巴特沃斯低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別濾出各種頻率的正弦波，用RC移相電路來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整，使其同步，并用運(yùn)放進(jìn)行幅值補(bǔ)償，最后用加減運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成。三、單元模塊設(shè)計(jì)3.1方波振蕩電路方波振蕩電路用555芯片和RC振蕩電路來(lái)產(chǎn)生，產(chǎn)生300kH，占空比為50%的方波，后面接箝位電路來(lái)將

9、方波整形，形成標(biāo)準(zhǔn)的方波。電路圖如下：3.2分頻電路方波通過(guò)計(jì)數(shù)器74LS161來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻，先分頻出2倍頻的脈沖信號(hào)，再通過(guò)D觸發(fā)器來(lái)產(chǎn)生所需頻率的方波。電路圖如下：3.3濾波電路濾波電路采用三階巴特沃斯低通濾波器，為避免相位相差較大，使用同一電路，只修改RC參數(shù)，圖為10kHz的低通濾波電路。巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)步驟：通過(guò)以上分析以低通截止頻率為10k的三階低通濾波器為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，并利用Multisim9的強(qiáng)大功能進(jìn)行輔助分析。濾波器階數(shù)越高，頻率選擇性越好。采用基于巴特沃斯逼近的三階低通來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波的功能，為減小轉(zhuǎn)移函數(shù)對(duì)元件值偏差的靈敏度和簡(jiǎn)化濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程，常采用一階、二階的級(jí)

10、聯(lián)實(shí)現(xiàn)二階。1） 采用的方案是壓控電源型，此類(lèi)型實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。2） 通過(guò)查文獻(xiàn)中，三階歸一化巴特沃斯濾波器傳遞函數(shù)的分母 即轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)三階巴特沃斯低通濾波器。3） 對(duì)于二階壓控電源型濾波器H(S)= = K/()，對(duì)于二階低通3-k=1，電容的選擇一般選用0.001uF或以下的電容。這里我們選擇0.001uF的電容，則R= 15k，選R4=10K，則=(2-1)R=10K，4） 對(duì)于一階濾波電路，取=10K，R5 =R4=10K，R3=R1=R2=15K，C3=C1=C2=0.001uF。三階的巴特沃斯濾波器的通帶增益為1。電路圖如下：3.4移相電路移相電路采用RC移相電路，運(yùn)放幅度補(bǔ)償。10

11、kHz、30kHz、50kHz的移相電路原理相同，只是修改RC的參數(shù)。 根據(jù)公式f=1/2RC，可計(jì)算出R、C的值。f=10kHz時(shí)，設(shè)C=10nF， 計(jì)算可得R約為1.6k,為了便于調(diào)諧，R取10k的可調(diào)電阻，反饋電阻也用可調(diào)電阻。電路圖如下： 3.5加法電路加法電路原理較為簡(jiǎn)單，在保證輸入信號(hào)幅值滿足要求的情況下，電阻可取相同阻值。電路圖如下：3.6電壓測(cè)量電路 電壓測(cè)量電路為拓展部分。用AD736轉(zhuǎn)換正弦波信號(hào)的峰峰值為直流電壓，MSP430單片機(jī)的ADC通道測(cè)量得出結(jié)果，將其顯示在液晶模塊上。同時(shí)，用模擬開(kāi)關(guān)電路來(lái)控制選擇哪一路信號(hào)的電壓，避免插拔線的麻煩。AD736電路圖如下：四、系

12、統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)上電，555方波振蕩電路產(chǎn)生頻率為300kHz、占空比50%的方波。分頻電路產(chǎn)生三路方波，頻率分別為10kHz、30kHz、50kHz。濾波電路產(chǎn)生三路正弦波，頻率分別為10kHz、30kHz、50kHz，幅度峰峰值分別6V、2V、1.2V。微調(diào)移相電路的電位器，可使三路信號(hào)同相位。觀測(cè)信號(hào)合成電路的輸出信號(hào)，得到幅度峰峰值約為4.7V、頻率10kHz的近似方波。電壓測(cè)量電路能夠選擇測(cè)量哪路信號(hào)，并測(cè)出其峰峰值。五、系統(tǒng)功能類(lèi)別序列項(xiàng) 目結(jié)果基本要求（1）產(chǎn)生頻率為10kHz和30kHz的正弦波信號(hào)，相位基本同步完成（2）波形無(wú)明顯失真，峰峰值分別為6V和2V完成（3）制作移相和加法電路，合成近似方波，幅度約為5V完成發(fā)揮部分（1）產(chǎn)生50kHz正弦波，參與合成，波形更近似方波完成（2）設(shè)計(jì)新的信號(hào)合成電路，產(chǎn)生近似三角波完成（3）設(shè)計(jì)正弦信號(hào)幅度測(cè)量和顯示電路，誤差不大于5%完成（4）設(shè)計(jì)出穩(wěn)壓電路為系統(tǒng)提供正負(fù)電源完成六、設(shè)計(jì)總結(jié)本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將正弦波疊加成方波的目的，完成了題目中的所有要求，并進(jìn)行了拓展，增加了如穩(wěn)壓電源模塊、系統(tǒng)保護(hù)模塊和人性化的人機(jī)界面。使系統(tǒng)更加完整，功能更為強(qiáng)大。這幾天我們都在電路設(shè)計(jì)與電路調(diào)試中度過(guò)，模擬電路較為難調(diào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往與預(yù)期效果不符，甚至線的走向都有可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。在調(diào)試過(guò)程中