論文信號波形合成

1、中國地質(zhì)大學(xué)2013年電子設(shè)計大賽競賽論文參賽題目：信號波形合成成 員：信號波形合成實(shí)驗(yàn)電路摘要：本作品主要用于非正弦信號的分解與合成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括電源電路模塊，方波信號產(chǎn)生模塊，放大、移相、波形合成模塊、測量顯示模塊等。通過1MHz晶振電路產(chǎn)生1MHz方波信號，經(jīng)計數(shù)、分頻得到10kHz方波信號，利用LC并聯(lián)諧振（濾波器）分離出10kHz、30kHz、50kHz正弦波信號，然后對三個正弦波信號進(jìn)行放大、移相加到加法器中合成方波信號。把10kHz和30kHz正弦波信號送到減法器中合成三角波信號。三個正弦波信號的幅度通過單片機(jī)采樣，由液晶屏顯示出來。關(guān)鍵詞：方波信號，濾波器，正弦波信號，分解，合

2、成1 作品簡介1.1設(shè)計目標(biāo) 設(shè)計制作一個電路，能夠產(chǎn)生多個不同頻率的正弦信號，利用傅里葉原理產(chǎn)生以10KHz為基波，以奇次諧波為輔助諧波的信號，并將這些信號再合成為近似方波和其他信號。電路示意圖如圖1所示：圖1 信號波形合成電路示意圖1.2要求及指標(biāo)1.2.1基本要求（1）方波振蕩器的信號經(jīng)分頻與濾波處理，同時產(chǎn)生頻率為10kHz和30kHz的正弦波信號，這兩種信號應(yīng)具有確定的相位關(guān)系；（2）產(chǎn)生的信號波形無明顯失真，幅度峰峰值分別為6V和2V；（3）制作一個由移相器和加法器構(gòu)成的信號合成電路，將產(chǎn)生的10kHz和30kHz正弦波信號，作為基波和3次諧波，合成一個近似方波，波形幅度為5V，合

3、成波形的形狀如圖2所示。圖2 利用基波和3次諧波合成的近似方波1.2.2發(fā)揮部分（1）再產(chǎn)生50kHz的正弦信號作為5次諧波，參與信號合成，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)計一個新的信號合成電路，將產(chǎn)生的10kHz、30kHz等各個正弦信號，合成一個近似的三角波形；（3）設(shè)計制作一個能對各個正弦信號的幅度進(jìn)行測量和數(shù)字顯示的電路，測量誤差不大于±5；（4）其他。2 方案設(shè)計 2.1 系統(tǒng)分析及整體方案方波信號由基波成分和若干個諧波成分構(gòu)成，即，本作品根據(jù)這一理論原理制作而成。本系統(tǒng)要包括了以下幾個模塊：電源電路模塊，方波信號產(chǎn)生模塊，放大、移相、波形合成模

4、塊、測量顯示模塊，如圖3所示。本系統(tǒng)通過1MHz晶振電路產(chǎn)生1MHz方波信號，通過分頻得到10kHz方波信號，經(jīng)過三個不同頻率的濾波器分離出10kHz、30kHz、50kHz正弦波信號，再對三個正弦波信號進(jìn)行放大、移相加到加法器中合成方波信號。三個正弦波信號的幅度通過單片機(jī)采樣，由液晶屏顯示出來。圖3 系統(tǒng)方框圖2.2 設(shè)計方案論證2.2.1 方波信號發(fā)生器方案一：通過反相器、外加電阻和電容來產(chǎn)生頻率可調(diào)、占空比可調(diào)的方波信號。其優(yōu)點(diǎn)電路簡單，且有些芯片可以產(chǎn)生穩(wěn)定的方波。方案二：利用單片機(jī)時鐘信號，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)輸出10kHz方波信號。實(shí)現(xiàn)起來相對較容易，但若沒有時間做本參賽題的發(fā)揮部分，

5、大材小用了。綜合所述，由于頻率穩(wěn)定直接影響信號的方波信號的分解與合成，并從實(shí)際出法，所以選擇方案二。2.2.2 濾波器 方案一：無源濾波。由無源元器（電阻、電容、電感）設(shè)計而成，電路簡單，但是濾波效果不好，且產(chǎn)生較多的雜波。方案二：有源濾波。由運(yùn)算放大器、電阻和電容構(gòu)成，無需電感器。還可提供電壓增益。由于方波信號發(fā)生器輸出的信號幅度較高（5V），從實(shí)際制作、調(diào)試方便和產(chǎn)生較好的濾波效果等角度考慮，所以選擇方案二。2.2.3 移相電路 方案一：有源移相電路。在移相的同時，還可以得到一定的增益，移向效果好，角度范圍大。 方案二：RC電路移相。電路簡單，但每級RC電路理論極限移相90度。由于三個正弦

6、波是在同一個方波信號下濾波產(chǎn)生的，它們之間相的位差相對較小，故選擇方案一。2.2.4 整流濾波電路方案一：采用精密整流、濾波電路。整流、濾波效果好，可對低于二極管導(dǎo)通電壓的信號進(jìn)行整流、濾波。但電路復(fù)雜。方案二：采用轉(zhuǎn)換芯片將交流直接轉(zhuǎn)換為直流，電路簡單、易于制作。由于任務(wù)要求對峰峰值為6V、2V、1.2V的正弦波信號進(jìn)行整流、濾波，故選擇方案二。3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3.1 硬件電路（主要單元電路設(shè)計）3.1.1電源電路本設(shè)計系統(tǒng)共需要四種不同的直流電壓，分別為+9V、-9V、+5V和+3.3V電壓。為了滿足電路供電要求，我們把+9V、-9V、+5V電源使用同一個電路輸出，如圖4（a）所示；而3.3V

7、電壓的輸出使用了TI公司REG1117穩(wěn)壓芯片，專門為后續(xù)單片機(jī)提供電壓，如圖4（b）所示。 （a）±9V、5V電源電路 （b）3.3V電源電路圖4 電源電路3.1.2 方波信號產(chǎn)生電路 圖5方波信號產(chǎn)生鎖相環(huán)CD4046為數(shù)字PLL，內(nèi)有兩個PD、VCO、緩沖放大器、輸入信號放大與整形電路、內(nèi)部穩(wěn)壓器等。它具有電源電壓范圍寬、功耗低、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，其工作頻率達(dá)1MHz，內(nèi)部VCO 產(chǎn)生50% 占空比的方波，輸出電平可與TTL電平或CMOS 電平兼容。同時，它還具有相位鎖定狀態(tài)指示功能。信號輸入端：允許輸入0.1V左右的小信號或方波，經(jīng)A1放大和整形

8、，提供滿足PD要求的方波。 PDI由異或門構(gòu)成，具有三角形鑒相特性。它要求兩個輸入信號均為50%占空比的方波。當(dāng)無輸入信號時，其輸出電壓為VDD/2，用以確定VCO的自由振蕩頻率PDI由異或門構(gòu)成，具有三角形鑒相特性。CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器，必須外接電容C1和電阻R1作為充放大元件。當(dāng)PL對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時還需要外接電阻R2。由于VCO是一個電流控制振蕩器，對定時電容C1的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率亦正比于該控制電壓。當(dāng)VCO控制電壓為0時，其輸出頻率最低；當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時，輸出頻率則線性地增大到最高

9、輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。由于它的充電和放電都由同一個電容C1完成，故它的輸出波形是對稱方波。一般規(guī)定CD4046的最高頻率為1.2MHz(VDD=15V），若VDD<15V，則fmax要降低一些。3.1.3分頻電路分頻電路實(shí)現(xiàn)將某方波通過分頻產(chǎn)生10KHz、30 KHz和50 KHz的新的方波。 根據(jù)題意要求，在某特定頻率的方波上要產(chǎn)生幾個其他頻率方波，可按照這些頻率的最小公倍數(shù)×2為原則，題目要求的三個頻率為10KHz、30KHz和50KHz，其公倍數(shù)為150KHz，再乘以2，則上述方波發(fā)生器為300KHz。驗(yàn)證一下

10、：300KHz頻率30分頻得10KHz，10分頻30KHz，6分頻50KHz。 采用十進(jìn)制計數(shù)分配器CD4017配合D觸發(fā)器CD4013實(shí)現(xiàn)分頻為上述3個頻率的方波，CD4017默認(rèn)10分頻，下圖中二極管正極連接位置決定分頻系數(shù)。對于CD4013，所起的作用是將由CD4017分頻后非50%占空比調(diào)節(jié)為50%。設(shè)計電路見圖3所示，300KHz輸入信號送CD4017的CLK（14pin），輸出信號從CD4013的Q端送出。   圖6 分頻器電路 該圖中由于D2接CD4017的Q3，因此實(shí)現(xiàn)將300KHz 3分頻，為 300KHz/3=10

11、0KHz 再經(jīng)后級CD4013進(jìn)行2分頻，獲得了 100KHz/2=50KHz 的頻率。 對于30KHz和10KHz的分析計算方法相同，不再細(xì)述。3.1.4濾波電路濾波電路的作用是從300kHz的方波信號中得到10kHz、30kHz、50kHz正弦波信號。本系統(tǒng)中選用有源LC帶通濾波電路，如 圖7帶通電路 電路設(shè)計時，低通與高通濾波電路串聯(lián)就可以構(gòu)成帶通濾波電路，條件是低通濾波電路的截止頻率大于高通濾波的截止頻率，兩者覆蓋的通路就構(gòu)成了帶通響應(yīng)。在選用元器件時，應(yīng)當(dāng)考慮由于元器件的誤差對傳遞函數(shù)造成的影響；考慮到已知A1的增益=1.586，A2的增益=2

12、.515；同時要盡量使運(yùn)放同相輸入端和反向輸入端對地電阻相等，同相比例放大電路的電壓增益就是有源低通或者高通的電壓增益。 當(dāng)f0=10kHz時，f=1/2RC；將高通和低通的電容都取為103 pF（為了滿足運(yùn)放電路的電阻不宜選擇過大或者過小，一般為幾千歐至幾十千歐比較合適）。取低通截止為10k，高通截止頻率為8k，R1和R17可調(diào)。圖7中，R7=（A1-1）R15，取R15=4.7k，R8=7.9k；同理，當(dāng)f0=30kHz時，R1=R4=5.25k，R10=R17=5.73k可調(diào)，C=102 pF。取R15=12.95k,R8=15.9k;同理當(dāng)f0=50kHz時，R1=R4=3.18k可調(diào)

13、,R10=R17=24k可調(diào)，C=102nF。取R15=10k,R8=10k。為了取得更好的濾波效果，在每一級濾波后面加上RC濾波電路，頻率按照上面的公式計算。 3.1.5放大電路放大電路的作用是把得到10kHz、30kHz、50kHz正弦波信號的幅度進(jìn)行放大，得到峰峰值為6V、2V、1.2V的正弦波信號。本系統(tǒng)選用了TI公司OPA227、082CD這兩種集成運(yùn)放作為放大電路的核心2。10kHz，30kHz,50kHz均采用如圖8所示的電路圖。由于輸入信號為20mV左右，前面加上跟隨器的原因是因?yàn)楦S器的輸入電阻趨于無窮大，該電路幾乎不從信號源吸收電流，因此當(dāng)負(fù)載變化時，輸出電壓幾乎不變，從而

14、消除負(fù)載變化對輸出電壓的影響。 圖8調(diào)幅電路3.1.6 移相電路移相電路的作用是使三個正弦波信號在同一個相位疊加，我們以10kHz正弦波信號為基準(zhǔn)，對30kHz、50kHz正弦波信號進(jìn)行移相。移相電路采用有源移相電路，如圖12所示。移相角，最大移相角為90°。具體電路參考附總電路圖。30kHz正弦波信號的移相電路R取10 k，C取10pF；50kHz正弦波信號的移相電路R取10 k，C取1pF。圖12 移相電路 3.1.7 加法電路加法電路作用是對10kHz、30kHz、50kHz三個正弦波信號進(jìn)行合成方波信號，電路如圖13所示，采用TI082CM。其中AV=1，前面加上跟隨器的原因

15、是因?yàn)楦S器的輸入電阻趨于無窮大，該電路幾乎不從信號源吸收電流，因此當(dāng)負(fù)載變化時，輸出電壓幾乎不變，從而消除負(fù)載變化對輸出電壓的影響。U0=（Ui1*R6/R1+Ui2*R6/R4+Ui3*R6/R5)；當(dāng)R1=R4=R5=R6的時候，就是這三個信號相加，合成方波。圖13 加法電路（方波合成電路）3.1.8 減法電路減法電路作用是對10kHz、30kHz正弦波信號進(jìn)行合成三角波信號，電路如圖14所示，采用TI082CM。其中AV=1，其他和加法合成電路一樣，只是將加了一個反向器，將30k的正弦波進(jìn)行反向后才能夠合成正弦波，因?yàn)槿遣ㄊ怯梢淮位ê投啻沃C波合成的，且每個相鄰的正弦波是反向的。U0

16、=（Ui1*R6/R1Ui2*R6/R4+Ui3*R6/R5);當(dāng)R1=R4=R5=R6的時候，就是這三個信號相加，合成三角波。 圖14 減法電路（三角波合成電路）3.1.9 整流濾波檢測電路由于任務(wù)要求檢測的信號幅度較高，故采用AD637集成有效值轉(zhuǎn)換器電路，并由單片機(jī)采樣、處理、顯示正弦波幅度的大小，如圖16所示。圖16整流濾波檢測電路3.2軟件設(shè)計3.2.1軟件流程圖 軟件流程圖如圖17所示。開始SD16_A初始化數(shù)據(jù)采樣是否采集五次數(shù)據(jù)處理取平均值控制LCD顯示NOYES圖17 軟件流程圖3.3.2 軟件程序 軟件程序見附錄2。4 系統(tǒng)性能測試與分析4.1 測試儀器示波器、數(shù)字萬用表4

17、.2 性能測試4.2.1. 測試方法 用示波器分別測量10kHz、30kHz、50kHz正弦波信號的波形、峰峰值和合成后的方波信號的三角波信號的波形、峰峰值及三個正弦波信號的頻譜分析。4.2.2測量內(nèi)容 1用示波器分別測量10kHz方波信號的波形，如圖18所示。2用示波器分別測量10kHz、30kHz、50kHz正弦波信號的波形、峰峰值及相位關(guān)系，如圖1922所示。圖18 10kHz方波信號 圖19 10kHz正弦波信號 圖20 30kHz正弦波信號 圖21 50kHz方波信號 圖22 10kHz、30kHz正弦波信號的相位比較 3用用示波器分別測量合成后的方波信號、三角波信號的波形、峰峰值，

18、如圖23、24所示圖23 合成后的方波信號 圖24 合成后的三角波信號 4. 對示波器對30kHz正弦信號的幅度進(jìn)行測量，與峰峰值數(shù)字顯示電路的值進(jìn)行比較，如表1所示。 表1 正弦波信號幅度的測量示波器測量值（V）峰峰值數(shù)字顯示電路顯示值（V）6.086.002.102.001.261.204.2.3 誤差分析 1.由于在萬能板上進(jìn)行焊接，對于頻率相對比較高的信號影響較大，可能產(chǎn)生波形的抖動和頻率的波動。 2.在元器件參數(shù)選擇上也存在一定的誤差，測量值與標(biāo)稱測量值不同或是沒有我們需要的元器件，采用各式方法合成的器件。5 總結(jié)與展望從測量的波形、數(shù)據(jù)看，本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了題目中的各個要求。同時，本

19、次比賽也極大地提高了我們的實(shí)踐操作能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。由于時間關(guān)系，系統(tǒng)仍有待進(jìn)一步完善，精度需要進(jìn)一步提高、測量信息需要進(jìn)一步擴(kuò)展，三角波可增加高次諧波成分進(jìn)行合成等。附錄1：電路總圖附錄2：軟件程序#include<reg52.h>/鎖存器*#include<stdio.h>#include<math.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit st=P30;/ADC0809端口定義sbit eoc=P32;sbit oe=P31;

20、/sbit dabc=P14;sbit ale=P37;sbit key0=P20; sbit key1=P21; sbit key2=P22; sbit key3=P23; sbit LCD_RS=P33;/數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）sbit LCD_RW=P34;/讀/寫選擇端（H/L）sbit LCD_EN=P35;/使能信號sbit LCD_PSB=P36;/并/串選擇（H/L） uchar ad_0809; uint ad_data,ad_data1,ad_data2,ad_data3;/uchar number=0;uchar code dis0="幅值測量:(V)&qu

21、ot;uchar code dis1="1:頻率10KHZ"uchar code dis2="2:頻率30KHZ"uchar code dis3="3:頻率50KHZ"uchar code dis4="幅值:"uchar code dis5="10KHZ"uchar code dis6="30KHZ"uchar code dis7="50KHZ"void delay(uint z) uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;

22、y>0;y-); /*12864*/*寫指令數(shù)據(jù)到LCD*/RS=L,RW=L,E=高脈沖，D0-D7=數(shù)據(jù)void write_cmd(uchar cmd)LCD_RS=0;LCD_RW=0;LCD_EN=0;P1=cmd;delay(5);LCD_EN=1;delay(5);LCD_EN=0;/*寫顯示數(shù)據(jù)到LCD*/RS=H,RW=L,E=高脈沖，D0-D7=數(shù)據(jù)void write_dat(uchar dat)LCD_RS=1;LCD_RW=0;LCD_EN=0;P1=dat;delay(5);LCD_EN=1;delay(5);LCD_EN=0;uchar read_date(

23、) /讀數(shù)據(jù) uint readvalue;P1=0xff;LCD_RS=1;LCD_RW=1;LCD_EN=0;LCD_EN=1;readvalue=P1;delay(1);LCD_EN=0;return readvalue;void lcd_set_dot(unsigned char x, unsigned char y) uchar x_byte, x_bit; /在橫坐標(biāo)的哪一個字節(jié)，哪一個位 uchar y_byte, y_bit; /在縱坐標(biāo)的哪一個字節(jié)，哪一個位 uchar tmph,tmpl; x_byte = x / 16; /算出它在哪一個字節(jié)(地址).注意一個地址是16

24、位的 x_bit = x % 16; /(取模)算出它在哪一個位 y_byte = y /32; /y 是沒在哪個字節(jié)這個說法.這里只是確定它在上半屏(32 行為一屏)還是下半屏.0:上半屏1:下半屏 y_bit = y % 32; /y_bit 確定它是在第幾行 write_cmd(0x34); /打開擴(kuò)展指令集.繪圖顯示關(guān)閉 write_cmd(0x80 + y_bit); /先寫垂直地址 write_cmd(0x80 + x_byte + 8 * y_byte); /水平坐標(biāo) .下半屏的水平坐標(biāo)起始地址為0x88.(+8*y_byte)就是用來確定在上半屏還是下半屏 read_date(

25、); /先空讀一次 tmph=read_date(); /讀高位 tmpl=read_date(); write_cmd(0x80+y_bit); /讀操作會改變AC，所以重新設(shè)置一次 write_cmd(0x80+x_byte+8*y_byte); if(x_bit < 8) /如果x_bit 位數(shù)小于8 write_dat(tmph|0x01 << (7 - x_bit);/寫高字節(jié)。因?yàn)樽鴺?biāo)是從左向右的.而GDRAM 高位在左，低位在右 write_dat(tmpl); /原數(shù)據(jù)送回 else write_dat(tmph); /原數(shù)據(jù)送回 write_dat(tmpl

26、|0x01 << (15 - x_bit); write_cmd(0x36); /打開繪圖顯示 write_cmd(0x30); /回到基本指令集,畢竟ST7920是以字符為主的void lcd_displayclr() /使用圖形模式時，應(yīng)對所有GDRAM 寫0x00 才算清屏，清屏命令（write_cmd(0x01)）是對使用自帶字庫顯示時用的uchar i, j, k ;write_cmd(0x34); /打開擴(kuò)展指令集，繪圖顯示關(guān)write_cmd(0x36); /打開擴(kuò)展指令集，繪圖顯示開for( i = 0 ; i < 2 ; i+ ) /分上下兩屏寫 for(

27、j = 0 ; j < 32 ; j+ ) write_cmd( 0x80 + j ) ; /寫Y 坐標(biāo) delay(1); if( i = 0 ) /寫X 坐標(biāo) write_cmd( 0x80 ) ; delay(1); else /寫下半屏 write_cmd( 0x88 ) ; delay(1); for( k = 0 ; k < 16 ; k+ ) /寫一整行數(shù)據(jù) write_dat(0x00) ; delay(1); write_cmd( 0x30 ) ; /關(guān)閉擴(kuò)展指令集void lcd_init()LCD_PSB=1; /并口方式write_cmd(0x30);/基本

28、指令操作（8位數(shù)據(jù)）delay(5);write_cmd(0x0c);/顯示開，關(guān)光標(biāo)delay(5);write_cmd(0x01);/清除LCD的顯示內(nèi)容delay(5);void fsin1() float x,y; uchar x1,y1; for(x=0;x<(4*3.1415);x+=0.1) y=2*sin(x); x1=10*x; y1=31-(10*y+0.5); /對y值進(jìn)行四舍五入 lcd_set_dot(x1,y1+10); void fsin2() float x,y; uchar x1,y1; for(x=0;x<(4*3.1415);x+=0.1) y

29、=1*sin(3*x); x1=10*x; y1=31-(10*y+0.5); /對y值進(jìn)行四舍五入 lcd_set_dot(x1,y1+10); void fsin3() float x,y; uchar x1,y1; for(x=0;x<(4*3.1415);x+=0.1) y=0.5*sin(5*x); x1=10*x; y1=31-(10*y+0.5); /對y值進(jìn)行四舍五入 lcd_set_dot(x1,y1+10); /*AD0809*/void ad0809()ale=1; ale=0;oe=0; /以下三條指令為起動AD0809st=0;delay(2);st=1;st=

30、0;while(eoc=0); /等待轉(zhuǎn)換結(jié)束oe=1; /取出讀得的數(shù)據(jù) ad_0809=P0;oe=0;void display1()uint i;write_cmd(0x80);i=0;while(dis0i!='0')write_dat(dis0i); /顯示字符i+; write_cmd(0x90+1);i=0;while(dis1i!='0')write_dat(dis1i); /顯示字符i+; write_cmd(0x88+1);i=0;while(dis2i!='0')write_dat(dis2i); /顯示字符i+; writ

31、e_cmd(0x98+1);i=0;while(dis3i!='0')write_dat(dis3i); /顯示字符i+; void display2()uchar t=0;ad_data=ad_0809*(5100/255)*2; /三位ad_data=ad_data*14/10;ad_data1=ad_data/1000; /百位ad_data2=(ad_data/100)%10; /十位ad_data3=(ad_data/10)%10; /個位write_cmd(0x80);while(dis4t!='0')write_dat(dis4t); /顯示字符t+; write_dat(ad_data1+0x30);delay(10);write_da