信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

1、信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路小組成員：李于飛、耿紅鵬、趙瓏摘要： 本設(shè)計(jì)通過產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦信號(hào)，并將這些信號(hào)合成為近似的方波和三角波，構(gòu)成了信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路。本系統(tǒng)主要由8個(gè)部分構(gòu)成：由NE555構(gòu)成的方波振蕩電路；主要由集成計(jì)數(shù)器74LS90和作為D觸發(fā)器的CD4013構(gòu)成的分頻電路；使用LM318構(gòu)成的窄帶通濾波電路；由雙運(yùn)放LM318構(gòu)成的移相電路；加法器合成電路；三角波合成電路；使用AD637構(gòu)成的真有效值檢測(cè)電路；MSP430F149單片機(jī)控制液晶顯示電路。在本設(shè)計(jì)中，方波振蕩電路可產(chǎn)生300KHZ頻率的方波，經(jīng)過分頻電路和隔直電容以后成為雙極性方波。再經(jīng)過濾波和放大以后得到了

2、所需的各次諧波，其經(jīng)過移相電路之后初相位相同，即可通過加法器合成為近似的方波和三角波。各次諧波有效值可檢測(cè)并由單片機(jī)控制對(duì)幅度進(jìn)行顯示。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，基本達(dá)到了題目的所有要求。關(guān)鍵字：方波振蕩電路；分頻；移相；真有效值；信號(hào)合成。 目錄一、系統(tǒng)方案1.1方波發(fā)生電路方案.1.2 分頻電路設(shè)計(jì)方案.1.3 濾波電路設(shè)計(jì)方案1.4移相電路設(shè)計(jì)方案.1.5 信號(hào)合成電路設(shè)計(jì)方案.1.6 信號(hào)檢測(cè)和顯示方案2、 理論分析與計(jì)算 2.1 系統(tǒng)原理框圖 2.2 方波信號(hào)的合成與分解. 2.3 三角波信號(hào)合成. 2.4 反相加法電路 . .三、總體方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 3.1 555振蕩電路原理分析與計(jì)算.

3、3.2 分頻電路. 3.3 方波三角波變換電路. 3.4三角波正弦波變換電路. 3.5移相電路. 3.6比例運(yùn)算和合成電路. 3.7 AD轉(zhuǎn)換和液晶顯示.4、 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及測(cè)試結(jié)果分析 4.1 測(cè)試儀器. 4.2 整機(jī)標(biāo)準(zhǔn) . 4.3 合成電路結(jié)果. 4.4 測(cè)試結(jié)果和分析.5、 總結(jié)一 系統(tǒng)方案1.1 方波發(fā)生電路方案 方案一：采用分立元件實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的多諧振振蕩器，然后根據(jù)需要加入積分電路等構(gòu)成正弦、矩形、三角等波形發(fā)生器。這種信號(hào)發(fā)生器輸出頻率范圍窄，而且電路參數(shù)設(shè)定較繁瑣，相位也不一致，其頻率大小的測(cè)量往往需要通過硬件電路的切換來實(shí)現(xiàn)，操作不方便。 方案二：采用555振蕩電路或函數(shù)信號(hào)發(fā)生

4、器ICL8038集成模擬芯片，它是一種可以同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的專用集成電路。波形的頻率可以通過調(diào)節(jié)555定時(shí)器電路的外接滑動(dòng)變阻器來進(jìn)行調(diào)節(jié)。該電路具有成本低廉，頻率可調(diào)，電路靈活方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低功耗，輸入阻抗高，上升沿陡等的特點(diǎn)，不用依靠單片機(jī)。根據(jù)題意，本系統(tǒng)需要一個(gè)300kHz的方波，所以選擇方案二，可滿足要求。 方案三：由UA741集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的方波信號(hào)發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)試方便，但它產(chǎn)生方波信號(hào)的可靠性差，易失真，穩(wěn)定性差。1.2 分頻電路設(shè)計(jì)方案 方案一：利用數(shù)字電路設(shè)計(jì)分頻電路。通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，由待分頻的時(shí)鐘邊沿觸發(fā)集成計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器到規(guī)定值時(shí)，輸

5、出時(shí)鐘進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并給計(jì)數(shù)器一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使得下一個(gè)時(shí)鐘從零開始計(jì)數(shù)。以此循環(huán)下去。這種方法可以實(shí)現(xiàn)任意的整數(shù)分頻電路，根據(jù)題意，選擇方案一作為系統(tǒng)的分頻方案。 方案二：使用編程方法實(shí)現(xiàn)分頻電路。其原理與利用集成計(jì)數(shù)器相同，實(shí)現(xiàn)起來也十分簡(jiǎn)單，但分頻得到的時(shí)鐘可能會(huì)出現(xiàn)毛刺或不穩(wěn)定的因素，適用于時(shí)鐘要求不高的基本設(shè)計(jì)，且對(duì)于整數(shù)分頻可以很容易地用計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，故不采用此方案。1.3 濾波電路設(shè)計(jì)方案 由分頻電路產(chǎn)生的單極性方波需要經(jīng)過窄帶通濾波電路形成正弦波。其帶通的范圍很窄，要與各次諧波的頻率接近。方案一：使用由LC網(wǎng)絡(luò)組成的無源高階巴特沃斯濾波器。其通帶內(nèi)相應(yīng)最為平坦，衰減特性和相位特性都很

6、好，對(duì)器件的要求也不高。但其在低頻范圍內(nèi)有體積重量大，價(jià)格昂貴和衰減大等缺點(diǎn)。方案二：采用實(shí)時(shí)DSP數(shù)字濾波技術(shù)，數(shù)字信號(hào)靈活性大，可以在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的濾波，但要進(jìn)行濾波，需要A/D、D/A既有較高的轉(zhuǎn)換速率，處理器具有較高的運(yùn)算速度，成本高。方案三：以集成運(yùn)放LM318為核心的有源濾波電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元件少，成本低，且電路輸入阻抗高、輸出阻抗低，并有專門的設(shè)計(jì)軟件。所以根據(jù)實(shí)際情況，選擇方案三作為系統(tǒng)的濾波方案。用集成運(yùn)放LM318和RC網(wǎng)絡(luò)組成的二階有源濾波電路器的濾波效果更好，幅頻相應(yīng)更接近理想特性，此外，它還具有一定的增益。故選此方案。1.4 移相電路設(shè)計(jì)方

7、案 方案一：利用RC移相電路。RC移相電路主要是由電容的電流超前電壓90度這一特性。RC滯后移相電路是電阻在前面，電容在后面。輸入信號(hào)從電阻進(jìn)入，輸出信號(hào)是從電容上輸出，其與電容并聯(lián)，電壓相等，所以輸出電路的電壓也滯后電流。同理，RC超前移相電路是電容器在前面，電阻在后面?？赏ㄟ^改變RC的值來改變移相的度數(shù)，相移在0°90°之間變化。使用RC移相電路輸出波形受輸入波形的影響，移相操作不方便，移相角度隨所接負(fù)載和時(shí)間等因素的影響而產(chǎn)生漂移等。方案二：使用雙運(yùn)放LM318做移相電路。此電路主要也運(yùn)用了電容的電流超前電壓90度這一特性。但其不是單純的無源電路而是結(jié)合了集成運(yùn)放的有

8、源電路，其體積小、性能穩(wěn)定，輸入阻抗高，輸出阻抗低，由它組成的移相電路具有電路簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低、波形好、適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以提供180°的相移。還兼有放大和緩沖的作用，故選此方案。方案三：使用數(shù)字移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)。主要分為兩類：一類為是運(yùn)用直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)DDS；一類是利用單片機(jī)計(jì)數(shù)延時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)；一類是先將模擬信號(hào)或移相角數(shù)字化，經(jīng)移相后再還原成模擬信號(hào)。DDS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)電路較為復(fù)雜；以DA轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)的移相，雖然所用元件少，但輸出信號(hào)的頻率難以細(xì)調(diào)，特別是移相的最小單位太大，只適合于對(duì)頻率要求不高，且移相角度固定的場(chǎng)合；以延時(shí)輸出方波的方式實(shí)現(xiàn)的移相，輸出信號(hào)的頻率以參考信

9、號(hào)的頻率為準(zhǔn)，而參考信號(hào)的頻率則可以精確給定，可用于對(duì)頻率要求高，且需無級(jí)移相的場(chǎng)合，但其硬件電路比較復(fù)雜。 1.5 信號(hào)合成電路設(shè)計(jì)方案 方波信號(hào)經(jīng)過波形變換和移相后，其輸出幅度將有不同程度的衰減，合成前需要將各成分的信號(hào)幅度調(diào)整到規(guī)定比例，才能合成為新的合成信號(hào)。本課題采用反向比利運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)整，采用反向加法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成。 1.6 信號(hào)檢測(cè)和顯示方案 信號(hào)檢測(cè)和顯示部分采用MSP430單片機(jī)，由于信號(hào)最高頻率50KHz，采用有效值檢測(cè)芯片AD637配合高頻檢波二極管和周圍阻容元件制作一個(gè)平均值檢測(cè)電路，送單片機(jī)的12位AD轉(zhuǎn)換并換算，得到其幅值，送顯示器LCD12864控制顯示2

10、 理論分析與計(jì)算2.1 系統(tǒng)原理框圖信號(hào)源300KHZ15分頻5分頻3分頻電容隔離帶通濾波，信號(hào)放大同相加法器2分頻2分頻2分頻單片機(jī)顯示 300KHZ 10KHZ、30KHZ、50KHZ 方波 電路 合成 +5V 圖2-1 系統(tǒng)原理框圖 三角波 -5V2.2 方波信號(hào)的分解與合成 周期信號(hào)是由一個(gè)或幾個(gè)、乃至無窮多個(gè)不同頻率的諧波疊加而成的，因此周期信號(hào)可以分解成多個(gè)乃至無窮多個(gè)諧波信號(hào)。方波信號(hào)的傅里葉分解函數(shù)： (2-1)在理想情況下，方波的偶次諧波應(yīng)該無輸出信號(hào)，始終為零電平，奇次諧波中的一、三、五次諧波的幅度比為1：（1/3）:（1/5）。信號(hào)源輸出300KHz的方波信號(hào)經(jīng)過分頻濾波

11、電路后可以得到10KHz、30KHz、50KHz的方波，其計(jì)算公式表示如下： (2-2)頻率為10KHz的正弦波信號(hào)的峰峰值為6V；、頻率為30KHz的正弦波信號(hào)的峰峰值為2V；頻率為50KHz的正弦波信號(hào)的峰峰值為1.2V。圖2所示分別為1、3、5次諧波的分解與合成圖。各次諧波合成方波的幅值為5V。 圖2.1 1、3、5次諧波的分解與合成2.3三角波信號(hào)的合成三角波信號(hào)的傅里葉變換公式如下： (2-2)將產(chǎn)生的10KHz、30KHz、50KHz的合成方波信號(hào)的正弦信號(hào)，經(jīng)過變換和合成得到一個(gè)近似的三角波形信號(hào)。采用公式（2-1）變換取1、3、5次諧波分量可以得到近似三角波，即： (2-3)經(jīng)

12、過計(jì)算三角波信號(hào)的幅度為5V。2.3 反相加法電路 把3個(gè)輸入信號(hào)（Vi1、Vi2、Vi3）同時(shí)加到運(yùn)放的反相端，其輸入輸出電壓的關(guān)系為：當(dāng)R1=R2=R3=10K時(shí)，則有若令Rf=10K,則若輸出端再接一級(jí)反相器則可消去負(fù)號(hào)，使 (2-4) 三總體方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 555振蕩電路原理分析與計(jì)算由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器，多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。電路圖如圖2所示。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過一段時(shí)間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。電源接通后，VCc通過電阻R1、R2向電容C

13、充電。當(dāng)電容上電VC=2/3Vcc時(shí)，閥值輸入端受到觸發(fā)，比較器C1翻轉(zhuǎn)，輸出電壓Vo=0，同時(shí)放電管T導(dǎo)通，電容C通過R2放電；當(dāng)電容上電壓VC=1/3Vcc，比較器C2工作，輸出電壓Vo變?yōu)楦唠娖?。C放電終止、又重新開始充電，周而復(fù)始，形成振蕩。其振蕩周期與充放電的時(shí)間有關(guān)：充電時(shí)間：放電時(shí)間：振蕩周期：T=tPH+tPL0.7(R1+2R2)C振蕩頻率：f=1/T=占空系數(shù)： 當(dāng)R2>>R1時(shí)，占空系數(shù)近似為50。圖3.1方波發(fā)生電路圖3.2仿真波形3.2 分頻電路由74LS90、74LS08、CD4013三片芯片組成。先將300KHz的方波信號(hào)進(jìn)行3分頻、5分頻、15分頻，

14、再通過CD4013 D觸發(fā)器二分頻，最終得到50KHz、30KHz、10KHz的正弦波信號(hào)。 74LS90不僅可以用于計(jì)數(shù)，還能用于分頻，一片74LS90可構(gòu)成最大進(jìn)制計(jì)數(shù)器是十進(jìn)制，若分頻數(shù)大于10，則要用兩片或多片級(jí)聯(lián)，級(jí)聯(lián)后高位的周期即為分頻后的周期，但占空比并非50%，這就需要用D觸發(fā)器對(duì)分頻后的方波進(jìn)行整形。74LS08是四集成與門，在電路中起緩沖隔離的作用。CD4013是由兩個(gè)相同的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個(gè)觸發(fā)器有獨(dú)立的數(shù)據(jù)、置位、復(fù)位、時(shí)鐘輸入和Q及Q輸出，電路中CD4013的接法是將R、S都接地并讓接到D上，置位和復(fù)位與時(shí)鐘無關(guān)，而分別由置位或復(fù)位線上的高電平完成。由

15、D觸發(fā)器構(gòu)成的二分頻電路，能夠在分頻的同時(shí)對(duì)波形整形。圖3.36分頻圖3.410分頻圖3.530分頻3.3 方波三角波變換電路方波三角波變換電路采用由運(yùn)算放大器組成的有源積分電路實(shí)現(xiàn)，見圖所示。圖3.6 方波三角波變換電路3.4 三角波正弦波變換電路三角波正弦波變換電路采用單級(jí)RC無源積分電路實(shí)現(xiàn)，見圖所示。圖 3.7 三角波正弦波變換電路3.5 移相電路uiuo1K 20K1000P2Kuiuo 1K 20K2K1000P在上述變換電路中曾出現(xiàn)過RC積分電路的應(yīng)用，則會(huì)產(chǎn)生一定的相移，為了使合成波形達(dá)到相位要求，必須實(shí)現(xiàn)三路波形同步，這里的移相電路便實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，見圖6所示。其中圖6（a）實(shí)

16、現(xiàn)滯后相移90 o；圖6（b）實(shí)現(xiàn)超前相移90 o（a）滯后移相 （b）超前移相圖 移相電路根據(jù)需要，后續(xù)電路可接入超前移相的或滯后移相的移相器。3.6 比例運(yùn)算和合成電路的分析和計(jì)算課題要求合成后的波形類同于方波和三角波，則三個(gè)頻率分量要滿足傅立葉變換系數(shù)的要求，這里就需要系數(shù)矯正電路，即比例運(yùn)算電路，通過比例調(diào)節(jié)后加到一個(gè)加法器組成的疊加電路中，實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的相應(yīng)的波形。設(shè)計(jì)的電路見下圖所示。圖3.8 比例運(yùn)算和和疊加電路在進(jìn)行信號(hào)合成前，各波形（10KHz的基波、30KHz的三次諧波、50KHz的五次諧波）的幅度和相位都要進(jìn)行按規(guī)定調(diào)節(jié)好，以下探討信號(hào)疊加前各波形之間的相位和關(guān)系。1）方

17、波由傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)方波予以分解可得可見各級(jí)諧波的系數(shù)比為。合成方波時(shí)，據(jù)題意，正弦波的峰峰值為6V，正弦波的峰峰值為2V，正弦波的峰峰值應(yīng)為1.2V。另外，這些諧波要求初相位相同，由式可知，初相位均為零。各自所需幅值可通過調(diào)節(jié)三個(gè)放大器的放大量獲得，初相可通過上一節(jié)對(duì)相位調(diào)節(jié)電路的調(diào)節(jié)來獲得。2）三角波同樣由傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)方波予以分解可得可見前三級(jí)各級(jí)諧波的系數(shù)比為。合成三角波時(shí)，據(jù)題意，正弦波的峰峰值為6V，正弦波的峰峰值為0.67V，正弦波的峰峰值應(yīng)為0.24V。另外，這些諧波中每隔一個(gè)相位取反。各自所需幅值可通過調(diào)節(jié)三個(gè)放大器的放大量獲得，初相可通過上一節(jié)對(duì)相位調(diào)節(jié)電路的調(diào)節(jié)來獲得。3.7

18、AD轉(zhuǎn)換和液晶顯示單片機(jī)的任務(wù)就是測(cè)量某路的正弦波的幅值和送顯示，其組成部分有精密檢波電路、平滑濾波電路、單片機(jī)MSP430F149最小系統(tǒng)和LCD12864字符液晶顯示器等幾個(gè)部分組成，見圖8所示。被測(cè)信號(hào)10KHz、30 KHz、50 KHz、正弦信號(hào)三角信號(hào)D-BUSMSP430F149 單 片 機(jī)AD637有效值檢測(cè)電路LCD液晶顯示器AD轉(zhuǎn)換C-BUS圖3.9 單片機(jī)檢測(cè)和顯示系統(tǒng)框圖電路原理為： 將經(jīng)過AD637構(gòu)成的真有效值檢測(cè)電路輸出的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過計(jì)算，將有效值換算為幅度，送給LCD顯示，通過手動(dòng)切換來對(duì)各個(gè)正弦信號(hào)的幅度進(jìn)行測(cè)量和顯示。430F149單片

19、機(jī)的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為12位，其分辨率為1/1024，參考電壓選用2.5V，則一個(gè)字的測(cè)量誤差為0.24%，小于題目所要求的5%,可達(dá)到要求。AD637輸入正弦信號(hào)，輸出直流信號(hào)，直流信號(hào)的大小就是正弦信號(hào)的有效值。峰峰值與有效值的轉(zhuǎn)換公式為：占空比為1的方波的有效值=峰峰值×0.5。 AD637的外部電容C1的選擇至關(guān)重要，是影響測(cè)量準(zhǔn)確度和響應(yīng)時(shí)間的重要參數(shù)，盡管增加電容的容量可以減少紋波電壓產(chǎn)生的交流誤差，但穩(wěn)定時(shí)間也會(huì)按比例增加，使測(cè)量時(shí)間大為延長(zhǎng)。外圍電路可通過第9腳和第6腳設(shè)置一可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)，但難以達(dá)到高準(zhǔn)確度要求。（1） 軟件流程圖 初始化：端口，顯示，5路A/D轉(zhuǎn)換調(diào)

20、用數(shù)據(jù)處理函數(shù)調(diào)用LCD顯示函數(shù) A/D轉(zhuǎn)換 開始 圖 3-10圖3-11 真有效值檢測(cè)電路原理圖 4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及測(cè)試結(jié)果分析4.1 測(cè)試儀器數(shù)字示波器TDS2012B；數(shù)字萬用表DT890；函數(shù)信號(hào)發(fā)生器EE1641B1；雙路輸出直流穩(wěn)壓電源EM1715A。4.2整機(jī)標(biāo)準(zhǔn)1） 電源供電：雙DC5V±2V，60mA；DC3.3V±2V，60mA；雙DC15V±2V，1A；2）使用環(huán)境：溫度-20O C+80 O C；濕度095%RH3）外觀尺寸 420×360×754）MCU檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)誤差：小于等于2%4.3方波合成電路結(jié)果用示波器分別觀察用