信波形合成實(shí)驗(yàn)電路

1、信波形合成實(shí)驗(yàn)電路YUKI was compiled on the morning of December 16, 2021信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路(C題)內(nèi)容介紹：該項(xiàng)LI基于多個(gè)正弦波合成方波與三角波等非正弦周期信號(hào)的電路。使用555電路構(gòu)成基準(zhǔn)的方波振蕩信號(hào)，以74LS161實(shí)現(xiàn)前置分頻形成lOKHz、30kHz、50kHz的方波信號(hào)，利用 TLC04濾波器芯 片獲得其正弦基波 分量，以TLC084實(shí)現(xiàn)各個(gè)信號(hào)的放大、衰減和加法功能，同時(shí)使用RC移相 電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相位同步；使用二極管峰值包絡(luò)檢波電路獲得正弦信號(hào)的幅度，以MSP430作為微控制器對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行采樣， 并且釆用段式液晶實(shí)時(shí)顯

2、示測(cè)量信號(hào)的幅 度值。目分析1方案考慮到本設(shè)計(jì)課題需要用多個(gè)具有確定相位和幅度關(guān)系的正弦波合成非正弦周期信號(hào)，首選使用同一個(gè)信號(hào)源產(chǎn)生根本的方波振蕩，使得后級(jí)的多個(gè)正弦波之間保持確定的相位關(guān)系。在濾波器環(huán)節(jié)，為了生成 10kHz、30kHz和50kHz的正弦波，我們需要使 用三個(gè)獨(dú) 立的濾波器，由于輸入濾波器的是 10kHz、30kHz和50kHz的方波信 號(hào)，所以可以使用帶 通濾波器或者低通濾波器，并且盡量維持一致的相位偏移。從Fourier信號(hào)分析理論看，合成數(shù)學(xué)上可以證明此方波可表示為：/(f) = (sin +-sin 3 期 + 匕尬 5 必 + 丄 sin7m + 357三角波也可

3、以表示為：/(/)= 竺(sii 伽一 一sin 3 型 + 丄 sin 5 曲一 兀？35"由以上的數(shù)學(xué)分析可知，保持各個(gè)正弦波之間的相位和幅度的準(zhǔn)確關(guān)系是 準(zhǔn)確合成方 波和三角波的關(guān)鍵，為此，需要為各個(gè)頻率的正弦波設(shè)計(jì)移相電路 和放大電路以調(diào)節(jié)大小 和相位關(guān)系。在正弦波幅度測(cè)量與顯示局部中，需要使用MCU采集并處理信息，使用 液晶顯示數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，使用同一個(gè)方波發(fā)生器作為基準(zhǔn)，以便實(shí)現(xiàn)相位同步；為補(bǔ)償在分頻器和濾波器中出現(xiàn)的相位偏移，需要后級(jí)進(jìn)行相位和幅度校 準(zhǔn)50kHz圖1總體原理框圖方案選擇方波發(fā)生器方案一：使用晶振。晶振產(chǎn)生的方波頻率精確，但一般晶振頻率較高

4、，而且不能調(diào)節(jié)，對(duì)后級(jí)分頻電路的要求比擬高。方案二：采用NE555。N555產(chǎn)生的方波震蕩電路比擬穩(wěn)定，而且頻率、占空比 均可調(diào)。因此選用方案二。分頻器 方案一：采用 CPLD。對(duì)CPLD編程固然可以，但是本錢太高，性價(jià)比擬低。方案二：使用74LS161計(jì)數(shù)器。74LS161是一種高性能、低功耗 CMOS4位同步二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，分頻出來的信號(hào)比擬穩(wěn)定。因此選用方案二濾波器 方案一：使用 LC 濾波器構(gòu)建帶通濾波器或者使用 RC 構(gòu)建低通濾波器。方案二：使用 TLC04 集成四階巴特沃茲濾波器。 TLC04 濾波器有以下兩種接 法。一是使 用外接接時(shí)鐘信號(hào)，二是直接用 RC 構(gòu)成自激振蕩作為時(shí)鐘

5、信號(hào)， 而且電位器可調(diào)，可以 調(diào)整波形。由于濾波器截止頻率較低，使用 LC 濾波器比擬困難，而普通的一階 RC 濾 波器過渡 帶過于平坦， 濾波效果較差， 在比擬了多種濾波器設(shè)計(jì)方法之后， 我 們選定了 TI 的 TLC04 芯片作為濾波器。正弦波幅值檢測(cè)電路 方案一：二極管峰值包絡(luò)檢波器。用方案一方案二：基于運(yùn)放的 RC 峰值檢測(cè)。兩種方案相比擬，二極管峰值包絡(luò)檢波器電路較為簡單，頻率范圍寬。因此選2分析計(jì)算公式推導(dǎo)555的振蕩頻率計(jì)算公式人=0.7(&+ 心 2 左+/?2 =? 7(/?2 + 右 + R ivl )C考慮到555需要產(chǎn)生150kHz的方波信號(hào)，我們選用了如圖2電

6、路.選用元器 件參數(shù)為: 定值電阻100Q,變阻器IkQ,電容，構(gòu)成占空比和頻率均可調(diào)的方波振蕩電路。5OkH z.=50kHzio -15(% Hz 5- 50kHz.minJ clack分頻器的分頻計(jì)算公式： 濾波器的根本參數(shù)計(jì)算公式y(tǒng) V VME(壬二忒)(磴) 10VJ dock11.69RC濾波器參數(shù)說明,三個(gè)濾波器選根據(jù)TLC元器件手冊(cè)給定的指標(biāo)，截止頻率與元器件參數(shù)公式用電路圖，其 RC參數(shù)分別為10kHz方波：R為10k變位器，C為200p電容 30kHz方波：R為10k變位器，C為50p電容50kHz方波：R為10k變位器，C為15p電容波形合成計(jì)算公式：方波合成公式：4/7

7、 1 1/(/) = (sin6X + -sin36yf+ -sin5fiX ) 龍 3 5 三角波合成公式：/(Z) = (sin6X 一一 sin36X + sin5ryf) 7T 3， 5根據(jù)題目要求和上述公式，在方波合成中我們選擇的信號(hào)幅度分別為6V 、2V 和，三個(gè)信號(hào)起始同相；在三角波合成中我們選擇的信號(hào)幅度分別為6V 、 和，并且30kHz正弦波與10kHz正弦波起始相位相反。關(guān)鍵電路分析1A1 2ni/alsoqdnP4LS00Dis 7古油堆蒞加法中ITTrfrdr園K耕未日由越XSC1圖2-圖6是關(guān)鍵電路的電路圖，圖2是采用555構(gòu)成的方波振蕩電路，圖3是用74LS161構(gòu)

8、成的5分頻電路，圖4是10kHz正弦波與30kHz正弦波的疊 加電路， 圖5是電壓放大電路，圖 6是有源移相電路?3電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)仿真、指標(biāo)分析移相結(jié)果 圖 7- 圖 12 是 mi 山 isim 仿真軟件的仿真結(jié)果，圖 7 是用 555 定時(shí)器產(chǎn)生的方 波電路，圖8是用74LS161計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的30kHz的方波信號(hào)，圖9是采用有源 移相。圖10- 圖 12,是合成方波和正弦波信號(hào)。4程序設(shè)計(jì)LCD顯示峰值一 1iiiibf5測(cè)試方案主程序流程圖軟件功能結(jié)構(gòu) 測(cè)量方法本系統(tǒng)能夠自行產(chǎn)生150kHz的基準(zhǔn)方波信號(hào)，故不需要外接信號(hào)源作為 基準(zhǔn)；同時(shí)，本系統(tǒng)的低通濾波器使用了 RC自振蕩信號(hào)作為基準(zhǔn)

9、頻率，不需 要外接時(shí)鐘信號(hào)。在信號(hào)測(cè)量局部中，MSP430單片機(jī)實(shí)用晶振作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，自帶A/D進(jìn)行 信號(hào)采樣測(cè)量點(diǎn)選擇為更好的進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試，本系統(tǒng)在以下位置留有測(cè)試點(diǎn)：1、波器輸出端，用以測(cè)試濾波器幅頻特性和相頻特性。2、移相器輸出端，用以測(cè)試移相器性能并測(cè)試信號(hào)幅度。3、信號(hào)合成加法器端，用以測(cè)試合成方波與三角波的幅度、相位與失真。6測(cè)試結(jié)果圖13方波合成波形圖圖15三個(gè)頻率的方波合成波形圖14三角波合成波形圖 數(shù)字顯7總結(jié)展望設(shè)計(jì)過程經(jīng)過六天的電路設(shè)計(jì)、 焊接調(diào)試、程序設(shè)計(jì)聯(lián)調(diào)，最終完成了整個(gè)規(guī)定的 從最終的結(jié)果看，到達(dá)了預(yù)期的要求，主要包括：1 . 10kHz、 30kHz、50kHz 正弦波的生成，無明顯失真，幅度到達(dá)規(guī)定的要求。波形根本2.將多個(gè)正弦信號(hào)合成非正弦的周期信號(hào)，完成了方波與三角波的合成， 沒有失真，相位穩(wěn)定。符合設(shè)計(jì)3?設(shè)計(jì)并制作