信波形合成實(shí)驗(yàn)電路

1、信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路 （C 題）內(nèi)容介紹：該項(xiàng)目基于多個(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10KHz、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，并且采用段式液晶實(shí)時(shí)顯示測(cè)量信號(hào)的幅度值。1方案1.1題目分析考慮到本設(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)

2、信號(hào)源產(chǎn)生基本的方波振蕩，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：4h1f(t)(sin tsin3 t311sin5 tsin 7 t57)三角波也可以表示為：f (t)8 (sin t 2 sin3 t31 12 sin5 t 2sin7 t57)由以上的數(shù)學(xué)分析可知，保持各個(gè)正弦波之間的

3、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)量與顯示部分中，需要使用MCI采集并處理信息，使用液晶 顯示數(shù)值。1.2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)。1.3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，但一般晶振頻率較咼，而且不能 調(diào)節(jié)，對(duì)后級(jí)分頻電路的要求比較高。方案二：采用NE555 N555產(chǎn)生的方波震蕩電路比較穩(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

4、一：采用CPLD對(duì)CPLD編程固然可以，但是成本太高，性價(jià)比較低。方案二：使用74LS161計(jì)數(shù)器。74LS161是一種高性能、低功耗 CMOS位同步二 進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，分頻出來(lái)的信號(hào)比較穩(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濾波器比較困難，而普通的一階RC濾波 器過(guò)渡帶過(guò)于平坦，濾波效果較差，在比較了多種濾波器設(shè)計(jì)方法之后， 我們

5、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。方案二：基于運(yùn)放的RC峰值檢測(cè)。兩種方案相比較，二極管峰值包絡(luò)檢波器電路較為簡(jiǎn)單， 頻率范圍寬。因此選用2分析計(jì)算2.1公式推導(dǎo)555的振蕩頻率計(jì)算公式:ti 0.7( RiRw 2左Rwi)ct20.7(R2Rw2 右R w1 )c1ti t2，變阻器號(hào)，我們選用了如圖2電路，選用元 1k ，電容3.3nF，構(gòu)成占空比和頻率均考慮到555需要產(chǎn)生150kHz的方波信 器件參數(shù)為：定值電阻100 可調(diào)的方波振蕩電路。 分頻器的分頻計(jì)算公式：10 kHz30 kHz50 kHz150 kHz10150 kH

6、z5150 kHz3濾波器的基本參數(shù)計(jì)算公式:clock1RC唄VHt吩"V CCclock10V11.69 RC濾波器參數(shù)說(shuō)明根據(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），三個(gè)濾波 器選用電路圖，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：f(t)4h11 (sin t 3sin3 t 5sin5 t)三角波合成公式:8h1f(t) 2 (sin t sin3 tsin5 t)52根據(jù)題目要求和上述公式，在方波合成

7、中我們選擇的信號(hào)幅度分別為6V、2V和1.2V，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、0.67V和0.24V，并且30kHz正弦波與10kHz正弦波起始相位相反。2.2關(guān)鍵電路分析圖274LS00D74LS00D5分頻電路圖3方波振蕩電路VDD|VDd15VU1V15 Vrms 50kHz 0°vEEP07AH1-15VR3-WV11QI R2?3k| ?XSC1C1 22nFVEE電壓放大電路圖5圖6 移相電路圖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)成的5分頻電路，圖4是10kHz正弦波與30kHz正弦波的

8、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)3.1設(shè)計(jì)仿真、指標(biāo)分析圖7 方波輸出波形圖85分頻仿真結(jié)果ZX圖 10 10kHz 和 30kHz正弦波合成結(jié)果移相結(jié)果圖 1110kHz、 30kHz和50kHz正弦波合成結(jié)果圖12三角波輸出結(jié)果圖7-圖12是multisim 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)4.1軟件功能結(jié)構(gòu)主程序流程圖圖125測(cè)試方案5.1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

9、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)頻率，不需要外 接時(shí)鐘信號(hào)。在信號(hào)測(cè)量部分中，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。5.2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ISKBSr1JE圖15三個(gè)頻率的方波合成波形圖16數(shù)字顯示圖7總結(jié)展望經(jīng)過(guò)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)定的設(shè) 計(jì)過(guò)程。從最終的結(jié)果看，達(dá)到了預(yù)期的要求，主要包括：1. 10kHz、30kHz、50kHz正弦波的生成，無(wú)明顯失真，幅度達(dá)到規(guī)定的要 求。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， 波形基本沒(méi)有失真，相位穩(wěn)定。3. 設(shè)