信號波形合成實驗-zyy20141229

武漢大學珞珈學院

電子設(shè)計競賽研討

信號波形合成實驗電路武漢大學珞珈學院翟月英2014.12.30題意分析振蕩信號產(chǎn)生分頻與信號調(diào)理移相與信號合成主要內(nèi)容：信號波形合成實驗電路信號波形合成實驗電路任務(wù)

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，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電路示意圖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，合成波形的形狀如圖2所示。信號波形合成實驗電路圖2利用基波和3次諧波合成的近似方波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行測量和數(shù)字顯示的電路，測量誤差不大于±5％；（4）其他。信號波形合成實驗電路一、原理分析

周期性信號可以按照傅里葉級數(shù)的定義由三角函數(shù)線性組合來表示:

其中，

根據(jù)傅里葉展開式可以得知，合成出周期性信號的關(guān)鍵在于兩點：(1)各個諧波的幅值與展開式中的系數(shù)一致；(2)各個諧波保證同相。1、方波的傅里葉級數(shù)分析將方波進行傅里葉展開:

一、原理分析2、三角波的傅里葉級數(shù)分析將三角波信號進行傅里葉展開：

系數(shù)比10KHz30KHz50KHz方波11/31/5三角波1-1/91/25（注：負號表示相位相反）一、原理分析本題可分解為三個主要問題：

產(chǎn)生一個基頻（本題目中為10kHz）的振蕩信號；分頻獲得各個諧波，并且將其調(diào)理到和傅里葉級數(shù)系數(shù)相一致的幅度，并且濾除雜波；

將各個諧波調(diào)整到相位相同，相加合成為方波或者三角波。一、原理分析一、原理分析波形合成電路系統(tǒng)方案二、振蕩信號產(chǎn)生振蕩信號產(chǎn)生方式：CPLD或者FPGA產(chǎn)生并且分頻振蕩電路集成芯片如NE555等三角波和矩形波1、RC積分電路+比較器RC>2T三角波和矩形波1、RC積分電路+比較器ii三角波和矩形波1、RC積分電路+比較器滯回比較器三角波和矩形波1、RC積分電路+比較器555芯片T=tW1+tW2tW1=0.693（R1+R2）CtW2=0.693R2C三角波和矩形波1、RC積分電路+比較器555芯片占空比可調(diào)充電放電頻率也可調(diào)=0，=1，為振蕩電路三角波和矩形波1、RC積分電路+比較器2、反饋型多諧振蕩器幅度條件：放大倍數(shù)=1，相位條件：相位相同注意以上條件可以在多次反饋中滿足反饋環(huán)節(jié)：直接反饋，電容反饋，晶振反饋，選頻電路反饋多諧振蕩器正弦波振蕩(1)普通反相門構(gòu)成多諧振蕩器2、反饋型多諧振蕩器反相門的相位關(guān)系和幅度關(guān)系：相位：反相加時延幅度：74LS04CD4069在輸入端和輸出端之間接入一個反饋電阻RF，可使反相器工作在轉(zhuǎn)折區(qū)。(1)普通反相門構(gòu)成多諧振蕩器2、反饋型多諧振蕩器反相門的相位關(guān)系：反相加時延環(huán)路基本原理：偶數(shù)級反相：相移為360°奇數(shù)級反相：相移在兩遍環(huán)路后為360°(1)普通反相門構(gòu)成多諧振蕩器2、反饋型多諧振蕩器對稱型多諧振蕩器tw1=tw2=0.693RC≈0.7RCT≈1.4RC

+↑-↓-↓+↑(1)普通反相門構(gòu)成多諧振蕩器2、反饋型多諧振蕩器非對稱型多諧振蕩器(1)普通反相門構(gòu)成多諧振蕩器2、反饋型多諧振蕩器帶RC電路的環(huán)形振蕩器tw1≈0.94RCtw2≈1.26RCT≈2.2RC三級反相加上RC時延(2)石英晶體振蕩器2、反饋型多諧振蕩器將主要電路集成于芯片中T≈2.2RTCT32768Hz2Hz分頻1、觸發(fā)器分頻74LS76/10674LS74/CD4013CPQT’觸發(fā)器分頻1、觸發(fā)器分頻2、常用計數(shù)器芯片分頻輸入輸出CP/LD/CREPETQ3~Q0×/↑×0××全0↑01××預置數(shù)↑1111計數(shù)×110×保持×11×0保持分頻1、觸發(fā)器分頻2、常用計數(shù)器芯片分頻用CO或Qi輸出分頻信號改變計數(shù)值從而改變分頻值（1）反饋置數(shù)和反饋清零（2）級聯(lián)改變單個計數(shù)器的計數(shù)分頻值反饋置數(shù)反饋置數(shù)（0）反饋清零名稱適用計數(shù)器反饋端接受反饋端預置數(shù)狀態(tài)反饋清零法有同步清零輸入輸出的SM-1狀態(tài)同步清零輸入無S0～SM-1反饋清零法有直接清零輸入輸出的SM狀態(tài)直接清零輸入無S0～SM-1反饋置數(shù)法有同步預置功能進位端同步置數(shù)端N-MSN-M～SN-1反饋置數(shù)法有直接預置功能進位端直接置數(shù)端N-M-1SN-M-1～SN-2反饋置零法有預置功能輸出的SM-1狀態(tài)同步置數(shù)端0S0～SM-1級聯(lián)組合信號級聯(lián)（0~59）用使能端級聯(lián)反饋清零及級聯(lián)反饋置零及級聯(lián)級聯(lián)計數(shù)器級聯(lián)方式適用計數(shù)器特點低進位送高計數(shù)輸入有進位輸出低進位送高使能有進位輸出和使能端低狀態(tài)組合送高計數(shù)輸入無進位輸出或不計滿就需進位低狀態(tài)組合送高計數(shù)使能同上且有使能端（一）分頻1、觸發(fā)器分頻2、常用計數(shù)器芯片分頻型號功能74LS902/5/10進制異步計數(shù)器74LS922/6/12進制異步計數(shù)器74LS932/8/16進制異步計數(shù)器74LS160(CD40160)十進制可預置同步計數(shù)器，直接清零74LS161(CD40161)二進制可預置同步計數(shù)器，直接清零74LS162(CD40162)十進制可預置同步計數(shù)器，同步清零74LS163(CD40163)二進制可預置同步計數(shù)器，同步清零74LS190單時鐘8421BCD碼同步可逆計數(shù)器74LS191單時鐘四位二進制同步可逆計數(shù)器74LS192(CD40192)雙時鐘8421BCD碼加減同步可逆計數(shù)器74LS193(CD40193)雙時鐘四位二進制加減同步可逆計數(shù)器分頻1、觸發(fā)器分頻2、常用計數(shù)器芯片分頻3、脈沖計數(shù)分配器分頻4、可編程計數(shù)芯片三、信號調(diào)理本模塊將分頻獲得的各個頻率的諧波調(diào)整到合適的幅度并且濾除雜波干擾，因此分成兩個部分——濾波與放大。濾波部分：集成濾波器芯片，如MAX274，MAX297；普通有源濾波電路。集成濾波器芯片以其出色的性能和方便調(diào)試的特點在實際使用中廣受歡迎。三、信號調(diào)理

——濾波器設(shè)計

濾波的截止頻率均為幾十KHz，比較適合采用集成濾波芯片來實現(xiàn)。MAX297是一個性能出色的8階橢圓開關(guān)電容集成濾波器，外圍僅用一個電容設(shè)定截止頻率。

由于開關(guān)電容濾波器輸出信號時會有較多高次諧波，故在濾波輸出增加2階巴特沃斯低通濾波使輸出信號變得平滑。根據(jù)上述分析，濾波器電路如下圖所示三、信號調(diào)理

——濾波器設(shè)計頻率參數(shù)

10KHz30KHz50KHzC1(pF)56102C2(uF)0.10.0010.001R1(kΩ)142

按照表2中不同截止頻率下的R1、R2、R3、C1、C2的值計算C3、C4、R4的值對應(yīng)下表2表2濾波器參數(shù)表格三、信號調(diào)理

——濾波器設(shè)計幅度比值10KHz30KHz50KHz方波11/31/5三角波11/91/25根據(jù)傅里葉級數(shù)中的系數(shù)可知各次諧波的幅度比例，從而確定各路信號的放大倍數(shù)。三、信號調(diào)理

——幅度調(diào)整本電路中信號為幾十KHz，頻率并不高，一般的運算放大器，如OPA227，OPA606等都可以滿足要求。四、移相與信號合成——移相網(wǎng)絡(luò)信號經(jīng)過前級的濾波模塊和放大模塊之后，不同頻率的信號產(chǎn)生相位差。為了保證各個諧波可以合成方波必須用移相網(wǎng)絡(luò)把各次諧波的相位移為一致。如右圖的T形電路是一個全通網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)移相功能：簡單元器件移相UO=URUCUi四、移相與信號合成——移相網(wǎng)絡(luò)簡單元器件移相UO=URUCUi實際上：當電容及輸入信號頻率固定時，容抗XC也是固定的常數(shù)。UC:UR=XC:RUC2+XC2=Ui2=常數(shù)相位差接近0°時，輸出UR很小相位差接近90°時，電阻R的阻值應(yīng)接近∞一般可選R和XC在同一數(shù)量級相位差的變化小于90°R=XC時，相位差為45°看起來R的改變可使相位在0°到90°的范圍內(nèi)移動故其中，為輸入信號頻率，R、C為該相移網(wǎng)絡(luò)固定電容和電阻取值。

分析T形網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)：四、移相與信號合成——移相網(wǎng)絡(luò)（β為相移）

電阻和電容需滿足

時，故選擇適當?shù)腞、C元件參數(shù)，就可以極其方便地通過調(diào)節(jié)電位器電阻比來實現(xiàn)連續(xù)移相。理論上，β連續(xù)移動范圍為-45°～45°。四、移相與信號合成——移相網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)理論分析知，T型移相網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)。然而電位器Ro對T型移相網(wǎng)絡(luò)的阻抗有較大的影響，導致T型網(wǎng)絡(luò)不對稱，會減小β的取值范圍，所以用射隨隔開，如下圖所示四、移相與信號合成——移相網(wǎng)絡(luò)四、移相與信號合成