信號波形合成實驗電路設(shè)計

1、信號波形合成實驗電路小組成員：李于飛、耿紅鵬、趙瓏摘要： 本設(shè)計通過產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦信號，并將這些信號合成為近似的方波和三角波，構(gòu)成了信號波形合成實驗電路。本系統(tǒng)主要由8個部分構(gòu)成：由NE555構(gòu)成的方波振蕩電路；主要由集成計數(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)成的真有效值檢測電路；MSP430F149單片機控制液晶顯示電路。在本設(shè)計中，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并由單片機控制對幅度進行顯示。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，基本達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)計方案.1.3 濾波電路設(shè)計方案1.4移相電路設(shè)計方案.1.5 信號合成電路設(shè)計方案.1.6 信號檢測和顯示方案2、 理論分析與計算 2.1 系統(tǒng)原理框圖 2.2 方波信號的合成與分解. 2.3 三角波信號合成. 2.4 反相加法電路 . .三、總體方案的設(shè)計與實現(xiàn). 3.1 555振蕩電路原理分析與計算.

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比例運算和合成電路. 3.7 AD轉(zhuǎn)換和液晶顯示.4、 實驗測試及測試結(jié)果分析 4.1 測試儀器. 4.2 整機標(biāo)準(zhǔn) . 4.3 合成電路結(jié)果. 4.4 測試結(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，其頻率大小的測量往往需要通過硬件電路的切換來實現(xiàn)，操作不方便。 方案二：采用555振蕩電路或函數(shù)信號發(fā)生

4、器ICL8038集成模擬芯片，它是一種可以同時產(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定時器電路的外接滑動變阻器來進行調(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)簡單，低功耗，輸入阻抗高，上升沿陡等的特點，不用依靠單片機。根據(jù)題意，本系統(tǒng)需要一個300kHz的方波，所以選擇方案二，可滿足要求。 方案三：由UA741集成運算放大器構(gòu)成的方波信號發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)試方便，但它產(chǎn)生方波信號的可靠性差，易失真，穩(wěn)定性差。1.2 分頻電路設(shè)計方案 方案一：利用數(shù)字電路設(shè)計分頻電路。通過計數(shù)器計數(shù)來實現(xiàn)，由待分頻的時鐘邊沿觸發(fā)集成計數(shù)器計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器到規(guī)定值時，輸

5、出時鐘進行翻轉(zhuǎn)，并給計數(shù)器一個復(fù)位信號，使得下一個時鐘從零開始計數(shù)。以此循環(huán)下去。這種方法可以實現(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：使用編程方法實現(xiàn)分頻電路。其原理與利用集成計數(shù)器相同，實現(xiàn)起來也十分簡單，但分頻得到的時鐘可能會出現(xiàn)毛刺或不穩(wěn)定的因素，適用于時鐘要求不高的基本設(shè)計，且對于整數(shù)分頻可以很容易地用計數(shù)器來實現(xiàn)，故不采用此方案。1.3 濾波電路設(shè)計方案 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，對器件的要求也不高。但其在低頻范圍內(nèi)有體積重量大，價格昂貴和衰減大等缺點。方案二：采用實時DSP數(shù)字濾波技術(shù)，數(shù)字信號靈活性大，可以在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上對信號進行有效的濾波，但要進行濾波，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算速度，成本高。方案三：以集成運放LM318為核心的有源濾波電路，結(jié)構(gòu)簡單，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)計軟件。所以根據(jù)實際情況，選擇方案三作為系統(tǒng)的濾波方案。用集成運放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。輸入信號從電阻進入，輸出信號是從電容上輸出，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，移相角度隨所接負載和時間等因素的影響而產(chǎn)生漂移等。方案二：使用雙運放LM318做移相電路。此電路主要也運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單、工作可靠、成本低、波形好、適應(yīng)性強，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)實現(xiàn)。主要分為兩類：一類為是運用直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)DDS；一類是利用單片機計數(shù)延時的方法實現(xiàn)；一類是先將模擬信號或移相角數(shù)字化，經(jīng)移相后再還原成模擬信號。DDS技術(shù)的實現(xiàn)電路較為復(fù)雜；以DA轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)的移相，雖然所用元件少，但輸出信號的頻率難以細調(diào)，特別是移相的最小單位太大，只適合于對頻率要求不高，且移相角度固定的場合；以延時輸出方波的方式實現(xiàn)的移相，輸出信號的頻率以參考信

9、號的頻率為準(zhǔn)，而參考信號的頻率則可以精確給定，可用于對頻率要求高，且需無級移相的場合，但其硬件電路比較復(fù)雜。 1.5 信號合成電路設(shè)計方案 方波信號經(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幅度調(diào)整到規(guī)定比例，才能合成為新的合成信號。本課題采用反向比利運算電路實現(xiàn)幅度調(diào)整，采用反向加法運算實現(xiàn)信號合成。 1.6 信號檢測和顯示方案 信號檢測和顯示部分采用MSP430單片機，由于信號最高頻率50KHz，采用有效值檢測芯片AD637配合高頻檢波二極管和周圍阻容元件制作一個平均值檢測電路，送單片機的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、 理論分析與計算2.1 系統(tǒng)原理框圖信號源300KHZ15分頻5分頻3分頻電容隔離帶通濾波，信號放大同相加法器2分頻2分頻2分頻單片機顯示 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 方波信號的分解與合成 周期信號是由一個或幾個、乃至無窮多個不同頻率的諧波疊加而成的，因此周期信號可以分解成多個乃至無窮多個諧波信號。方波信號的傅里葉分解函數(shù)： (2-1)在理想情況下，方波的偶次諧波應(yīng)該無輸出信號，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）。信號源輸出300KHz的方波信號經(jīng)過分頻濾波

11、電路后可以得到10KHz、30KHz、50KHz的方波，其計算公式表示如下： (2-2)頻率為10KHz的正弦波信號的峰峰值為6V；、頻率為30KHz的正弦波信號的峰峰值為2V；頻率為50KHz的正弦波信號的峰峰值為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2.3三角波信號的合成三角波信號的傅里葉變換公式如下： (2-2)將產(chǎn)生的10KHz、30KHz、50KHz的合成方波信號的正弦信號，經(jīng)過變換和合成得到一個近似的三角波形信號。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、過計算三角波信號的幅度為5V。2.3 反相加法電路 把3個輸入信號（Vi1、Vi2、Vi3）同時加到運放的反相端，其輸入輸出電壓的關(guān)系為：當(dāng)R1=R2=R3=10K時，則有若令Rf=10K,則若輸出端再接一級反相器則可消去負號，使 (2-4) 三總體方案的設(shè)計與實現(xiàn)3.1 555振蕩電路原理分析與計算由555定時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)過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個暫穩(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，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間有關(guān)：充電時間：放電時間：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，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的方波信號進行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。 74LS90不僅可以用于計數(shù)，還能用于分頻，一片74LS90可構(gòu)成最大進制計數(shù)器是十進制，若分頻數(shù)大于10，則要用兩片或多片級聯(lián)，級聯(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)器對分頻后的方波進行整形。74LS08是四集成與門，在電路中起緩沖隔離的作用。CD4013是由兩個相同的、相互獨立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個觸發(fā)器有獨立的數(shù)據(jù)、置位、復(fù)位、時鐘輸入和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，能夠在分頻的同時對波形整形。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算放大器組成的有源積分電路實現(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RC無源積分電路實現(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，則會產(chǎn)生一定的相移，為了使合成波形達到相位要求，必須實現(xiàn)三路波形同步，這里的移相電路便實現(xiàn)這個功能，見圖6所示。其中圖6（a）實

16、現(xiàn)滯后相移90 o；圖6（b）實現(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 比例運算和合成電路的分析和計算課題要求合成后的波形類同于方波和三角波，則三個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，即比例運算電路，通過比例調(diào)節(jié)后加到一個加法器組成的疊加電路中，實現(xiàn)所要達到的相應(yīng)的波形。設(shè)計的電路見下圖所示。圖3.8 比例運算和和疊加電路在進行信號合成前，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行按規(guī)定調(diào)節(jié)好，以下探討信號疊加前各波形之間的相位和關(guān)系。1）方

17、波由傅立葉級數(shù)對方波予以分解可得可見各級諧波的系數(shù)比為。合成方波時，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)三個放大器的放大量獲得，初相可通過上一節(jié)對相位調(diào)節(jié)電路的調(diào)節(jié)來獲得。2）三角波同樣由傅立葉級數(shù)對方波予以分解可得可見前三級各級諧波的系數(shù)比為。合成三角波時，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相位取反。各自所需幅值可通過調(diào)節(jié)三個放大器的放大量獲得，初相可通過上一節(jié)對相位調(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的任務(wù)就是測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MSP430F149最小系統(tǒng)和LCD12864字符液晶顯示器等幾個部分組成，見圖8所示。被測信號10KHz、30 KHz、50 KHz、正弦信號三角信號D-BUSMSP430F149 單 片 機AD637有效值檢測電路LCD液晶顯示器AD轉(zhuǎn)換C-BUS圖3.9 單片機檢測和顯示系統(tǒng)框圖電路原理為： 將經(jīng)過AD637構(gòu)成的真有效值檢測電路輸出的信號經(jīng)單片機的A/D轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過計算，將有效值換算為幅度，送給LCD顯示，通過手動切換來對各個正弦信號的幅度進行測量和顯示。430F149單片

19、機的內(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，則一個字的測量誤差為0.24%，小于題目所要求的5%,可達到要求。AD637輸入正弦信號，輸出直流信號，直流信號的大小就是正弦信號的有效值。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，是影響測量準(zhǔn)確度和響應(yīng)時間的重要參數(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)定時間也會按比例增加，使測量時間大為延長。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 真有效值檢測電路原理圖 4 實驗測試及測試結(jié)果分析4.1 測試儀器數(shù)字示波器TDS2012B；數(shù)字萬用表DT890；函數(shù)信號發(fā)生器EE1641B1；雙路輸出直流穩(wěn)壓電源EM1715A。4.2整機標(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檢測系統(tǒng)的檢測誤差：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