信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)報(bào)告

1、信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)報(bào)告計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系學(xué)號(hào)：B08030403姓名：李佑娟信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路目錄第一章 技術(shù)指標(biāo) 1 系統(tǒng)功能要求 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求第二章 整體方案設(shè)計(jì) 1 方案設(shè)計(jì) 2 整體方案 第三章 單元電路設(shè)計(jì) 1 方波震蕩器電路設(shè)計(jì) 2 分頻電路設(shè)計(jì) 3 濾波電路設(shè)計(jì) 4 移相和加法電路設(shè)計(jì) 5 整體電路圖 6 整體元件清單第四章 測(cè)試與調(diào)整 1 方波振蕩電路調(diào)測(cè) 2 分頻電路調(diào)測(cè) 3 濾波電路調(diào)測(cè) 4 移相和加法電路調(diào)測(cè) 5 整體指標(biāo)測(cè)試第五章 設(shè)計(jì)小結(jié) 1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況 2 問題與改進(jìn) 3 心得體會(huì)第一章 技術(shù)指標(biāo)1 系統(tǒng)功能要求1.1 基本要求 (1)

2、方波振蕩器的信號(hào)經(jīng)分頻濾波處理，同時(shí)產(chǎn)生頻率為10kHz和30kHz 的正弦波信號(hào)，這兩種信號(hào)應(yīng)具有確定的相位關(guān)系； (2)產(chǎn)生的信號(hào)波形無明顯失真，幅度峰峰值分別為6V和2V； (3)制作一個(gè)由移相器和加法器構(gòu)成的信號(hào)合成電路，將產(chǎn)生的10kH和 30kHz正弦波信號(hào)，作為基波和3次諧波，合成一個(gè)近似方波，波形幅度為5V，合成波形的形狀如圖1所示。圖1 利用基波和3次諧波合成的近似方波 1.2 發(fā)揮部分 再產(chǎn)生50kHz的正弦信號(hào)作為5次諧波，參與信號(hào)合成，使合成的波形 更接近于方波。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求2.1 方波振蕩器產(chǎn)生方波2.2 由CPLD編程實(shí)現(xiàn)分頻和移相電路2.3 通過濾波電路才能

3、產(chǎn)生比較干凈穩(wěn)定的正弦波2.4 方波通過分頻和濾波后，再通過限幅電路，將10kHz、30kHz以及50kHz的正弦波的峰峰值分別調(diào)整為6V、2V和1.2V。2.5 最后通過一個(gè)加法電路，將10kHz和30kHz的波形合成，由移相電路調(diào)整使波形如圖1為止；再將10kHz、30kHz和50kHz三路波形通過假發(fā)電路合成，同上調(diào)整，最終波形如圖2。 圖2 基波、三次諧波和五次諧波合成的方波2.6 該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 第二章 整體方案設(shè)計(jì)1 方案設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為五部分：方波振蕩器、分頻器、濾波器、移相器和加法器。 1.1 方波振蕩器：可采用硅振蕩器，其可產(chǎn)生高頻方波； 1.2 分頻器：該部分可在C

4、PLD上編程實(shí)現(xiàn)，分頻可采用扭環(huán)計(jì)數(shù)器，最終得到10kHz、30kHz和50kHz的方波； 1.3 濾波器：通過軟件設(shè)計(jì)得到濾波電路，共有三個(gè)濾波電路，注意濾波電路中的電阻的精度應(yīng)該盡量高，這樣才能將波濾的更干凈； 1.4 移相器和加法器：移相器由D觸發(fā)器組成，加法器的輸入端用電位器以方便波形調(diào)幅。2 整體方案框圖 第三章 單元電路設(shè)計(jì) 1 方波振蕩器電路設(shè)計(jì) 方波直接由一個(gè)硅晶體振蕩器產(chǎn)生，此次實(shí)驗(yàn)中采用的是產(chǎn)生12MHz方波的硅晶體振蕩器。硅晶振的頻率穩(wěn)定度很高，這是在此次實(shí)驗(yàn)中選取硅晶振作為方波振蕩器的一個(gè)很重要的原因。2 分頻電路設(shè)計(jì) 現(xiàn)在輸入信號(hào)是12MHz的方波信號(hào)，要同時(shí)得到10

5、kHz、30kHz和50kHz的方波信號(hào)，我們可以用CPLD模擬，對(duì)12MHz的方波進(jìn)行逐級(jí)分頻。經(jīng)過不斷的試驗(yàn)，最終我們選取了一個(gè)較為合理的分頻步驟以及中間采用的電路設(shè)計(jì)如下： 先通過模擬觀察分頻信號(hào)，再通過示波器測(cè)量每一個(gè)方波的頻率，以驗(yàn)證電路的準(zhǔn)確性。3 濾波電路設(shè)計(jì) 濾波電路可直接用FilterPro Desktop軟件得到，10kHz、30kHz和50kHz的濾波電路如下所示。 圖3 10kHz方波對(duì)應(yīng)的濾波器 圖4 30kHz方波對(duì)應(yīng)的濾波器 圖5 50kHz方波對(duì)應(yīng)的濾波器三個(gè)帶通濾波器用軟件實(shí)現(xiàn)的方法一致，基本參數(shù)的設(shè)定方法也是一致的，其參數(shù)設(shè)定原理如下： 圖6 帶通濾波器電路

6、圖帶通濾波器電路圖如上所示，根據(jù)圖6可導(dǎo)出帶通濾波器的傳遞函數(shù)為 則得 式（5）為二階帶通濾波器傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式，其中成為中心角頻率。令,代入式（4），可得帶通濾波器的頻率響應(yīng)特性為 歸一化的對(duì)數(shù)幅度響應(yīng)為 帶通濾波器的通頻帶寬度為，這樣將通頻帶寬度BW和Q值確定，并結(jié)合以上式，便可算出濾波器各參數(shù)值。 4 移相和加法電路設(shè)計(jì) 采用D觸發(fā)器使脈沖延遲的方法實(shí)現(xiàn)移相，因?yàn)橛肈觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，方法簡(jiǎn)單，對(duì)我們現(xiàn)在的知識(shí)水平可以獨(dú)立完成，而且電路也很簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)效果較好。 加法電路采用我們已修的模擬電子書籍上的反向加法器，但在這里，輸入電阻采用電位器，以方便調(diào)整波形的幅度；反饋電阻不要取的太大，這次設(shè)

7、計(jì)中我們選取的是20的電阻；而異相斷直接接地。 加法電路如下圖所示： 圖7 加法電路 5 整體電路圖 圖8 分頻電路和移相電路上圖是分頻和移相電路，由CPLD實(shí)現(xiàn)。濾波電路和加法電路見圖3、圖4、圖5和圖7。 6 整體元件清單 序號(hào)元件名稱個(gè)數(shù)型號(hào)1個(gè)人計(jì)算機(jī)1Windows 20002單片機(jī)1XC95108PC843運(yùn)算放大器2TL0844電源線25電容61036電阻按需分配2個(gè)47k，1個(gè)4.7k，2個(gè)1.5k，3個(gè)1k，8個(gè)10，1個(gè)330，1個(gè)300，5個(gè)510，1個(gè)20k，3個(gè)1k7硅晶體振蕩器1HS-spxo03298示波器1ds10529電子電路綜合實(shí)驗(yàn)箱1DGDZ210直流穩(wěn)壓

8、電源1DF1701S11導(dǎo)線若干根12面包板1第四章 測(cè)試與調(diào)整 1 方波振蕩電路調(diào)測(cè) 用示波器檢測(cè)晶振輸出的波形是否和預(yù)期的一致。 經(jīng)調(diào)測(cè)，波形為方波，頻率為12MHz，和理論一致，具體圖略。 2 分頻電路調(diào)測(cè) 先用模擬方法觀察，再直接用示波器調(diào)測(cè)，觀察波形以及信號(hào)的頻率。 經(jīng)調(diào)測(cè)，波形是方波，頻率分別為10kHz、30kHz和50kHz，具體圖略。 3 濾波電路調(diào)測(cè) 10kHz、30kHz和50kHz方波通過濾波電路，由理論知識(shí)可知，應(yīng)該得到同頻率的正弦波。下面各圖為各調(diào)測(cè)結(jié)果： 上面每個(gè)圖上均標(biāo)有峰峰值和波形頻率，經(jīng)觀察，頻率和峰峰值均達(dá)到要求。 4 移相與加法電路調(diào)測(cè) 加法電路實(shí)現(xiàn)將兩

9、個(gè)或是三個(gè)正弦波信號(hào)合成近似方波信號(hào)，但是每個(gè)信號(hào)不可能一開始就同時(shí)上升沿或是下降沿，所以為了能夠合成近似方波，必須添加移相電路。 在設(shè)計(jì)中已經(jīng)提到，移相電路采用D觸發(fā)器時(shí)鐘延遲的方法實(shí)現(xiàn)，所以下面只能重復(fù)做著添加觸發(fā)器，觀察合成波形以判斷方波信號(hào)應(yīng)該向哪個(gè)方向移動(dòng)。首先我們合成10kHz和30kHz的正弦波信號(hào)，不斷移相，燒程序，使之成為近似方波；然后按照同樣的方法合成10kHz和50kHz的正弦波信號(hào)；最后，將三路信號(hào)合成，10kHz正弦波作為基波，30kHz正弦波作為三次諧波，50kHz正弦波作為五次諧波，在以上工作完成的前提下，這三路信號(hào)合成后基本已是近似方波，為了使方波更加好看，還可

10、以繼續(xù)調(diào)測(cè)D觸發(fā)器。 調(diào)測(cè)最終結(jié)果如下所示： 圖9 10kHz和30kHz正弦波合成近似方波 圖10 10kHz和50kHz正弦波合成近似方波 圖11 10kHz、30kHz和50kHz正弦波信號(hào)合成近似方波 5 整體指標(biāo)測(cè)試 該實(shí)驗(yàn)的整體指標(biāo)測(cè)試就是對(duì)10kHz、30kHz和50kHz正弦波信號(hào)合成近似方波的測(cè)試，其調(diào)測(cè)過程如4所示，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。第五章 設(shè)計(jì)小結(jié)1設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況本次實(shí)驗(yàn)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。對(duì)10kHz、30kHz和50kHz正弦波信號(hào)合成近似方波的整體指標(biāo)測(cè)試波形不太標(biāo)準(zhǔn)，基礎(chǔ)指標(biāo)中將10kHz、30kHz合成的效果很好，波形無失真，幅度、頻率等硬性指標(biāo)也很準(zhǔn)確地

11、完成，而將50kHz正弦波信號(hào)加進(jìn)合成時(shí)，由于對(duì)信號(hào)是否同時(shí)上升沿或是下降沿要求更為嚴(yán)格，所以實(shí)現(xiàn)也更為困難，不過在不懈努力下，最終得到較為滿意的波形，硬性指標(biāo)也是基本達(dá)到了，只是波形不可避免的出現(xiàn)了瑕疵（移相問題導(dǎo)致波形未完全到位）。2 問題與改進(jìn)問題1：如1中所說，此實(shí)驗(yàn)存在的最主要的問題是3種波形的相位沒有調(diào)一致，導(dǎo)致最后合成的波形不太標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)：加D觸發(fā)器進(jìn)行時(shí)延，使3種波形相位一致。問題2：在實(shí)驗(yàn)中用了很多的電阻，還有很多串聯(lián)在一起，這樣使得面包板上的架構(gòu)不是很好看改進(jìn)：根據(jù)已設(shè)計(jì)好的濾波電路，整理出電阻的標(biāo)稱值，然后盡量找到和標(biāo)稱值差不多的電阻，避免電阻的串聯(lián)。這樣既能使得電路的整體結(jié)構(gòu)更加美觀，還