毕业设计----合成信号发生器设计.doc

摘摘 要要 随着数字集成电路、微电子技术和 eda 技术的深入研究，现代频率合成 技术具有很大研究性。根据题目要求，我们以单片机 lm3s811 为核心，辅以必 要的模拟电路，设计合成信号发生器。该系统主要由 lm3s811 单片机、方波发 生器、分频电路、滤波电路、调理电路、加法电路等模块组成。本系统采用 tlc083 芯片产生方波振荡电路，通过施密特触发器 cd40106 芯片进行波形变 换后得到 300khz 方波信号，经过 30 分频、10 分频、6 分频电路后得到 10khz、30khz、50khz 信号，经过 tlc04 芯片进行滤波，得到相应频率但不 同幅值的正弦信号，再通过由 tlc085 构成的调理电路对相位和幅度进行调节， 最后通过加法电路将三路正弦信号合成近似方波和三角波。测试表明，其结构 紧凑，电路简单，可扩展性强，统功能完善，很好的实现了各项设计指标。 关键词关键词：信号波形合成 分频器 滤波器 2 abstract along with the digital integrated circuits, microelectronics technology and eda technology research, has great modern frequency synthesis technology research. according to the topic request, we lm3s811 as the core, with single-chip microcomputer with necessary analog circuits, design and synthesize signal generator. this system mainly consists of lm3s811 single-chip microcomputer and square- wave generator frequency circuit, filtering, points circuit and regulate circuit, addition circuit module. the system uses the tlc083 chip produce square-wave oscillating circuit, through cd40106 chips for waveform schmitt toggle 300khz square wave signal transformation, after get 30 points frequency, 10 points frequency, 6 points frequency circuit 10khz, 30khz, after we get tlc04 50khz signals, after filtering, obtained corresponding chip frequency but different amplitude of the sine signals, then tlc085 constitute by the modulation circuit to phase and amplitude adjustment circuit will last through the addition of three road sine signal synthetic approximate square-wave and delta waves. tests showed that the structure is compact, simple circuit, extensibility, perfect functions, ec well implemented the design indexes. keywords：signal waveform synthesis frequency divider filter 3 目目 录录 摘 要2 目录4 引 言5 第一章 系统总体设计和任务要求.6 第二章 方案论证与比较.7 1.1 系统设计方案： 7 第三章 理论分析计算和器件选型.8 第四章 系统的硬件设计.8 4.1 方波振荡电路设计 8 4.2 无源滤波电路设计 9 4.3 峰值检波电路设计 9 4.4 加法电路设计 .10 第五章 系统的软件设计10 5.1 系统软件设计概括 .10 5.2 软件设计流程图 .11 第六章系统测试及结论分析.11 6.1 测试仪器 .11 6.2 测试方法 .11 6.3 测试结果 .12 6.4 测试结论分析 .12 第七章总结.13 参考文献.14 4 引引 言言 信号源是现代电子系统的重要组成部分，它在通信、测控、导航、雷达、 医疗等众多领域都有着广泛的应用，而且信号源还可以作为现代电子产品设计 和生产中的重要工具，其必须满足高精度、高速度、高分辨率、频率可调等许 多要求。凡是能产生测试信号的仪器， 都统称为信号源 ,也称为信号发生器， 它能够用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调整 电子电路及其设备时，为了测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声 系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在 实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时， 需要使用振幅、频率已知的正弦信号源 ；当测试系统的瞬态特性时，又需 使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源；并且要求信号源 输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能够在一定范围内 进行精确调整， 其有很好的稳定性 和输出指示等。 信号源可以根据输出波 形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生 器和随机信号发生器等四大类。 其中正弦信号是使用最广泛的测试信号。 因为产生正弦信号方法简单，且用正弦信号测量较方便。正弦信号源又可以 根据工作频率范围的不同划分为若干种。 合成信号源的信号不是由振荡器直 接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成 所需要的任意频率信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。合成 信号源主要由晶体振荡器、频率合成单元、调制单元、电平控制单元组成。 5 第一章第一章 系统总体设计和任务要求系统总体设计和任务要求 总体框图 由以上分析，系统的总体功能如图 1 所示： 300 khz 方 波 振 荡 器 30 分频 10 分频 6 分频 无源低通 滤波器 调理电路 无源低通 滤波器 有源低通 滤波器 信号合 成电路 mcu 显示 调理电路 调理电路 调理电路 调理电路 峰值检测电路 500khz1.5mhz 峰值检测电路 峰值检测电路 图 1 总体设计框图 1.任务要求 设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成 为近似方波和其他信号。 （1） 基本要求 1）方波振荡器的信号经分频与滤波处理，同时产生频率为 10khz 和 30khz 的 正弦波信号，这两种信号应具有确定的相位关系； 2）产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为 6v 和 2v； 3）制作一个由移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的 10khz 和 30khz 正弦波信号，作为基波和 3 次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为 5v。 （2） 发挥部分 1）再产生 50khz 的正弦信号作为 5 次谐波，参与信号合成，使合成的波形更 接近于方波； 2）根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号合成电路，将产生的 10khz、30khz 等各个正弦信号，合成一个近似的三角波形； 3）设计制作一个能对各个正弦信号的幅度进行测量和数字显示的电路，测量 误差不大于5； 6 第二章第二章 方案论证与比较方案论证与比较 1.11.1 系统设计方案：系统设计方案： 我们用 tlc083 芯片产生 300khz 的方波，经分频电路、tlc04 芯片滤波电 路后得到一个正弦波，然后用峰值检波电路检测其峰峰值，最后用加法电路合 成题目所求方波。 1.1.11.1.1 方波振荡电路方波振荡电路 方案一：用 555 定时器接成的多谐振荡器，能使产生的方波占空比可调， 即高电平持续时间与低电平持续时间的比值可调，占空比 1090，适合低 中频振荡电路。 方案二：用 tlc083 芯片，压摆率可达到 19v/us,带宽 10mhz，可实现高频 振荡电路。 通过以上比较分析，我们选用方案二。 1.1.21.1.2 滤波电路滤波电路 方案一：采用 rc 滤波电路，由于电阻 r 与频率变化无关，rc 低通滤波 器在器件选材方面要相对简单，但不适合大功率输出，仅可作为弱信号处理与 微小功率应用。 方案二：采用 tlc04 芯片，四阶低通滤波器，tlc04 的截止频率的稳定 性只与时钟频率稳定性相关，截止频率时钟可调，其时钟截止频率比为 50：1，因而设计截止频率为 1/1.69rf1cf150=251.8hz，能够满足振动时效 和振动焊接工艺的要求。 通过以上方案比较，我们选用方案二。 1.1.31.1.3 峰值检波电路峰值检波电路 方案一：将交流信号与一直流信号叠加使之变成单极性，将其分压后用单 片机 a/d 采样其值。 方案二：采用 tlc372 和 lm358 芯片，通过峰值检波电路可以对交流信 号进行绝对值处理，便于加速度值的进一步数字显示，电路构成相对简单。 通过以上方案比较，我们选用方案二。 1.1.41.1.4 加法电路加法电路 方案一：采用同向求和运算电路，同向求和电路的各输入信号的放大倍数 互不影响，不能单独调整，因此同向求和电路调节不如反向求和电路方便。 7 方案二：采用反向求和运算电路，其电路中某一信号的输入电阻的阻值不 影响其他输入电压与输出电压的比例关系，因此调节更方便。 通过以上方案比较，我们选用方案二。 第三章第三章 理论分析计算和器件选型理论分析计算和器件选型 任何周期函数 f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即： 1 0 )sincos( 2 1 )( n nn tnbtnaatf 其中：第一项为直流分量，为角频率，t 为周期。 2 0 a t 2 所谓周期性函数的傅里叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和 所有阶谐波的迭加。 方波为奇函数，它没有常数项。数学上可以证明此方波可表示为： 4111 ( )(sinsin3sin5sin7) 357 f ttttt = = 1 41 ()sin(21) 21 n nt n 同样，对于三角波也可以表示为： 2222 8111 ( )(sinsin3sin5sin7) 357 f ttttt = 1 22 1 81 ( 1)sin(21) (21) n n nt n 根据题目分析可得，基波峰峰值为 6v 时，方波三次谐波峰峰值为基波峰峰 值的三分之一，方波五次谐波峰峰值为为基波峰峰值的五分之一；三角波三次 谐波峰峰值为为基波峰峰值绝对值的九分之一,三角波五次谐波峰峰值为基波峰 峰值的二十五分之一。 第四章第四章 系统的硬件设计系统的硬件设计 4.14.1 方波振荡电路设计方波振荡电路设计 此电路由运算放大器 tlc083 和施密特触发器 cc40106 组成，振荡频率取 决于 c1r3的大小,频率计算公式 f=1/（1.39 c1r3） 。其设计电路图如图 4 所示： 8 图 4.方波振荡电路 4.24.2 无源滤波电路设计无源滤波电路设计 无源低通滤波电路主要由 tlc04 芯片组成，其 8 脚输入 10khz 的方波，2 脚由单片机产生 500khz 的载波，输出幅度为 6v 的正弦波。同理，其 8 脚输入 30khz 的方波，2 脚由单片机产生 1.5m 的载波， ，输出幅度为 2v 的正弦波。其 设计电路图如图 5 所示： 图 5.无源滤波电路 4.34.3 峰值检波电路设计峰值检波电路设计 将输入加法器的正弦信号输入峰值检波电路，得到正弦波信号的峰值送至 单片机 a/d 转换后显示,其电路图如图 6 所示： 9 图 6.峰值检波电路 4.44.4 加法电路设计加法电路设计 加法电路相当于输入端有三个电压源，相应的输入电阻决定了每个电压对 电路的作用，而且反馈电阻和输入电阻的比例决定增益的大小。因为 r11=r12=r13=r14,所以 uo=u1+u2+u3,为避免静态偏移，要将相同端用电阻接地， 接地电阻为 r15=r11/r12/r13/r14。其设计电路图如图 7 所示： 图 7.加法电路 第五章第五章 系统的软件设计系统的软件设计 5.15.1 系统软件设计概括系统软件设计概括 系统的软件设计主要用来产生两路载波和对三个电路的峰值进行采样并显 示。lm3s811 本身带有 pwm 波形发生器和 ad 采样芯片，只需调整系统晶振和 pwm 波周期、脉宽，便可输出 500khz 和 1.5mhz 的方波信号，将 ad 芯片三路 端口使能后，便可时时采样电压，采样数据送给单片机处理后，再由单片机送 给 lcd 显示。 10 5.25.2 软件设计流程图软件设计流程图 开始 初始化 vpb11 ad 采样 显示三角波 测量参数 显示方波测 量参数 结束 输出两种正 弦波信号 流程图 第六章系统测试及结论分析第六章系统测试及结论分析 6.16.1 测试仪器测试仪器 示波器、函数信号发生器、数字万用表、模拟万用表、直流稳压电源。 6.26.2 测试方法测试方法 （1）用示波器观察产生频率为 10khz、30khz、50khz 的正弦波信号， （2）利用峰值检波电路对各个正弦信号的幅度进行测量，液晶屏将显示幅值。 然后观察不同幅值下 10khz、30khz、50khz 正弦波迭加的波形。 11 6.36.3 测试结果测试结果 （1）各波形的峰峰值如下表： 理论值（v）测量值（v） 基波 66.02 方波三次谐波 22.04 方波五次谐波 1.21.23 三角波三次谐波 -2/30.63 三角波五次谐波 6/250.25 合成方波 55.04 合成三角波 7 （2）各频率的波形如下表： 合 成 波 形 基波方波三角波 合 成 谐 波 10khz 10khz，30khz 10khz，30k hz，50khz 10khz，30k hz， 10khz，30kh z，50khz 合 成 波 形 6.46.4 测试结论分析测试结论分析 300khz 的方波振荡器经分频与滤波处理，能够同时产生频率为 10khz、30khz、50khz 的正弦波信号，其波形无明显失真，峰峰值分别为 6.02v、2.04v、1.23v。由方波移相放大器和方波加法器构成的信号合成电路， 将产生的 10khz 的基波、30khz 的三次谐波、50khz 的五次谐波合成了一个近似 方波。再用三角波移相放大器和三角波加法器将产生的 10khz 的基波、30khz 的三次谐波、50khz 的五次谐波合成了一个近似的三角波。从测量的数据和波 形可以看出，本设计较好的实现了题目所要求的性能指标。 12 第七章第七章 总结总结 本设计主要讲述了合成信号发生器的工作原理和工作过程。在说明工作原理 的过程中，突出了合成信号发生器设计中基本电路的组成单元以及这些单元如 何实现信号合成的；结合本设计的内容，指出了各单元电路的设计方法和意义。 在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性 的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理 解，而且要不断地更正以前的错误思维。电路设计是一个很灵活的东西，它反 映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。它才