信号波形合成实验电路设计.doc

信号波形合成实验电路小组成员：李于飞、耿红鹏、赵珑摘要： 本设计通过产生不同频率和幅值的正弦信号，并将这些信号合成为近似的方波和三角波，构成了信号波形合成实验电路。本系统主要由8个部分构成：由NE555构成的方波振荡电路；主要由集成计数器74LS90和作为D触发器的CD4013构成的分频电路；使用LM318构成的窄带通滤波电路；由双运放LM318构成的移相电路；加法器合成电路；三角波合成电路；使用AD637构成的真有效值检测电路；MSP430F149单片机控制液晶显示电路。在本设计中，方波振荡电路可产生300KHZ频率的方波，经过分频电路和隔直电容以后成为双极性方波。再经过滤波和放大以后得到了所需的各次谐波，其经过移相电路之后初相位相同，即可通过加法器合成为近似的方波和三角波。各次谐波有效值可检测并由单片机控制对幅度进行显示。系统工作稳定，基本达到了题目的所有要求。关键字：方波振荡电路；分频；移相；真有效值；信号合成。 目录一、系统方案1.1方波发生电路方案.1.2 分频电路设计方案.1.3 滤波电路设计方案1.4移相电路设计方案.1.5 信号合成电路设计方案.1.6 信号检测和显示方案2、 理论分析与计算 2.1 系统原理框图 2.2 方波信号的合成与分解. 2.3 三角波信号合成. 2.4 反相加法电路 . .三、总体方案的设计与实现. 3.1 555振荡电路原理分析与计算. 3.2 分频电路. 3.3 方波三角波变换电路. 3.4三角波正弦波变换电路. 3.5移相电路. 3.6比例运算和合成电路. 3.7 AD转换和液晶显示.4、 实验测试及测试结果分析 4.1 测试仪器. 4.2 整机标准 . 4.3 合成电路结果. 4.4 测试结果和分析.5、 总结一 系统方案1.1 方波发生电路方案 方案一：采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，然后根据需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，相位也不一致，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。 方案二：采用555振荡电路或函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。波形的频率可以通过调节555定时器电路的外接滑动变阻器来进行调节。该电路具有成本低廉，频率可调，电路灵活方便，结构简单，低功耗，输入阻抗高，上升沿陡等的特点，不用依靠单片机。根据题意，本系统需要一个300kHz的方波，所以选择方案二，可满足要求。 方案三：由UA741集成运算放大器构成的方波信号发生器具有结构简单,调试方便，但它产生方波信号的可靠性差，易失真，稳定性差。1.2 分频电路设计方案 方案一：利用数字电路设计分频电路。通过计数器计数来实现，由待分频的时钟边沿触发集成计数器计数，当计数器到规定值时，输出时钟进行翻转，并给计数器一个复位信号，使得下一个时钟从零开始计数。以此循环下去。这种方法可以实现任意的整数分频电路，根据题意，选择方案一作为系统的分频方案。 方案二：使用编程方法实现分频电路。其原理与利用集成计数器相同，实现起来也十分简单，但分频得到的时钟可能会出现毛刺或不稳定的因素，适用于时钟要求不高的基本设计，且对于整数分频可以很容易地用计数器来实现，故不采用此方案。1.3 滤波电路设计方案 由分频电路产生的单极性方波需要经过窄带通滤波电路形成正弦波。其带通的范围很窄，要与各次谐波的频率接近。方案一：使用由LC网络组成的无源高阶巴特沃斯滤波器。其通带内相应最为平坦，衰减特性和相位特性都很好，对器件的要求也不高。但其在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点。方案二：采用实时DSP数字滤波技术，数字信号灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效的滤波，但要进行滤波，需要A/D、D/A既有较高的转换速率，处理器具有较高的运算速度，成本高。方案三：以集成运放LM318为核心的有源滤波电路，结构简单，所需元件少，成本低，且电路输入阻抗高、输出阻抗低，并有专门的设计软件。所以根据实际情况，选择方案三作为系统的滤波方案。用集成运放LM318和RC网络组成的二阶有源滤波电路器的滤波效果更好，幅频相应更接近理想特性，此外，它还具有一定的增益。故选此方案。1.4 移相电路设计方案 方案一：利用RC移相电路。RC移相电路主要是由电容的电流超前电压90度这一特性。RC滞后移相电路是电阻在前面，电容在后面。输入信号从电阻进入，输出信号是从电容上输出，其与电容并联，电压相等，所以输出电路的电压也滞后电流。同理，RC超前移相电路是电容器在前面，电阻在后面。可通过改变RC的值来改变移相的度数，相移在090之间变化。使用RC移相电路输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等。方案二：使用双运放LM318做移相电路。此电路主要也运用了电容的电流超前电压90度这一特性。但其不是单纯的无源电路而是结合了集成运放的有源电路，其体积小、性能稳定，输入阻抗高，输出阻抗低，由它组成的移相电路具有电路简单、工作可靠、成本低、波形好、适应性强，而且可以提供180的相移。还兼有放大和缓冲的作用，故选此方案。方案三：使用数字移相技术实现。主要分为两类：一类为是运用直接数字式频率合成技术DDS；一类是利用单片机计数延时的方法实现；一类是先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。DDS技术的实现电路较为复杂；以DA转换方式实现的移相，虽然所用元件少，但输出信号的频率难以细调，特别是移相的最小单位太大，只适合于对频率要求不高，且移相角度固定的场合；以延时输出方波的方式实现的移相，输出信号的频率以参考信号的频率为准，而参考信号的频率则可以精确给定，可用于对频率要求高，且需无级移相的场合，但其硬件电路比较复杂。 1.5 信号合成电路设计方案 方波信号经过波形变换和移相后，其输出幅度将有不同程度的衰减，合成前需要将各成分的信号幅度调整到规定比例，才能合成为新的合成信号。本课题采用反向比利运算电路实现幅度调整，采用反向加法运算实现信号合成。 1.6 信号检测和显示方案 信号检测和显示部分采用MSP430单片机，由于信号最高频率50KHz，采用有效值检测芯片AD637配合高频检波二极管和周围阻容元件制作一个平均值检测电路，送单片机的12位AD转换并换算，得到其幅值，送显示器LCD12864控制显示2 理论分析与计算2.1 系统原理框图信号源300KHZ15分频5分频3分频电容隔离带通滤波，信号放大同相加法器2分频2分频2分频单片机显示 300KHZ 10KHZ、30KHZ、50KHZ 方波 电路 合成 +5V 图2-1 系统原理框图 三角波 -5V2.2 方波信号的分解与合成 周期信号是由一个或几个、乃至无穷多个不同频率的谐波叠加而成的，因此周期信号可以分解成多个乃至无穷多个谐波信号。方波信号的傅里叶分解函数： (2-1)在理想情况下，方波的偶次谐波应该无输出信号，始终为零电平，奇次谐波中的一、三、五次谐波的幅度比为1：（1/3）:（1/5）。信号源输出300KHz的方波信号经过分频滤波电路后可以得到10KHz、30KHz、50KHz的方波，其计算公式表示如下： (2-2)频率为10KHz的正弦波信号的峰峰值为6V；、频率为30KHz的正弦波信号的峰峰值为2V；频率为50KHz的正弦波信号的峰峰值为1.2V。图2所示分别为1、3、5次谐波的分解与合成图。各次谐波合成方波的幅值为5V。 图2.1 1、3、5次谐波的分解与合成2.3三角波信号的合成三角波信号的傅里叶变换公式如下： (2-2)将产生的10KHz、30KHz、50KHz的合成方波信号的正弦信号，经过变换和合成得到一个近似的三角波形信号。采用公式（2-1）变换取1、3、5次谐波分量可以得到近似三角波，即： (2-3)经过计算三角波信号的幅度为5V。2.3 反相加法电路 把3个输入信号（Vi1、Vi2、Vi3）同时加到运放的反相端，其输入输出电压的关系为：当R1=R2=R3=10K时，则有若令Rf=10K,则若输出端再接一级反相器则可消去负号，使 (2-4) 三总体方案的设计与实现3.1 555振荡电路原理分析与计算由555定时器组成的多谐振荡器，多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。电路图如图2所示。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。电源接通后，VCc通过电阻R1、R2向电容C充电。当电容上电VC=2/3Vcc时，阀值输入端受到触发，比较器C1翻转，输出电压Vo=0，同时放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容上电压VC=1/3Vcc，比较器C2工作，输出电压Vo变为高电平。C放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。其振荡周期与充放电的时间有关：充电时间：放电时间：振荡周期：T=tPH+tPL0.7(R1+2R2)C振荡频率：f=1/T=占空系数： 当R2R1时，占空系数近似为50。图3.1方波发生电路图3.2仿真波形3.2 分频电路由74LS90、74LS08、CD4013三片芯片组成。先将300KHz的方波信号进行3分频、5分频、15分频，再通过CD4013 D触发器二分频，最终得到50KHz、30KHz、10KHz的正弦波信号。 74LS90不仅可以用于计数，还能用于分频，一片74LS90可构成最大进制计数器是十进制，若分频数大于10，则要用两片或多片级联，级联后高位的周期即为分频后的周期，但占空比并非50%，这就需要用D触发器对分频后的方波进行整形。74LS08是四集成与门，在电路中起缓冲隔离的作用。CD4013是由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，电路中CD4013的接法是将R、S都接地并让接到D上，置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。由D触发器构成的二分频电路，能够在分频的同时对波形整形。图3.36分频图3.410分频图3.530分频3.3 方波三角波变换电路方波三角波变换电路采用由运算放大器组成的有源积分电路实现，见图所示。图3.6 方波三角波变换电路3.4 三角波正弦波变换电路三角波正弦波变换电路采用单级RC无源积分电路实现，见图所示。图 3.7 三角波正弦波变换电路3.5 移相电路uiuo1K 20K1000P2Kuiuo 1K 20K2K1000P在上述变换电路中曾出现过RC积分电路的应用，则会产生一定的相移，为了使合成波形达到相位要求，必须实现三路波形同步，这里的移相电路便实现这个功能，见图6所示。其中图6（a）实现滞后相移90 o；图6（b）实现超前相移90 o（a）滞后移相 （b）超前移相图 移相电路根据需要，后续电路可接入超前移相的或滞后移相的移相器。3.6 比例运算和合成电路的分析和计算课题要求合成后的波形类同于方波和三角波，则三个频率分量要满足傅立叶变换系数的要求，这里就需要系数矫正电路，即比例运算电路，通过比例调节后加到一个加法器组成的叠加电路中，实现所要达到的相应的波形。设计的电路见下图所示。图3.8 比例运算和和叠加电路在进行信号合成前，各波形（10KHz的基波、30KHz的三次谐波、50KHz的五次谐波）的幅度和相位都要进行按规定调节好，以下探讨信号叠加前各波形之间的相位和关系。1）方波由傅立叶级数对方波予以分解可得可见各级谐波的系数比为。合成方波时，据题意，正弦波的峰峰值为6V，正弦波的峰峰值为2V，正弦波的峰峰值应为1.2V。另外，这些谐波要求初相位相同，由式可知，初相位均为零。各自所需幅值可通过调节三个放大器的放大量获得，初相可通过上一节对相位调节电路的调节来获得。2）三角波同样由傅立叶级数对方波予以分解可得可见前三级各级谐波的系数比为。合成三角波时，据题意，正弦波的峰峰值为6V，正弦波的峰峰值为0.67V，正弦波的峰峰值应为0.24V。另外，这些谐波中每隔一个相位取反。各自所需幅值可通过调节三个放大器的放大量获得，初相可通过上一节对相位调节电路的调节来获得。3.7 AD转换和液晶显示单片机的任务就是测量某路的正弦波的幅值和送显示，其组成部分有精密检波电路、平滑滤波电路、单片机MSP430F149最小系统和LCD12864字符液晶显示器等几个部分组成，见图8所示。被测信号10KHz、30 KHz、50 KHz、正弦信号三角信号D-BUSMSP430F149 单 片 机AD637有效值检测电路LCD液晶显示器AD转换C-BUS图3.9 单片机检测和显示系统框图电路原理为： 将经过AD637构成的真有效值检测电路输出的信号经单片机的A/D转换后，再经过计算，将有效值换算为幅度，送给LCD显示，通过手动切换来对各个正弦信号的幅度进行测量和显示。430F149单片机的内部A/D转换为12位，其分辨率为1/1024，参考电压选用2.5V，则一个字的测量误差为0.24%，小于题目所要求的5%,可达到要求。AD637输入正弦信号，输出直流信号，直流信号的大小就是正弦信号的有效值。峰峰值与有效值的转换公式为：占空比为1的方波的有效值=峰峰值0.5。 AD637的外部电容C1的选择至关重要，是影响测量准确度和响应时间的重要参数，尽管增加电容的容量可以减少纹波电压产生的交流误差，但稳定时间也会按比例增加，使测量时间大为延长。外围电路可通过第9脚和第6脚设置一可调电阻来调节，但难以达到高准确度要求。（1） 软件流程图 初始化：端口，显示，5路A/D转换调用数据处理函数调用LCD显示函数 A/D转换 开始 图 3-10图3-11 真有效值检测电路原理图 4 实验测试及测试结果分析4.1 测试仪器数字示波器TDS2012B；数字万用表DT890；函数信号发生器EE1641B1；双路输出直流稳压电源EM1715A。4.2整机标准1） 电源供电：双DC5V2V，60mA；DC3.3V2V，60mA；双DC15V2V，1A；2）使用环境：温度-20O C+80 O C；湿度095%RH3）外观尺寸 420360754）MCU检测系统的检测误差：小于等于2%4.3方波合成电路结果用示波器分别观察用于合成方波的