信号波形合成实验电路.doc

信号波形合成实验电路（C题）内容介绍：该项目基于多个正弦波合成方波与三角波等非正弦周期信号的电路。使用555电路构成基准的方波振荡信号，以74LS161实现前置分频形成10KHz、30kHz、50kHz的方波信号，利用TLC04滤波器芯片获得其正弦基波分量，以TLC084实现各个信号的放大、衰减和加法功能，同时使用RC移相电路实现信号的相位同步；使用二极管峰值包络检波电路获得正弦信号的幅度，以MSP430作为微控制器对正弦信号进行采样，并且采用段式液晶实时显示测量信号的幅度值。1方案1.1题目分析考虑到本设计课题需要用多个具有确定相位和幅度关系的正弦波合成非正弦周期信号，首选使用同一个信号源产生基本的方波振荡，使得后级的多个正弦波之间保持确定的相位关系。在滤波器环节，为了生成10kHz、30kHz和50kHz的正弦波，我们需要使用三个独立的滤波器，由于输入滤波器的是10kHz、30kHz和50kHz的方波信号，所以可以使用带通滤波器或者低通滤波器，并且尽量维持一致的相位偏移。从Fourier信号分析理论看，合成数学上可以证明此方波可表示为：三角波也可以表示为：由以上的数学分析可知，保持各个正弦波之间的相位和幅度的准确关系是准确合成方波和三角波的关键，为此，需要为各个频率的正弦波设计移相电路和放大电路以调节大小和相位关系。在正弦波幅度测量与显示部分中，需要使用MCU采集并处理信息，使用液晶显示数值。1.2系统结构系统结构如图1所示，使用同一个方波发生器作为基准，以便实现相位同步；为补偿在分频器和滤波器中出现的相位偏移，需要后级进行相位和幅度校准。图1总体原理框图1.3方案选择方波发生器方案一：使用晶振。晶振产生的方波频率精确，但一般晶振频率较高，而且不能调节，对后级分频电路的要求比较高。方案二：采用NE555。N555产生的方波震荡电路比较稳定，而且频率、占空比均可调。因此选用方案二。分频器方案一：采用CPLD。对CPLD编程固然可以，但是成本太高，性价比较低。方案二：使用74LS161计数器。74LS161是一种高性能、低功耗CMOS4位同步二进制加计数器，分频出来的信号比较稳定。因此选用方案二。滤波器方案一：使用LC滤波器构建带通滤波器或者使用RC构建低通滤波器。方案二：使用TLC04集成四阶巴特沃兹滤波器。TLC04滤波器有以下两种接法。一是使用外接接时钟信号，二是直接用RC构成自激振荡作为时钟信号，而且电位器可调，可以调整波形。由于滤波器截止频率较低，使用LC滤波器比较困难，而普通的一阶RC滤波器过渡带过于平坦，滤波效果较差，在比较了多种滤波器设计方法之后，我们选定了TI的TLC04芯片作为滤波器。正弦波幅值检测电路方案一：二极管峰值包络检波器。方案二：基于运放的RC峰值检测。两种方案相比较，二极管峰值包络检波器电路较为简单，频率范围宽。因此选用方案一。2分析计算2.1公式推导555的振荡频率计算公式： 考虑到555需要产生150kHz的方波信号，我们选用了如图2电路，选用元器件参数为：定值电阻，变阻器1k，电容3.3nF，构成占空比和频率均可调的方波振荡电路。分频器的分频计算公式：滤波器的基本参数计算公式：滤波器参数说明根据TLC元器件手册给定的指标，（截止频率与元器件参数公式），三个滤波器选用电路图 ，其RC参数分别为：10kHz方波：R为10k变位器，C为200p电容30kHz方波：R为10k变位器，C为50p电容50kHz方波：R为10k变位器，C为15p电容波形合成计算公式：方波合成公式：三角波合成公式：根据题目要求和上述公式，在方波合成中我们选择的信号幅度分别为6V、2V和1.2V，三个信号起始同相；在三角波合成中我们选择的信号幅度分别为6V、0.67V和0.24V，并且30kHz正弦波与10kHz正弦波起始相位相反。2.2关键电路分析图35分频电路图2方波振荡电路 图5电压放大电路图4加法电路图6移相电路图2-图6是关键电路的电路图，图2是采用555构成的方波振荡电路，图3是用74LS161构成的5分频电路，图4是10kHz正弦波与30kHz正弦波的叠加电路，图5是电压放大电路，图6是有源移相电路。3电路设计3.1设计仿真、指标分析图85分频仿真结果图7方波输出波形图9移相结果图1110kHz、30kHz和50kHz正弦波合成结果图1010kHz和30kHz正弦波合成结果图12三角波输出结果图7-图12是multisim仿真软件的仿真结果，图7是用555定时器产生的方波电路，图8是用74LS161计数器产生的30kHz的方波信号，图9是采用有源移相。图10-图12,是合成方波和正弦波信号。4程序设计4.1软件功能结构图12主程序流程图5测试方案5.1测量方法本系统能够自行产生150kHz的基准方波信号，故不需要外接信号源作为基准；同时，本系统的低通滤波器使用了RC自振荡信号作为基准频率，不需要外接时钟信号。 在信号测量部分中，MSP430单片机实用晶振作为基准时钟，自带A/D进行信号采样。5.2测量点选择为更好的进行系统调试与测试，本系统在以下位置留有测试点：1、波器输出端，用以测试滤波器幅频特性和相频特性。2、移相器输出端，用以测试移相器性能并测试信号幅度。3、信号合成加法器端，用以测试合成方波与三角波的幅度、相位与失真。6测试结果 图13 方波合成波形图 图14 三角波合成波形图图15 三个频率的方波合成波形 图16 数字显示图7总结展望经过六天的电路设计、焊接调试、程序设计联调，最终完成了整个规定的设计过程。从最终的结果看，达到了预期的要求，主要包括：110kHz、30kHz、50kHz正弦波的生成，无明显失真，幅度达到规定的要求。2. 将多个正弦信号合成非正弦的周期信号，完成了方波与三角波的合成，波形基本没有失真，相位稳定。3. 设计并制作了正弦波幅度测量电路，并且能够实时显示电压大小，误差符合设