2010年电子设计竞赛.doc

信号波形合成实验电路摘要本设计利用石英晶体振荡器产生6MHZ的基准方波作为稳定的信号源，经分频得到10KHZ、30KHZ、50KHZ的几种方波信号，再经TLC04四阶巴特沃斯低通滤波器滤除高次谐波得到相应频率的正弦波，而后再加一级一阶低通滤波滤除谐波，使输出正弦波波形进一步改善。由于10KHZ、30KHZ、50KHZ三种信号由同一源频率分频得来，且滤波器相移固定，因此分频得到的三种信号和源信号之间具有确定相位关系。由分频、滤波后产生的10KHZ、30KHZ、50KHZ 正弦信号分别经过加法器合成的方波、三角波都达到了设计预期的要求。系统还通过MSP430和液晶构成信号幅值测量与显示电路，测量误差可达到3%。关键词：振荡电路 分频 滤波 波形合成1、 方案论证 系统框图如图1所示，本系统主要由方波振荡电路，分频滤波电路，幅度调节和移相电路、加法电路和单片机幅度测量与显示电路组成。 图1 总体电路框图 1.方波振荡电路选择方案一：用555定时器构成多谐振荡器，这种振荡器比较常见，是获得方波的简易快捷的首选，但由于555定时器受器件截至频率的限制，当其振荡频率达到100KHZ时波形失真严重用以实现设计要求的难度较大，且555产生的方波稳定性差。方案二：采用6MHZ石英晶体构成振荡器，经分频后产生稳定的方波。这种电路产生方波与受环境因素影响的RC器件参数无关，频率稳定性好。因此本次设计采用方案二。2. 分频电路方案一：采用FPGA分频得到10KHZ、30KHZ的方波，用FPGA进行分频成本太高，代价太大，性价比非常低。方案二：将石英晶体振荡器产生的6M方波先经过40分频得到150KHZ的基准方波，再分别分频得到10KHZ、30KHZ、50KHZ的方波。由于都是从150KHZ方波分频而来，因此产生的方波相位差恒定，且频率稳定性好。考虑到成本问题，而且方案二效果也非常好，本次设计选择方案二。3. 滤波电路方案一：用一般运算放大器搭建高阶低通滤波器，同时也起到放大信号到要求的幅度的功能。但电路复杂，稳定性不好。方案二：采用两级滤波，前级用TI公司的TLCO4四阶巴特沃斯低通滤波器滤除方波中高次谐波，选出10KHZ、30KHZ和50KHZ的正弦波，再经过后级的一阶有源低通滤波器进一步改善波形。使用集成芯片TLCO4外围电路简单，抑制纹波能力强。通过两级滤波效果好，波形平滑。因此，选择方案二。4. 加法电路采用TI公司的运算放大器TLCO82以及电位器和电阻搭建一个反向比例加法电路，对每个输入都能够进行一定地幅度调节，合成波形后再加一调幅电路实现对合成波幅度调节。总之，由TI公司提供的运算放大器TLC085构成反向比例器调节幅度，通过RC和运算放大器TLC082组成的移相电路调节各路正弦信号的相位差。由于经RC移相后幅度有所衰减，所以再经过一定的放大送入加法器合成波形。2、 理论分析与计算1.滤波参数设计滤波电路由四阶巴特沃斯低通滤波器TLCO4和一阶有源低通滤波器构成，前级采用石英晶体分频得到TLC04的工作时钟频率，由于时钟频率与低通滤波器的截止频率比为50:1,因此可以通过改变时钟频率来设置截止频率。对于频率为f KHZ的方波要通过滤波来得到基频正弦波，低通滤波器的截止频率至少要低于其三次谐波的频率3f KHZ，因此时钟频率要不大于150f KHZ.所以对应低通滤波器的时钟频率f0需满足：因此对于频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ的方波对应滤波器芯片的时钟频率范围分别为：500-1500KHZ、1500-4500KHZ、2500-7500KHZ。本次设计中通过10MHZ石英晶体分别经过16分频，4分频，4分频给各方波的滤波器提供时钟频率，如图2所示。 图2 前级滤波器时钟分频电路2.移相电路参数设计 移相器电路的要求是：通过手工调节可以实现输出波形相对输入波形有0兀的相位改变，同时幅值衰减尽可能的小。为保证输出相对输入仅产生附加相移而幅值不变，可在RC后级用运放搭一个幅度调节电路，相移的大小可通过可变电阻来实现。 针对滤波网络输出的不同频率的波形适当选择C的大小，在调节的过程中大小在l左右变动实现相移。当=0时，相移为；当=时，相移为0，相移的变化范围可以满足调整的需要。取|=10时，相位变化明显，测试效果不错。取C=0.1uF,则对于频率为10KHZ到50KHZ,由R=10/(2f RC)，可得R的范围为318-1592欧姆，取电位器阻值为500欧姆。3.波形合成的原理与参数设计按傅里叶分析的原理，任何周期信号都可以用一组三角函数sin(2nf0t),cos(2nf0t)的组合表示：x(t)=a0/2 + a1*sin(2f0t)+b1*cos(2f0t) + a2*sin(4f0t)+b2*cos(4f0t)+. 即可以用一组正弦波和余弦波来合成任意形状的周期信号。 对于方波，根据傅里叶变换，其三角函数展开式为：三角波的傅里叶级数为：可知周期方波和三角波是由一系列频率成分成谐波关系，幅值成一定比例，相位角为确定值的正弦波叠加合成的，可以通过设计一组奇次谐波来完成波形的合成。 对于方波合成，各谐波需满足初相相同，振幅比为1 : 1/3 : 1/5 : 1/7，基波频率为10KHZ，幅度为6V,所以3次谐波幅度为2V,，5次谐波幅度为1.2V。三角波时，3次谐波幅度应为1/9*6=0.66V，相位与基波相差180度。三、电路与程序设计1. 分频电路 如图3所示为分频电路，将石英晶体振荡器产生的6M方波经40分频得到150KHZ图3 分频电路的分频基准方波，40分频由74HC161和74HC74构成。10KHZ、30KHZ、50KHZ的方波分别由74HC161和74HC74构成的分频器从150KHZ的基准方波分频得到。2. 正弦波信号产生电路如图4所示为二级低通滤波电路，经分频后产生的10KHZ、30KHZ、50KHZ的方波首先送入TLC04构成的四阶巴特沃斯滤波器滤除高次谐波，即可得到相应频率的正弦波。此正弦波带有直流分量，所以通过一隔直电容取出交流信号再通过由TLC085构成的反向比例电路调节幅度再输入一阶有源低通滤波器进一步滤波，得到平滑的正弦波。 图4 滤波电路 3.移相调幅电路 如图5所示，经过两级滤波后的正弦波送入RC移相电路进行移相，然后再通过反向比例器调节幅度到合适值为加法器合成提供满足波形各谐波关系的正弦波。图5 移相调幅电路4.加法电路4.1 方波合成电路 如图6所示为方波合成的加法器。将调好的各路信号送入有TLC082构成的反向加法器电路进行合成。输入正弦波峰峰值分别为6V、2V、1.2V，比例满足1 : 1/3 : 1/5 ，相位应相同。图6 方波加法电路4.2 三角波合成电路三角波的加法电路与方波电路相同，不过输入基波与3次谐波的峰峰值为6V、0.666V，相位相反，如图7所示。图7 三角波加法电路5.幅度测量与程序 如图7所示为程序的流程图，由MSP430和液晶构成测幅显示电路，通过单片机内部AD每次采集100个数据，利用冒泡排序法求出数据最大值，取得32次最大值后求一次平均，然后通过12864显示这个平均数。采到采集数据比较多可以认为这个最大值就是正弦信号的幅值。 四、测试方案与测试结果1.测试方法与测试条件1.1 测试仪器数字示波器 DS5062MAE；4位半数字万用表 MY65；15M数字信号源 RIGOL DG1011；双路可跟踪直流稳定电源 EM1715。1.2 测试方法 1.2.1 正弦波信号的测量：用双踪示波器观察输入波形，记下各正弦波的频率和峰峰值， 将10KHZ正弦波分别和另外两路信号同时输入观察相移。将各信号送入失真仪测出失真度。1.2.2 合成波形的测试：将合成波形送入示波器观察波形，测出频率和峰峰值 1.2.3 测量信号幅值 ：将正弦信号送入示波器测得其真实幅值作为液晶显示幅值的参考依据，再记下液晶显示幅值即可算得误差。 2. 主要测试结果2.1 产生各路正弦波的测试频率/KHZ9.99929.99949.998峰峰值/V6.082.000.662.2 合成波形的测试合成波形 方波1（基波与三次谐波） 方波2（基波、三次，五次谐波） 三角波（基波与三次谐波）稳定性好较好较好频率/KHZ9.99910.0009.999峰峰值/V5.125.086.652.3 测量信号幅值信号幅值/V0.66 (30KHZ)1.2 (50KHZ)2 (30KHZ)6 (10KHZ)测量显示幅值/V0.641.151.975.93误差3.03%4.17%1.5%1.17%3. 测试结果分析通过测试结果可知，基本要求以及发挥部分均达到要求。能够产生无明显失真6V、2V、1.2V的相应频率正弦波，合成的方波和三角波效果甚为理想，幅值测量误差较小。不过产生的正弦波还需进一步减小失真度，如果用锁相环倍频设计不同截止频率的多级滤波器将3、5、7次谐波分级滤除，效果可能会更好。参考文献1康华光主编.电子技术基础(数字部分）.北京:高等教育出版社,2006.12刘泉 江雪梅主编. 信号与系统. 北京:高等教育出版社,2006.23李智奇等编著.MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计. 西安:西安电子科技