信号波形合成实验电路电子信息工程毕业设计

毕 业 设 计 说 明 书 毕业设计题目 信号波形合成实验电路 系 电子信息工程系 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 2011 年 5 月 29 日信号波 形合成实验电路 - 1 - 摘 要 近年来，以信息技术为代表的新技术促进了电子行业的飞速增长， 随着科学技术的不断进步，人们利用各种方法增加对世界的感知，这些外界信息往 往都是连续变化的模拟量，如热电偶、压力应变片等，所以要对模拟量系统进行数字控制，就必须对模拟量采集、处理和显示，因此信号波形合成的应用比较广泛。 系统主要分四大部分，即方波振荡电路，分频与滤波，移相处理，加法器。 系统模拟部分分别使用了 司的电源芯片 波芯片 放芯片 数器 74在设计中利用 司的成了对各正弦波的测量以及数显功能。 本文通过模拟电路来完成方波信号的产生、分频、滤波、放大、衰减、移相以及合 成等功能。在信号处理中，根据设计要求和方波、三角波傅里叶变换后的特性来决定各产生波形的幅度和相位。利用 成了对各正弦波的测量以及数显功能。本系统电路结构简单、各波形良好，测量结果精确。 关键词：振荡电路，分频滤波，傅里叶变换 信号波形合成实验电路 - 2 - n is of s of to of is as so So if we We is I 4in Is to a of In we of to In to to of of We to of is 合成实验电路 - 1 - 目 录 第 1 章 绪论 . - 1 - 第 2 章 系统方案介绍 . - 2 - 案论证 . - 2 - 波振荡电路的选择 . - 2 - 通滤波电路的选择 . - 2 - 体系统方案 . - 2 - 第 3 章 模块介绍 . - 4 - 源模块 . - 4 - 要元件介绍 . - 4 - 源模块电路 . - 6 - 波振荡模块 . - 7 - 要元件介绍 . - 7 - 波振荡模块电路 . - 8 - 频模块 . - 9 - 要元件介绍 . - 9 - 频模块电路 . - 11 - 波模块 . - 12 - 要元件介绍 . - 12 - 波模块电路 . - 13 - 本运算模块 . - 14 - 要元件介绍 . - 15 - 大增益模块电路 . - 16 - 减移相模块电路 . - 17 - 法器模块电路 . - 17 - 试与数字显示模块 . - 18 - 要元件介绍 . - 18 - 试与数字显示模块电路 . - 20 - 信号波形合成实验电路 - 2 - 第 4 章 性能测试与分析 . - 21 - 波振荡器测试 . - 21 - 频滤波电路测试 . - 21 - 大、衰减、移相电路测试 . - 21 - 法器测试 . - 22 - 角波谐波组成测试 . - 23 - 量数字显示电路 . - 23 - 结 论 . - 25 - 参 考 文 献 . - 26 - 附录 . - 27 - 致 谢 . - 33 - 信号波 形合成实验电路 - 1 - 第 1 章 绪论 本设计中大量运用模拟电子技术及数字电子技术的知识，对以前学习的知识有了更深一步的了解。 模拟电子技术是一门研究对仿真信号进行处理的模拟电路的学科。它以半导体二极管、半导体三极管和场效应管为关键电子器件，包括功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信号运算与处理电路、信号产生电路、电源稳压电路等研究方向 。 数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用 ,逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、集成芯片各管脚功能 555 定时器等。随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。为了充分发挥和利用数字电路在信号处理上的强大功能，可以先将模拟信号按比例转换成数字信号，然后送到数字电路进行处理，最后再将处理结果根据需要转换为相应的模拟信号输出。 本设计主要采用德州仪器（ 司的各种芯片，例如电源芯片 波芯片 放芯片 及 司的 德州仪器 (全球领先的模拟及数字半导体 计制造公司。除了提供模 拟技术、数字信号处理 (微处理器 (导体以外， 设计制造用于模拟和数字嵌入及应用处理的半导体解决方案。德州仪器 (全球领先的数字信号处理与模拟技术半导体供应商，亦是推动因特网时代不断发展的半导体引擎。作为实时技术的领导者， 在快速发展，在无线与宽带接入等大型市场及数码相机和数字音频等新兴市场方面， 借性能卓越的半导体解决方案不断推动着因特网时代前进的步伐！ 想未来世界的方方面面都渗透着 品的点点滴滴。 信号波形合成实验电路 - 2 - 第 2 章 系统方案介绍 案论证 本设计分为七大模块， 分别是方波振荡模块、分频模块、滤波模块、放大增益模块、衰减增益模块、加法器模块、测量与数字显示模块。每个模块都经过仔细考虑，精心选择出了最佳方案。下面简单介绍方波振荡电路及低通滤波电路的选择。 波振荡电路的选择 方案一 :利用晶振来制作方波振荡器，该方案频率精度高，结构简单，但晶振频率恒定，制作好之后频率无法改变，而且晶振有规格，选择有局限。 方案二：利用迟滞比较器构成方波振荡器，该方案频率设计灵活，结构简单。 根据设计要求，要产生 1030 50方波，利用晶振会使分频电路难以 设计，并且利用方案二能灵活选择频率，可以扩展系统的应用。 通滤波电路的选择 方案一：无源型。这类滤波器的优点是电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高。缺点是通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，在低频域不适用。 方案二： 低通滤波模块。这类滤波器的优点是通带内的信号不仅没有能量损耗，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽，适用于低频域。 体系统方案 系统模拟部分分别使用了 司的电源芯片 波芯片 放芯片 数器 74在设计中利用 司的成了对各正弦波的测量以及数显功能。系统结构如图 2示： 信号波形合成实验电路 - 3 - 图 2统原理框图 利用 片的方波振荡器产生方波，然后利用 74片进行来进行分频，得到各频率的方波，再通过 进行低通滤波，得到各方波的基波，可滤出 1030 50正弦波，再将 3 路正弦波进行放大衰减以及移相后作为基波、 3 次谐波和 5 次谐波输入加法器中，产生 10近似方波信号，再将 信号放大后得到幅度 5V 的近似方波信号。同理，将 1030 50正弦波信号经类似处理后送入加法器，得到三角波。 信号波形合成实验电路 - 4 - 第 3 章 模块介绍 源模块 由于 片的工作电压是 现有的电源模块可提供 5以选择 司的 源转换芯片，将 5V 电压转换为所需的 压。 要元件介绍 1、 功能简介 够实现升压和降压效果，是一种单片双极型线性集成电路，专用于直流 片内包含 有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出 开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。 2、 封装形式及特点 封装形式为塑封双列 8 引线直插式， 脚图如下图 3示： 图 3脚图 信号波形合成实验电路 - 5 - 有以下特点： 1、能在 3输入电压下工作 2、带有短路电流限制功能 3、低静态工作电流 4、输出开关电流可达 外接三极管 ) 5、输出电压可调 6、工 作振荡频率从 100 100、可构成升压降压或反向电源变换器 由于内置有大电流的电源开关， 够控制的开关电流达到 部线路包含有参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制线路和开关晶体管。 参考电压源是温度补偿的带隙基准源，振荡器的振荡频率由 3 脚的外接定时电容决定，开关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑控制线路置成 由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成 3、 外围元件标称含义和它们取值的计算公式 出电压 ) 时 电容 )：决定内部工作频率。 04*作频率） 流电阻 )：决定输出电流。 * 感 )： (o(滤波电容 )：决定输出电压波纹系数， Io*纹系数） 固定值参数： f ( 入电压不稳定时的最小值 速开关二极管正向压降 4、 下表是美国安森美半导体公司生产的 国内生产的 34063 性能的对比。 数表见表 3 表 3数 表 参数名称 符号 单位 34063（国产） 输入电压 40V 40V 输出电压 40V 40V 最大输出电流 号波形合成实验电路 - 6 - 最高工作频率 f 100100率 P W 作温度 0 70 度 0 70 度 在实际应用中的注意： 1、 快速开关二极管可以选用 要求高效率的场合必须使用 片为 2、 承受的电压，即输入输出电压绝对值之和不能超过 40V，否则不能安全稳定的工作。 源模块电路 用 片做的电源转换电路输出电压稳定且精确。电源转换电路图如下图 3示。 图 3源转换电路图 一种用于 源变换的集成电路，应用比较广泛，通用 ， 廉价 ， 易购。极性反转效率最高 65 ，升压效率最高 90，降压效率最高 80，变换效率和工作频率滤波电容等成正比。另外，输出功率达不到要求的时候，比如 大于250 300，可以通过外接扩功率管的方法扩大电流，双极型 扩流管均可 。 信号波形合成实验电路 - 7 - 波振荡模块 如果用晶振来做方波振荡模块，频率固定，不可调，为实现产生多种频率的方波，所以采取了电压比较器的方法。比较器一般分两类，一类是单限电压比较器，另一类是迟滞比较器。单限电压比较器具有很高的开环电压增益，但是如果输入电压在门限附近有微小干扰，就会导致状态翻转使比较器输出电压不稳定而出现错误阶跃 ，为了克服这一缺点，常将比较器的输出电压通过反馈网络加到同相输入端，形成正反馈，将待比较电压加到反相输入端，参考电压通过电阻接到运算放大器的同相端，由此形成的电路称为反相输入迟滞比较器，也称为反相输入施密特触发器。抗干扰能力强，防止误触发。 要元件介绍 1、集成运放的选择 集成运放的种类很多，大体可以分为通用型和专用性两类，通用型价格便宜，市场上容易买到，所以在能满足设计要求时，应尽量选择通用型，然后再挑选开环增益，输入电阻，共模抑制比高且输出电阻，失调电流，失调电压小的集成运算放大器。在具体选 择是，一般应考虑如下一些因素： (1)输入信号幅度的大小、频率高低、变化速率以及等效信号源内阻的大小，输入信号中是否含有共模信号，共模信号的幅度及频带等。 (2)负载电阻的大小，对输出电压和输出电流的要求。 (3)对运算结果的精度要求，如增益误差、失真度、输入端和输出端阻抗匹配程度等。 2、运算放大器 单位增益稳定低噪声电压反馈运算放大器，它有灵活的供电方式，既可以单电源供电，又可以双电源供电。 单电源供电一般为 +11V，双电源供电一般为 特点： （ 1）差模开环电压增益为 80 （ 2）增益带宽： 250G=+1） 110G=+2） （ 3）灵活的工作电压：双电源供电 号波形合成实验电路 - 8 - 单电源供电 +11V （ 4）高回转率 550V/ 5）低噪声 （ 6）封装形式：贴片 列直插式 引脚图如图 3示： 图 3引脚图 波振荡模块电路 片增益稳定，噪声低，采用 完成方波振荡电路，产生 60波振荡电路图如图 3示： 23746+_波振荡电路图 在设计中，方波振荡器由反相输入的滞回比较器和 路组成。 路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过 、放电实现输出状态的自动转换。 信号波形合成实验电路 - 9 - 如图 2，输出电压 ，由双向稳压管决定，振荡周期 5113 21在设计中为取得输出频率为 011 ， 012 。由方程： )21l n (21060 151133 （公式 1） 取电容 0K,代入公式 1，可取得 比值关系，这里取2K, 频模块 本设计需要产生 1030方波，所以必须用到分频，上面的方波是60以用六分频和二分频便可获得 10 30方波。分频电路需用到数字电子技术的相关知识，寄存器是存放数码、运算结果或指令的电路，寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储一位二进制代码，存放N 位二进制代码的寄存器，需用 n 个触发器来构成。按功能可分为：基本寄存器和移位寄存器。 移位寄存器不但可以存放数码，而且在移位脉冲作用下，寄存器中的数码可根据需要向左或向右移位。寄存器和移位寄存器是数字系统和计算机中的基本逻辑部件。移位寄存器 中的数据可以在移位脉冲作用下一次逐位右移或左移，数据既可以并行输入、并行输出，也可以串行输入、串行输出，还可以并行输入、串行输出，串行输入、并行输出，十分灵活，用途也很广。移位寄存器又分为单向移位寄存器和双向移位寄存器。如适当加入一些控制电路和控制信号，就可将右移位寄存器和左移位寄存器结合在一起，构成双向移位寄存器。 要元件介绍 1、 7474系列移位寄存器的区别 74于 型的集成电路，而 74于 成电路。 74 路以双极型 晶体 管为开关元件所以以称双极型（电子和空穴）集成电路。 74 路， 路是 路中的主导产品。 - 10 - 电路以绝缘栅场效应晶体管为开关元件。所以又称单极型集成电路。按其导电沟道的类型， 路可分为 路。 路沿着4000500B（统一称为 4000B） 列高速发展。 列还同 平兼容，扩大了应用范围。 者高电平低电平定义不同， 电平规定为 电源电压，低电平规定为 电源电压。 定高电平为 电平为 负载特性不同。拉下拉能力相同， 拉弱而下拉强。 输入特性不同。 入电阻很高，输入开路时电平不定。 入内部有上拉，输入开路时为高电平。 列与 列性能比较： （ 1） 作电压范围为 5V 正负左右。 3右。 （ 2）频率特性：标准 路在 5下，一般 100下。 （ 3）速度 *功耗积：（在 100，单位为 准 路和为 100。标准 11。 （ 4）最小输出的驱动电流（单位 输出低电平 准输出： 标准 列为 16准 4000 系列为 1674 系列为 4 （ 5）大电流输出：标准 48V。标准 4000 为 16V， 74 系列为 6V） （ 6）扇出能力：标准 系列为 40（大电流输出为 120）。标准 4000系列为 4， 74 系列为 10，大电流输出为 4， 15）。 （ 7）最大输入电流（单位 出低电平 4V）：标准 列为 4000 系列为正负 74 系列为负 （ 8）输入阻抗： 达 10M， 5M。 2、 74件功能介绍 当清零端 低电平时，输出端 为低电平； 当 0 时，移位寄存器保持原来状态； 当 1 时，移位寄存器在 冲的作用下进行右移位，数据从 输入； 当 0 时，移位寄存器在 冲的作用下进行左移位，数据从 输入； 当 1 时，在 冲的配合下，并行输入端的数据存入寄存器中。 74具有清零、保持、实现数据左移、右移功能外，还可实现数码并行输入或串行输入、并行 输出或串行输出的功能。 3、 74 脚介绍 A D 为并行输入端； 并行输出端； 移串引输入端； 移串引输入端； 作模式控制端； 直接无条件清零端； 时钟脉冲输信号波形合成实验电路 - 11 - 入端。 74 脚图如 3示 图 34脚图 频模块电路 在分频电路中，利用 4 位双向移位寄存器 74了六分频和二分频电路，分频电路如图 3图 3示： 分频电路 图 3分频电路 74位寄存器的控制输入端 用来进行移位方向控制的， 高电平时，移位寄存器处于向左移位的工作状态，二进制数码在 冲的控制下由高到低逐位移入寄存器，因此可以实现串行输入；在 低电平时，移位寄存器处于向右移位的工作状态，二进制数码在 冲的控制下逐位移出寄存器 (低位在前，高位在后 )。 在串行输入、并行输出的转换中，若将四位二进制数码全部送入寄存器内（四位寄存器）。由于每个 冲移位寄存器只移一位，四位二进制数码需要四个 冲。但若四位二进制数码还含有其它检验码 (如奇偶校验码 )，则总 数码有几位就需要几个 冲。 信号波形合成实验电路 - 12 - 波模块 滤波电路是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分的电路。滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。由于有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，谐振频率、增益和品质因数容易控制等而获得广泛应用。有源滤波电路有低通、高通、带通和带阻等型式。低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能通过的电路，高通滤波电路则与低通滤波电路相反，带通滤波电路是指某一频段的信号能通过而该频率以外的信号不能通过的电路，带阻滤波电路与带通滤波电路作用相反。 要元件介绍 美国 司生产的巴特沃斯四阶开关电容低通滤波器 为滤波电路的主要组成部分，采用施密特触发器振荡器自定时的双电源供电。 1、 性能介绍 司推出的通频带内具有最大平坦度、截止边带单调下降的巴特沃斯四阶开关电容滤波器。该滤波器的截止频率可随时钟编程的改变而改变，截止频率稳定性依赖于时钟的稳定性，时钟截止频率比为 50:1，该滤波器可外接 可自产生时钟。 片功能图如图 3示： 图 3片功能图 芯片内部由时 钟整形电路，时钟电平移位电路，无重叠时钟发生器及巴特沃斯四阶开关电容滤波器组成。 2、 脚介绍 信号波形合成实验电路 - 13 - 脚图如图 3示： 图 3脚图 脚 1（ 平输入端。当用于自产生时钟时， 电容到地， 脚 2（ 平时钟输入端。 平输入时将 脚 3（ 电平移位选择端。 当采用 平时钟或自产生时钟，接 当采用 平时钟时，接 中间电位。 脚 4（ 负电源端。 脚 5（ 滤波器输出端。 脚 6（ 模拟地，接 中间电位。 脚 7（ 正电源。 脚 8（ N）：滤波器输入端。 围电路结构简单、工作电源灵活、抑制纹波干扰能力强、滤波器性能稳定，可取代一般运算放大器构成的低通滤波器。 波模块电路 滤波电路图如图 3示，滤波频率由 1R 、 1C 决定，电路 ，截止频率有一定调节范围 。 波电路图 信号波形合成实验电路 - 14 - 对于 10号，截止频率取在 10间（如果截止频率选在 10波会存在 衰减），做到 10衰减，完全滤除方波在 30的 3 次谐波以及以后更高级的谐波，得到 10正弦波。同理选择合适的截止频率，可获得 30 50正弦波。 本运算模块 1、放大电路及增益的介绍 放大电路的主要性能指标有放大倍数、输入电阻、输出电阻等。 放大倍数是衡量电路放大能力的指标，它有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数等表示方法，其中电压放大倍数应用最多。 放大电路的输出电压与输入电压之比，称为电压放大倍数。 放大电路的输出电流与输出电流之比，称为电流放大倍数。 放大电路的输出功率与输入功率之比，称为功率放大倍数。 工程上常用分贝来表示放大倍数，称为增益，他们的定义分别为电压增益，电流增益和功率增益。 2、反馈简介 反馈是电子技术领域中的一个重 要概念，它有正负之分。在放大电路的设计中，通常引入负反馈来改善放大器的性能，通过正反馈构成各种振荡器，产生各种波形信号。在许多实际的电子电路中均存在着某种类型的反馈，反馈的概念和理论在工程领域得到了日益广泛的应用。 放大电路引入负反馈的一般原则 （ 1）欲稳定某个量，则引入该量的负反馈 （ 2）根据对输入输出电阻的要求来选择反馈类型 （ 3）根据信号源和负载来确定反馈类型 3、跟随器 电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近 1。 电压跟随器的显著特点就是， 输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。 在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有信号波形合成实验电路 - 15 - 相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。 电压跟随器的另外一个作用 就是隔离，在 路中，关于负反馈的争议已经很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。但是由于引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。造成音质模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证 4、加法运算电路 加法是对多个信号进行求和。根据输出信号与求和信号反相还是同相分为反相加法运算和同相加法运 算。 要元件介绍 1、 功能介绍： 片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于 于 大为 25V），所以 很多应用场合不需要额外的调零措施。 时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 2、 点： 1) 低的输入噪声电压幅度 102) 极低的输入失调电压 10 V 3) 极低的输入失调电压温漂 4) 具有长期的稳定性 ) 低的输入偏置电流 1) 高的共模抑制比 126) 宽的共模输入电压范围 14V 8) 宽的电源电压范围 3V 22V 9) 可替代 725、 108A、 741、 电路 信号波形合成实验电路 - 16 - 图 3脚图 3、 片 引脚 功能说明 脚图 如图 3示， 1 和 8 为偏置平衡 (调零端 )， 2 为反向输入端， 3 为正向输入端， 4 接地， 5 空脚 ， 6 为输出 ， 7 接 正 电源 大增益模块电路 低通滤波器输出的 10信号为 4V 左右，为达到要求需经过放大电路使其达到 6V，放大 ，放大增益电路如图 3示。放大倍数由 18171615 , 图 3大增益电路 为减小移相电路对前后电路信号影响，移相电路由跟随电路和移相电路组成，移相角 有 23R 和 17C 决定，其中 17C 取 1023R 取 调电阻，根据公式 2 )2 1( a rc rc tg c （式 2）， 得出移相角约在 018 间可调。 8 3 2 6 7 4 5 1 3 2 6 7 4 5 1 16 15 18 12V 12V 号波形合成实验电路 - 17 - 减移相模块电路 低通滤波器输出的 30 50信号为 4V 左右，为达到要求需经过衰减电路使其达到 2V 和 减移相电路如图 3示。83267451222减移相电路 衰减比例由分压电阻 2119,定。移相器原理如上部分 述。 法器模块电路 加法运算即对多个输入信号进行求和，本电路是利用同相加法运算电路，如图3示： 832674512法器电路图 输入加法器的各波形需在前面电路放大衰减移相等部分进行处理，满足傅里叶变换公式 3、公式 4： 方波： . .)5s 51)3s 31)s 4)( （式 3） 三角波： . .)5s 5 1)3s 31)s 8)( 222 （式 4） 信号波形合成实验电路 - 18 - 试与数字显示模块 英文 缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。 优势：与传统的阴极射线管（ 比， 用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳。不足：与同大小的 比，价格更加昂贵。 受 晶层中实际单元格