2021信号波形合成实验电路报告

1、信号波形合成实验电路报告信号波形合成实验电路（C题）参赛队学校：武汉工业职业技术学院参赛队号： 327001参赛队员：吴思超周杰何远健信号波形合成实验电路（C题）摘要：随着电子技术的发展，电子系统对信号波形的合成要求更高。本信号波形合成实验电路由555多谐振荡电路输出一个方波，然后对方波信号进行分频和滤波分别得到10kHz、30kHz、和50kHz频率的正弦波信号，最后经过信号放大移相电路和信号加法合成电路得到一个近似的方波和三角波，用单片机控制模块控制经AD转换输出正弦信号的幅值、经LCD液晶数字的显示幅值以及键盘输入的选频电路。本系统具有结构紧凑，电路简单，涉及的知识范围广、功能强大、可扩

2、展性强等优点。关键字:555振荡信号；滤波分频；移相；加法合成一系统方案1方案论证与选择（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，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。不用依靠单片机，用滑动变阻器调节频率，电路简单。其缺点是这种模块产生的波形都不是纯净的波形，所以要有滤波电路。根据题意，本系统需要一个300k

3、Hz的方波，所以选择方案二，用555振荡电路产生一个方波。（2）滤波方案方案一：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。方案二：以集成运放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，选择方案二作为系统的滤波方案。（3）幅值检测与显示方案通过单片机系统的键盘输入控制选频，选择检测信号的输入，通过TLC549将采集的模拟信号转化为数字信号幅值，从而通过液晶显示器显示出来。本系统直接有

4、效，且便于控制。2总体方案设计本系统采用555振荡信号发生电路输出一个方波，然后对方波信号进行滤波分频分别得到10kHz 、30kHz 、和50kHz 频率的正弦波信号，最后经过信号放大移相电路和信号加法合成电路得到一个近似的方波和近似的三角波信号，用单片机控制模块控制经AD 转换输入的正弦信号幅值和经LCD 液晶数字显示幅值以及键盘输入选频电路。系统总体框架设计图如图1所示： 图1 总体设计框图二理论分析与计算1555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

5、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，V Cc 通过电阻R 1、R 2向电容C 充电。当电容上电V C =2/3Vcc 时，阀值输入端受到触发，比较器C 1翻转，输出电压Vo=0，同时放电管T 导通，电容C 通过R 2放电；当电容上电压V C =1/3Vcc ，比较器C 2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：C R R V V V V C R R t CCCC CCCC PH)(7.03132ln )(2121+? ?-?+= 放电时间

6、：C R V V V V C R t CC CCCCCC PL227.03132ln ? ?-= 振荡周期：T=t PH +t PL 0.7(R 1+2R 2)C 振荡频率：f=1/T=CR R t t PL PH)2(44.1121+占空系数： 21212R R R R T t D PH +=当R 2R 1时，占空系数近似为50。 （a ） （b ）图2 多谐振荡器的电路图和波形图由上分析可知：a ）电路的振荡周期T 、占空系数D ，仅与外接元件R 1、R 1和C 有关，不受电源电压变化的影响。b ）改变R 1、R 2，即可改变占空系数，其值可在较大范围内调节。c ） 改变C 的值，可单独改

7、变周期，而不影响占空系数。另外，复位端也可输入1个控制信号。复位端为低电平时，电路停振。2计数分频原理与分析应用N 进制中规模集成器件实现任意模值M （M N ）计算分频时，主要从N 进制计数器的状态转移表中跳跃（N -M ）个状态，从而得到M 个状态转移的M 计数分频器。通常利用中规模集成器件的清除端和置入控制端进行设计。 （1）利用清除端的复位法当中规模N 进制计数器从S 0状态开始计数时，计数器输入M 个脉冲后，N 进制计数器处于SM 状态，利用SM 状态产生一个清除信号，加到清除端，使计数器返回到S 0状态，这样就跳跃了（N -M ）个状态，从而实现模值为M 的计数分频。 （2）利用置

8、入控制端的置位法利用中规模器件的置入控制端，可以置入某一固定二进制数值，从而使N 进制计数器跳跃（N -M ）个状态，实现模值为M 的计数分频。三硬件实现及单元电路设计1555振荡电路由555定时器组成多谐振荡器应用电路，R1、R2和C 是外接元件。通过调节R1与R2的阻值来调节输出一个占空比为50%的方波，并且频率控制为300kHz 。电路图参见图2。2分频电路由计数器74HC161分别组成一个六分频、十分频、三十分频的分频器，将555振荡器产生的300kHz 方波分频得到频率为50kHz 、30kHz 、10kHz 的方波。电路图如图3所示。图3 六分频电路3滤波电路555多谐振荡器产生的

9、方波由基波及其各个奇次谐波组成。根据题目要求，要从由振荡器产生的方波信号中得到相应频率的正弦信号，就需要将方波中的各高次谐波成分滤除，仅留下基波成分。为了达到此目的，需要设计并实现截止频率等于方波基波频率的滤波器。考虑到信号的相位关系，在这里使用具有线性相位特征的贝塞尔滤波器。为了减小滤波器过渡带的宽度，滤波器的阶数确定为四阶。在设计滤波器的时候用到了TI 的滤波器设计工具filter_pro。图4为使用filter_pro设计得到的截止频率为10kHz的低通滤波器。（a）滤波电路（b）滤波频率特性曲线图4 10kHz的低通滤波器。4放大电路设计要求中需要频率为10kHz和30kHz的正弦波信

10、号应具有幅度峰峰值分别为6V 和2V，所以需要一个放大电路来调节信号波的幅值。本设计中应用反向比例运算放大电路：如下图5所示：输入信号从反响输入端输入，同向输入端通过阻接地，根据虚短虚断的特点可得：U0= -（Rf*Ui）/R则幅值的放大倍数即为Au= -Rf/R电路中可以调节滑动变阻器Rf来改变放大倍数，从而调节信号波的幅值。图5 放大电路5移相电路设计中要求将50kHz、30kHz和10kHz的正弦波合成一个近似的方波，所以要将信号波移相换位，使其通过加法器合成叠加，从而得到所要的信号，所以本设计中需要一个移相电路。移相电路如下所示:图6 移相电路6加法器电路加法器电路即反相求和电路，如下

11、图7所示，根据虚短虚断的概念可得：在R1=R2时U0时：当调节每一输入信号的输入电阻（R1或R2）时，不影响其它输入电压与输出电压的比例关系。从而使输出幅值为5V。图7 加法器电路7单片机通过键盘控制和幅值显示模块用单片机作为本系统的控制部分，采用STC89C52单片机键盘和一片TLC549模数转换器组成，模数转换的输入信号需用AD637将需检测的交流信号转换为直流信号，并且通过开关选择需要检测的信号，将检测到信号的幅值通过液晶显示屏输出来。程序流程图如图8所示。四系统调试检测与数据分析1测试方法（1）先测试第一级方波产生电路，调试输出一个300kHz的方波。图8 程序流程图（2）接着测试30

12、0kHz的方波经过六分频、十分频、三十分频分别得到的50kHz、30kHz 和10kHz的方波频率。（3）然后测试滤波与放大电路，调试要求得到一个幅度为6V的10kHz正弦波、一个幅度为2V的30kHz正弦波以及一个50kHz的正弦波。(4)最后测试移相和加法电路的最终输出信号，载入10kHz和30kHz的正弦波，通过调节移相电路要求得到一个近似的方波，幅度为5V。（5）最后将50kHz的正弦波也一起载入，观察测试结果。2测试结果（1）分频滤波放大测试结果如表一所示。通过输入频率为10kHz和30kHz的正弦波信号，测试加法器的最终输出信号，可以的到一个近似的但不稳定的方波；接着接入50kHz

13、的正弦信号，再次测量最终输出信号可以得到一个近似的三角波信号。3数据分析通过表一分析可知基本符合题目中给出的要求：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；产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为6V和2V。通过分析可知移相加法合成测试结果，可以合成一个近似方波，波形幅度为5V。加入50kHz的正弦波参与信号合成，得到一个近似的三角波。但由于电路做工问题，使得得到的波形达不到理想要求。五结论与系统改进本作品基本达到了题目基本要求和部分扩展功能及指标的要求，将不同频率的正弦波合成为近似的方波和三角波。本系统从方案设计，理论计算，实际制作，软硬件调试等方面进行了紧张而又认真仔细的工作，实现了信号波形合成。在理论设计计算方面，我们充分利用所学的知识，力争做到最好。但由于时间紧，工作量大，设计电路还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间，经过改进，相信性能还会有进一步的提升。本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但在我们组员间团结协作，相互理解和支持，一一解决了很多难