信号波形合成实验_zyy20141229

1、电子设计竞赛研讨电子设计竞赛研讨 信号波形合成实验电路信号波形合成实验电路 武汉大学珞珈学院武汉大学珞珈学院 翟月英翟月英 2014.12.302014.12.30 l题意分析 l振荡信号产生 l分频与信号调理 l移相与信号合成 主要内容：主要内容： 信号波形合成实验电路信号波形合成实验电路 信号波形合成实验电路信号波形合成实验电路 任务任务 设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的 正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波和其他 信号。电路示意图如图1所示： 图1 电路示意图 1 1基本要求基本要求 （1）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

2、两种信号应具有确定的相位关系； （2）产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为6V和2V； （3）制作一个由移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的 10kHz和30kHz正弦波信号，作为基波和3次谐波，合成一个近似方 波，波形幅度为5V，合成波形的形状如图2所示。 信号波形合成实验电路 图2 利用基波和3次谐波合成的近似方波 2 2发挥部分发挥部分 （1）再产生50kHz的正弦信号作为5次谐波，参与信号 合成，使合成的波形更接近于方波； （2）根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号 合成电路，将产生的10kHz、30kHz等各个正弦信号， 合成一个近似的三角波形； （3）设计制作一个

3、能对各个正弦信号的幅度进行测量 和数字显示的电路，测量误差不大于5； （4）其他。 信号波形合成实验电路 一、原理分析一、原理分析 01111 011 1 ()cos()sin()cos()sin()+ = cos()sin() nnnn nn n f taatbtatbt aan tbn t 011 000 122 ( ) ;( )cos() ;( )cos() TTT nn af t dt af tn t dt bf tn t dt TTT 周期性信号可以按照傅里叶级数的定义由三角函数线 性组合来表示: 其中， 根据傅里叶展开式可以得知，合成出周期性信号的关 键在于两点： (1)各个谐波的

4、幅值与展开式中的系数一致；各个谐波的幅值与展开式中的系数一致； (2)各个谐波保证同相。各个谐波保证同相。 1 1、方波的傅里叶级数分析、方波的傅里叶级数分析 2 1 222 ( )cos()cos(3)cos(5) 35 2 =sin ()cos() =1 3 5 2 n EEE f tttt En n tn n （， ， ） 将方波进行傅里叶展开: 一、原理分析一、原理分析 2 2、三角波的傅里叶级数分析、三角波的傅里叶级数分析 t t f f ( ( t t ) ) E E / / 2 2 - - E E / / 2 2 将三角波信号进行傅里叶展开： 22 2 1 44 ( )sin()

5、sin() 9 4 =sin()sin() =1 3 5 ()2 n EE g ttt En n tn n （， ， ） 系数比10KHz30KHz50KHz 方波11/31/5 三角波1-1/91/25 （注：负号表示相位相反） 一、原理分析一、原理分析 本题可分解为三个主要问题：本题可分解为三个主要问题： l 产生一个基频（本题目中为产生一个基频（本题目中为10kHz）的振荡信号；）的振荡信号； l分频获得各个谐波，并且将其调理到和傅里叶级数系数相一分频获得各个谐波，并且将其调理到和傅里叶级数系数相一 致的幅度，并且滤除杂波；致的幅度，并且滤除杂波； l 将各个谐波调整到相位相同，相加合成

6、为方波或者三角波。将各个谐波调整到相位相同，相加合成为方波或者三角波。 一、原理分析一、原理分析 一、原理分析一、原理分析 波形合成电路波形合成电路 系统方案系统方案 二、振荡信号产生二、振荡信号产生 振荡信号产生方式：振荡信号产生方式： lCPLD或者FPGA产生并且分频 l振荡电路 l集成芯片如NE555等 三角波和矩形波三角波和矩形波 1、RC积分电路积分电路+比较器比较器 R Cucui RC2T 三角波和矩形波三角波和矩形波 1、RC积分电路积分电路+比较器比较器 R Cucui i i t t 0 0 u RC 1 tutud ioo 三角波和矩形波三角波和矩形波 1、RC积分电路

7、积分电路+比较器比较器 滞回比较器滞回比较器 三角波和矩形波三角波和矩形波 1、RC积分电路积分电路+比较器比较器 555芯片芯片 T=tW1+tW2 tW1=0.693（R1+R2）C tW2=0.693R2C 三角波和矩形波三角波和矩形波 1、RC积分电路积分电路+比较器比较器 555芯片芯片 占空比可调占空比可调 充电充电 放电放电 频率也可调频率也可调 =0， =1，为振荡电路 三角波和矩形波三角波和矩形波 1、RC积分电路积分电路+比较器比较器 2、反馈型多谐振荡器、反馈型多谐振荡器 FA i X 幅度条件：放大倍数幅度条件：放大倍数=1，相位条件：相位相同，相位条件：相位相同 注意

8、以上条件可以在多次反馈中满足注意以上条件可以在多次反馈中满足 反馈环节：反馈环节： 直接反馈，电容反馈，晶振反馈，直接反馈，电容反馈，晶振反馈， 选频电路反馈选频电路反馈 多谐振荡器多谐振荡器 正弦波振荡正弦波振荡 (1) 普通反相门构成多谐振荡器 2、反馈型多谐振荡器、反馈型多谐振荡器 反相门的相位关系和幅度关系：反相门的相位关系和幅度关系： 相位：反相加时延相位：反相加时延 幅度：幅度： 74LS04 CD4069 在输入端和输出在输入端和输出 端之间接入一个端之间接入一个 反馈电阻反馈电阻RF，可，可 使反相器工作在使反相器工作在 转折区。转折区。 (1) 普通反相门构成多谐振荡器 2、

9、反馈型多谐振荡器、反馈型多谐振荡器 反相门的相位关系：反相门的相位关系：反相加时延反相加时延 环路基本原理：环路基本原理： 偶数级反相：相移为偶数级反相：相移为360 奇数级反相：相移在两遍环路后为奇数级反相：相移在两遍环路后为360 (1) 普通反相门构成多谐振荡器 2、反馈型多谐振荡器、反馈型多谐振荡器 对称型多谐振荡器对称型多谐振荡器 tw1= tw2=0.693RC0.7RC T1.4RC +- + (1) 普通反相门构成多谐振荡器 2、反馈型多谐振荡器、反馈型多谐振荡器 非对称型多谐振荡器非对称型多谐振荡器 (1) 普通反相门构成多谐振荡器 2、反馈型多谐振荡器、反馈型多谐振荡器 带

10、带RC电路的环形振荡器电路的环形振荡器 tw10.94RC tw21.26RC T2.2RC 三级反相加上三级反相加上RC时延时延 (2) 石英晶体振荡器 2、反馈型多谐振荡器、反馈型多谐振荡器 将主要电路集将主要电路集 成于芯片中成于芯片中 T2.2RTCT 32768Hz 2Hz 分频分频 1、触发器分频、触发器分频 74LS76/106 74LS74/CD4013 CP Q T触发器触发器 分频分频 1、触发器分频、触发器分频 2、常用计数器芯片分频、常用计数器芯片分频 输入输入输出输出 CP/LD/CREPETQ3Q0 / 0全全0 01预置数预置数 1111计数计数 110保持保持

11、110保持保持 分频分频 1、触发器分频、触发器分频 2、常用计数器芯片分频、常用计数器芯片分频 用用CO或或Qi 输出分频信号输出分频信号 改变计数值从而改变分频值改变计数值从而改变分频值 （1）反馈置数和反馈清零）反馈置数和反馈清零 （2）级联）级联 改变单个计数器的计数分频值改变单个计数器的计数分频值 反馈置数反馈置数 反馈置数（反馈置数（0） 反馈清零反馈清零 名称名称适用计数器适用计数器反馈端反馈端接受反馈端接受反馈端预置数预置数状态状态 反馈清零法反馈清零法有同步清零输入有同步清零输入输出的输出的SM-1状态状态同步清零输入同步清零输入无无S0SM-1 反馈清零法反馈清零法有直接清

12、零输入有直接清零输入输出的输出的SM状态状态直接清零输入直接清零输入无无S0SM-1 反馈置数法反馈置数法有同步预置功能有同步预置功能进位端进位端同步置数端同步置数端N-MSN-MSN-1 反馈置数法反馈置数法有直接预置功能有直接预置功能进位端进位端直接置数端直接置数端N-M-1SN-M-1SN-2 反馈置零法反馈置零法有预置功能有预置功能输出的输出的SM-1状态状态同步置数端同步置数端0S0SM-1 级联级联 组合信号级联（组合信号级联（059） 用使能端级联用使能端级联 反馈清零及级联反馈清零及级联 反馈置零及级联反馈置零及级联 级联级联 计数器级联方式计数器级联方式适用计数器特点适用计数

13、器特点 低进位送高计数输入低进位送高计数输入有进位输出有进位输出 低进位送高使能低进位送高使能有进位输出和使能端有进位输出和使能端 低状态组合送高计数输入低状态组合送高计数输入无进位输出或不计满就需进位无进位输出或不计满就需进位 低状态组合送高计数使能低状态组合送高计数使能同上且有使能端同上且有使能端 （一）分频（一）分频 1、触发器分频、触发器分频 2、常用计数器芯片分频、常用计数器芯片分频 型号型号功能功能 74LS902/5/10进制异步计数器进制异步计数器 74LS922/6/12进制异步计数器进制异步计数器 74LS932/8/16进制异步计数器进制异步计数器 74LS160(CD4

14、0160)十进制可预置同步计数器，直接清零十进制可预置同步计数器，直接清零 74LS161(CD40161)二进制可预置同步计数器，直接清零二进制可预置同步计数器，直接清零 74LS162(CD40162)十进制可预置同步计数器，同步清零十进制可预置同步计数器，同步清零 74LS163(CD40163)二进制可预置同步计数器，同步清零二进制可预置同步计数器，同步清零 74LS190单时钟单时钟8421BCD码同步可逆计数器码同步可逆计数器 74LS191单时钟四位二进制同步可逆计数器单时钟四位二进制同步可逆计数器 74LS192(CD40192)双时钟双时钟8421BCD码加减同步可逆计数器码

15、加减同步可逆计数器 74LS193(CD40193)双时钟四位二进制加减同步可逆计数器双时钟四位二进制加减同步可逆计数器 分频分频 1、触发器分频、触发器分频 2、常用计数器芯片分频、常用计数器芯片分频 3、脉冲计数分配器分频、脉冲计数分配器分频 4、可编程计数芯片、可编程计数芯片 三、信号调理三、信号调理 本模块将分频获得的各个频率的谐波调整到合适的幅度并且 滤除杂波干扰，因此分成两个部分滤波与放大。 滤波部分：滤波部分： l集成滤波器芯片，如MAX274，MAX297； l普通有源滤波电路。 集成滤波器芯片以其出色的性能和方便调试的特点 在实际使用中广受欢迎。 三、信号调理三、信号调理 滤

16、波器设计滤波器设计 滤波的截止频率均为几十KHz，比较适合采用集 成滤波芯片来实现。MAX297是一个性能出色的8阶 椭圆开关电容集成滤波器，外围仅用一个电容设定 截止频率。 由于开关电容滤波器输出信号时会有较多高次 谐波，故在滤波输出增加2阶巴特沃斯低通滤波使输 出信号变得平滑。 根据上述分析，滤波器电路如下图所示 三、信号调理三、信号调理 滤波器设计滤波器设计 频率 参数 10KHz30KHz50KHz C1(pF)56102 C2(uF)0.10.0010.001 R1(k)142 按照表2中不同截止频率下的R1、R2、R3、C1、C2 的值计算C3、C4、R4的值对应下表2 表2 滤波

17、器参数表格 三、信号调理三、信号调理 滤波器设计滤波器设计 幅度比值10KHz30KHz50KHz 方波11/31/5 三角波11/91/25 根据傅里叶级数中的系数可知各次谐波的幅度比例，从 而确定各路信号的放大倍数。 三、信号调理三、信号调理 幅度调整幅度调整 本电路中信号为几十KHz，频率并不高，一般的运算放 大器，如OPA227，OPA606等都可以满足要求。 四、移相与信号合成四、移相与信号合成 移相网络移相网络 信号经过前级的滤波模 块和放大模块之后，不同频 率的信号产生相位差。为了 保证各个谐波可以合成方波 必须用移相网络把各次谐波 的相位移为一致。如右图的T 形电路是一个全通网

18、络，可 实现移相功能： 简单元器件移相简单元器件移相 UO=UR UCUi 四、移相与信号合成四、移相与信号合成 移相网络移相网络 简单元器件移相简单元器件移相 UO=UR UCUi 实际上：实际上： 当电容及输入信号频率固定时，当电容及输入信号频率固定时， 容抗容抗XC也是固定的常数。也是固定的常数。 UC:UR= XC:R UC2+XC2=Ui2=常数常数 相位差接近相位差接近0时，输出时，输出UR很小很小 相位差接近相位差接近90 时，电阻时，电阻R的阻的阻 值应接近值应接近 一般可选一般可选R和和XC在同一数量级在同一数量级 相位差的变化小于相位差的变化小于90 R=XC时，相位差为时

19、，相位差为45 看起来R的改变可使 相位在0到90 的范围内移动 221 1 )(VVV R R V O O o 222 11 2222 1 1 121 CR RC)j R R () R R (CR) R R ( )H(j o o o o o o RCj RCj VV in 1 1 RCj VV in 1 1 2 故 其中，为输入信号频率， R、C为该相 移网络固定电容和电阻取值。 分析T形网络的传输函数： 四、移相与信号合成四、移相与信号合成 移相网络移相网络 o o o o o o R R CR) R R ( RC) R R ( 1 2222 1 1 1 12 tan （为相移） 电阻和电容需满足 时， 1RC o