数字波形合成器

1、电子技术课程设计课题名称：数字波形合成器的设计1. 实验目的1.1 掌握数字波形合成器的基本设计方法和整体电路实现；1.2 熟悉各功能模块单元电路的具体设计方法和工作原理（脉冲发生器、 分频器、数字模拟转换以及低通滤波器）。1.3 进一步熟悉电子电路的设计方法。1.4 进一步熟悉电路设计过程中EDA方法以及各种电子器件的使用方法。 2. 实验要求2.1 设计一个具有高频率稳定度和高相位稳定度的两相正弦信号源。2.2 两相正弦信号频率 f=400Hz。2.3 两相信号 A、 B 之间相位差 90°。2.4 幅值=5V±0.2V。3. 实验仪器、主要元器件3.1 振荡电路:NE

2、555*1； 电阻 1k*1,15k电位器*1 ； 电容 0.01uF*23.2 分频器： CD4013 双 D触发器*33.3 两路正弦加权 DAC： 电阻 1M*4、 370k*4、 270k*4、 135k*2、 68k*2； uA741*23.4两路 LPF: 电阻 91k*4； 电容 2200pF*2、 8800pF*2；uA741*23.5 其它必要设备或元器件： 直流稳压电源；导线若干；示波器；万用表；镊子；剥线钳； 面包板；4. 课题分析及方案论证4.1 课题分析在某些场合对于信号的频率、相位以及失真度要求较高。例如， 在精密陀螺测试中，对于 400Hz 三相正弦电源的这些参数

3、要求就很严格。 如果这些指标不满足，将会使陀螺角动量变化，电动机升温，产生干扰力矩，从而影响电动机的正常工作和测试。课题的实现方案有多种，采用石英晶体振荡器、分频器、 D/A 转换器构成的数字波形合成方案，是实现高频率和相位稳定性的一种较好方案，由于采用了具有较高频率稳定性的石英晶体和数字合成技术，因此使系统精度高，功能强，成本低，体积小，容易实现技术指标的要求。 4.2 方案论证数字波形的合成原理简单，从理论上说，这个方法可以合成任意波形， 这里要合成正弦波。假设要合成的正弦波频率为 f、幅值为Vm， 首先把它的一个周期分为 N 等分，用具有N 个阶梯的正弦波来逼近所要求的正弦波,N 越大，

4、其逼近程度越好，但同时电路实现也越复杂。所以要综合考虑这两方面的因素。根据技术指标的要求，合理选择N值。数字波形合成器的首要任务就是合成这种阶梯波，然后通过 LPF 把其中的高次谐波分量滤除，就获得了所需正弦波。脉冲发生器的振荡频率 F 与正弦波的频率 f 的关系为F=Nf。 其中， N 为分频器的分频系数（或称计数器的有效状态）。 可见分频器的输出频率与正弦波的频率相等，都是f=F/N 。分频器的 N 个有效状态与正弦波的N等分对应，也就是与阶梯波的 N 个阶梯对应，设分频器的 N 个有效状态为 m0、 m1、 m2······mN

5、-1,它们与正弦阶梯的对应关系可人为指定，m0 对应-sin90°， m1 对应-sin30°， ···， 以此类推。只要把上述状态变量经正弦加权的 D/A 转换器，即各状态输出去控制它所对应的权电阻（该权电阻值等于该状态所对应的正弦值）， 这样 DAC 的输出就是所要求的阶梯正弦波。当要求输出多路正弦波，并要求其相位差为角时，由于计数器的 N 个状态对应阶梯正弦波的 N 个阶梯,所以计数器的每两个相临状态在相位上相差 360° / N ,若要求两路正弦波输出信号相差 角,则要求两路阶梯波对应的阶梯错开 M 个计数状态。即 = M &

6、#183;360°/ N。例如:若要求两路正弦波输出信号相差 90 度,当取 N 等于 12 时,则 M 等于3 ,即两路阶梯波对应的阶梯应错开 3 个计数状态。综上所述：要输入 w 路正弦信号，必须有 w 个正弦加权 D/A 转换器，其权电阻解码网络中各权电阻与参考电路相同，电压源的接通受计数器的各有效状态输出控制。 4.3 方案实现4.3.1 振荡器为了获得4.8Khz的时钟频率，不采用石英振荡器时。使用集成555定时器改成多谐振荡电器。多谐振荡器是具有两个赞稳态的振荡电路，它不需要外加信号，就能产生一定重复频率和一定脉宽的矩形波脉冲信号。当提供给触发器频率稳定的方波时可以更可靠

7、的产生合格的波形。为此采用占空比可调的多谐振荡器。电路图如图4.3.1 。5图4.3.1 占空比可调的多谐振荡电路 f=1(R1+2R2)Cln2 ；当实际电路工作时，可通过调节R2电位器使输出波形频率为4.8Khz. 同时占空比q=R1+R2R1+2R2；当波形频率为4.8Khz时占空比为50%左右，能够满足要求。4.3.3 N 分频器。 采用6位扭环形计数器， N=12，用 3 片 CD4013 实现。原理图如图4.3.3所示。以 Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、Q6 作为状态输出变量， 那么在计数器12 个有效状态循环周期中有如下特点：在前半周期中，每次状态转换后 Q1Q6依次增加

8、“1”； 而后半周期依次减少“1”。 若把每一个“ 1” 作为阶梯波的台阶，即每增加一个“1”时模拟电压输出量上升一个台阶， 每减少一个“1”时下降相应的一个台阶， 这就是权电阻增量方式的设想。当然， 各个台阶的幅度都不相等，只要使幅度对应于各台阶间阶梯正弦波的增量值即可。可见 N=12 的阶梯正弦波在本方案中增量权电阻解码网络只需要 6 个增量权电阻。以 Q1Q6 作为状态变量的阶梯波。 e1e6 位各阶梯正弦增量值。图4.3.3 6位扭环形计数器当要求两路正弦波输出相位差 90° 时，计数器的两个相邻状态间相差 360°/N=30°，应错开 M=3 个计数器状

9、态。 若第一路输出采用 Q1 Q6， 则第二路输出的第一个状态应为 Q4， 而其后的 5 个状态变量依次为 Q5、 Q6、 -Q1、 -Q2、 -Q3。可见，选用不同输出端子序列去控制权电阻 D/A 转换器就可以实现各路输出信号间相位差的要求。4.3.4 正弦加权 DAC以 A 相 DAC 为例。R1R6 为权电阻解码网络， Q1Q6 为 A 相阶梯正弦波 DAC 的控制变量序列。根据波形合成原理，对应扭环形计数器的一个计数循环周期， DAC 输出端 Vo 应输出一个周期的阶梯正弦波。Vo=-RfVREF(d1/R1+d2/R2+d3/R3+d4/R4+d5/R5+d6/R6)-RfVEE/R

10、0式中， d1d6 为 A 相控制变量序列代码，即 Q1Q6 的二进制值。图4.3.4正弦加权 DAC电路代码为 1 的位，相应权电阻接 VREF;代码为 0 的位，相应权电阻接地。经进一步计算得 R1： R2： R3： R4： R5： R6=1.5： 0.55： 0.4： 0.4： 0.55：1.5。 考虑 CMOS 器件带负载能力，R1R6 分别取 1M、370k、270k、370k、 1M。Rf=68k， R0=135k。另一相 DAC 结构及参数完全相同，只是控制变量序列不同。4.3.5 低通滤波器（LPF）。 上述阶梯正弦波含有多种高次谐波分量，随着 N 的增大，所含谐波分量越小。

11、分析方法是将阶梯正弦波按傅里叶级数展开后进行分析，结论是 N=12 时，合成阶梯正弦波所含高次谐波的最低次谐波为 11 次，其幅值为基波幅值的 1/11。 采用LPF 平滑，可大大降低谐波成分，二阶低通滤波器可使失真度达 0.1%。低通滤波器（LPF）电路图如图4.3.5所示。图4.3.5 低通滤波器（LPF）其中 RD=RE=R, C1=4Q2C2, R=1/(2Q 0C2)， 取 Q=1， 0=2f=800 ，则 C2=2200pF ,C1=8800pF, RD=RE=91K .至此电路设计完毕。5、仿真分析 5.1 555多谐振荡器仿真调节电位器为91.2%时能够输出频率4.8Khz,占

12、空比为50%的方波。仿真电路图如图5.1所示，仿真结果如图5.2。图5.1 555多谐振荡器仿真电路图图5.2 555多谐振荡器仿真结果5.2 两路相位相差90°的正弦波仿真结果图5.3 总电路图图5.4 两路相位相差90°的正弦波仿真结果从仿真结果图中看出A、B两项信号都很稳定， 周期均为 T=2.5ms；A 信号波峰与最近的 B 信号的波峰的距离为 16.150-15.525=0.625ms=T/4，也就是 2 的 1/4，即两波相位相差 90°， 符合设计要求。而 A 信号的幅值为 4.946v， B 信号的幅值为4.968V，也满足设计要求。6、调试与结果

13、分析6.1 555多谐振荡电路实验之前默认时钟信号由石英振荡器产生，设计思路也是按照石英晶体设计的，但器材中并没有提供石英晶体振荡器。因此采用器材中的555集成定时器设计多谐振荡电路产生时钟信号。经过参数计算以及EDA仿真、理论设计正确后方才搭建实际电路。 搭建完实践电路后，上电检测到芯片无过热、直流电源无短路情况下，使用万用表对芯片的电源、地等引脚进行检测。当各处检测电压正常后使用示波器检测555定时器输出波形，同时对照示波器调节点位器，使波形频率满足实验要求。 6.2 6位扭环形计数器按照仿真电路图搭建实践电路，搭建完成后同样先检测各芯片是否出现过热情况，偏差电路确保芯片正常供电和接地的情

14、况下进行下一步的测试。为3片CD4013的每个CP引脚都接入时钟信号，先使电路为Q1Q2Q3Q4Q5Q6，而Q6不接回Q1。分别用高低电平输入到D1，检测每一环的输入与输入是否满足触发器的工作特性，当不满足时检测每一个触发器的置位端和清零端是否接线正确。当测试完成后，将Q6接入D1，使用示波器观察各项的输出的相位关系。在这里可以没有必要测试每一个触发器的输出，当测试任意两个没有问题时即可进入D/A转换部分的实际电路搭建和调试。6.2 阶梯正弦波由六位环形计数器产生的二进制码信号作为输入给到D/A转换器，并用示波器观察是否出现对称的阶梯波，阶数是否正确，同理对于波形的观察可以对照仿真结果进行查错。当阶数不对时检查权电阻是否出现断路情况或是触发器有没有信号输出。当前一步六位扭环形计数器检查正确是，保证D/A转换器的接线正确则很顺利的能够得到阶梯正弦波。6.3 正弦波将阶梯正弦波接入低通滤波器，经低通滤波器滤去高次谐波后即可得到正弦波。实验过程中确保每一步都得到符合要求的波形，那么只要接线和器件