信号波形处理设计论文

PAGE10摘要：本设计由六个模块构成：方波信号产生模块，正弦信号产生模块（滤波模块），幅度调节模块，波形叠加模块，以及正弦波幅值测量。利用晶振和CD4060产生方波，以提高信号的频率稳定度，采用74LS161构成分频电路得到所需要的信号频率。使用FilterSolution软件设置RC参数实现具有较好截止特性的低通滤波器对方波进行滤波，以得到所需正弦信号，幅度、相位调节后用运算法放大器构成加法电路实现正弦信号的合成，采用减法电路实现三角波。采用MSP430单片机控制TLV1544实现了电压测量功能。关键词：信号合成，滤波，TLC085,MSP430Abstract：Thisdesignconsistsofsixblocks:pulsesignalgeneratedmodule,sinesignalgeneratedmodule(filtermodule),amplitudeadjustmentmodule,waveformmodules,andthesinewaveamplitudemeasurementmodules.UsecrystalsandCD4060producesquare,inordertoimprovethesignalfrequencystability,using74LS161constitutefrequencycircuitreceiverequiredsignalfrequency.UsingthesoftwareconfigurationseparateRCparametershavegoodbythecharacteristicsofwavelettootherlow-passFiltertogetFilterforsinusoidal,amplitude,phaseadjustingmethodofoperationamplifiercomprisebyadditionofsinesignalcircuitimplementation,usingsubtractioncircuitrealizedtriangle.UsingMSP430MCUcontrolTLV1544realizedvoltagemeasurementfunctions.Keywords：signalsynthesis,filtering,TLC085,MSP430目录1.方案设计与论证 11.1方波振荡器单元方案设计 11.2分频器单元方案设计 21.3滤波单元方案设计 21.4移相单元方案设计 21.5加法器单元设计 31.6正弦波幅度测量模块 32.电路设计 32.1方波振荡电路 32.2分频器电路 42.3滤波单元电路设计 42.4调相单元电路 52.5加法器单元电路 52.6减法器单元电路 52.6正弦波幅度测量模块电路 63.系统测试 63.1测试仪器 63.2测试方法 63.3测试数据 83.4误差分析 94.设计总结 95.参考文献 91.方案设计与论证分析题目要求可以将电路分成几个模块，振荡电路产生所需要的方波后经分频滤波产生正弦信号，调相将10kHz方波的各次谐波对准并调节它们幅度，利用加法器进行叠加得到一个方波信号。这原理可以利用傅里叶级数分析得到。设计者认为难点在于采用各种频率方波的产生和滤波器设计。根据题目基本要求系统方案如图1所示： 方波方波图1系统组成框图1.1方波振荡器单元方案设计竞赛任务中需要产生10kHz、30kHz和50kHz的正弦波信号，为了方便后续分频设计，设定方波振荡电路输出频率为750kHz，设计过程中我们比较了如下几种方案：方案一：采用比较器在低频范围内（10Hz-10kHz）内，对于固定振荡频率来说，该方法是一种实现简单、效果理想的方波振荡器。而本设计中需要方波振荡电路产生150kHz方波，若采用该方案则会出现后沿失真的矩形波，故本设计不采用该方波振荡电路。方案二：采用NE555集成芯片用NE555集成芯片外接电阻电容产生方波信号，能够满足设计的频率需要，但在大赛期间实际搭建时产生的波形有失真,产生的方波信号易受干扰，信号波形不稳定毛刺较多不利于分频，因此舍弃此方案。方案三：锁相环CD4046CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，具有电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小的特点。产生的方波信号频率满足设计需要，并且波形理想。故本设计采用该方法实现方波振荡电路。1.2分频器单元方案设计 在该部分电路设计时，设计者考虑了几个问题：首先，信号波形要纯净方便，频率成份清楚；其次，就是信号输出的占空比最好是50%，考虑了如下几种方法：方案一：FPGA/CPLD可编程逻辑器件在FPGA/CPLD上使用VHDL进行分频器设计，可以实现任意分频，且信号稳定性好，考虑到与模拟设计大赛主题，没有采用该方法。方案二：脉冲计数分频采用计数器电路可方便有效地实现分频功能。在功能上能够满足需要且电路简单，因此决定采用计数器74HC161等芯片实现分频功能，但若要实现50%的占空比则电路相对较为复杂。1.3滤波单元方案设计滤波单元电路完成的功能是将分频后的方波信号转化成相应频率的无失真的正弦信号。要充分考虑滤波器过渡带、衰减带特性。方案一：无源滤波RC无源滤波器具有电路简单，抗干扰性强，较好的低频性能，但是RC参数计算较为困难，在滤波特性上与有源滤波相比有一定差距。方案二：有源滤波器有源滤波电路是指使用放大器实现滤波功能。有源滤波能够滤除谐波，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。并且考虑到竞赛的要求，选用了TI公司的LM358进行滤波单元的设计。1.4移相单元方案设计通过对方波信号频谱的分析以及MATLAB仿真可知，6V、10kHz的正弦波信号和2V、30kHz的正弦波信号在相位一致时，能够合成所需要的波形信号。由于前端对两路信号进行了滤波，造成了相位偏移，故需通过移相电路使得两路信号相位一致。本设计采用电路简单的RC电路，设定合适的电容和变阻值,能够满足设计需要。1.5加法器单元设计该单元是将调相后的两路信号进行叠加，得到需要的波形信号。按照竞赛要求选择TI公司的TLC085进行加法器的设计。1.6正弦波幅度测量模块该题目唯一可以使用的微处理器模块在此，采用TIMSP430超低功耗单片机，控制外部AD器件实现对信号采集和测量。2.电路设计本次竞赛中C题的任务是设计制作一个电路，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。通过对方波信号的频谱进行分析：其中的可以看出方波信号可由相位相同的10kHz、30kHz、5010kHz等奇次正弦信号叠加而成。基于此原理进行电路设计。2.1方波振荡电路采用12M晶振，管脚10，11接电容后接地，Q4端输出，经16分频后生成750K方波，频率稳定，波形良好。图2方波振荡电路图2方波振荡电路2.2分频器电路采用计数器74HC161和74HC160分别设计四个分频电路，首先将750kHz方波进行分频得到150kHz，然后将150kHz方波信号分频得到10kHz、30kHz和50kHz的方波信号，如图3所示为其中的3分频电路。图33分频器电路图33分频器电路2.3滤波单元电路设计根据正弦波具有奇次谐波特性，在设计时候特别需要考虑在10kHz滤波器设计时候的截止特性。利用LM358构成的有源滤波器，其自身就是谐波源。依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。使用FilterSolution滤波器设计软件对硬件参数进行设定，如图4所示为4阶Butterworth滤波器。 图410KHz滤波电路图2.4调相单元电路图5调相电路图5调相电路2.5加法器单元电路采用TLC085设计的加法器电路，其中电阻值根据虚短和虚断原理设定如图6所示。图6加法器电路图6加法器电路2.6减法器单元电路三角波频率分析后，发现采用10kHz与30kHz幅度比为9：1的信号想减即可达到近似三角波。图7减法电路2.7正弦波幅度测量模块电路采用A/D转换芯片来测量正弦波的幅值。电路中由于MSP430使用的是3.3V供电可以测得的幅度范围比较小，因此采用了TI公司提供的A/D芯片TLV1544，通过使用单片机的4个I/O端口跟1544进行串行通信。从而实现幅度的测量和显示。3.系统测试在设计过程中存在许多信号兼容性的问题，比如单、双电源供电芯片的输入、输出信号需要解决直流偏置问题；这就要对信号进行测试分析，从而进行电路的设计和修改。在系统构建时候需要对每个单元电路分别测试，成功则才能进行组装、调试。记录各个波形相位、幅度等。3.1测试仪器VC890D万用表；EE1411合成函数信号发生器；TDS3032B示波器。3.2测试方法焊接电路前，采用TI仿真软件以及其它各种仿真软件对电路进行仿真，观察输入输出信号形状，修改电路参数焊接和制作并测试数据与仿真数据进行比对，再设计、修改和完善电路及参数。部分仿真图形分频波形仿真图8150kHz分频得到50kHz波形仿真图图8150kHz分频得到50kHz波形仿真图10kHz滤波器幅频特性图9低通滤波器幅频特性图9低通滤波器幅频特性调相电路输出波形仿真图图10调相输出波形仿真图图10调相输出波形仿真图加法电路输出波形仿真图图11调相加法器输出波形仿真图图11调相加法器输出波形仿真图3.3测试数据分频后10kHz方波波形30kHz滤波后正弦波形叠加后波形3.4误差分析得到的30kHz正弦波信号上下对称性不理想，经分析该误差应由滤波电路实际频响特性和分频后产生的30kHz的方波波形的占空比不是严格的1：1。A/D测量的精度不高，程序设计仍需改进，可以考虑增加求和取平均值的方法提高测量结果的准确性。4.设计总结首先，此次电子竞赛使我们增长了见识，熟悉了许多功能强大的模拟芯片和各种集成电路，以便于将来运用能够得心应手，也了解了许多先进的处理技术与高级的开发平台。竞赛使我们对本专业的研究领域产生了浓厚的兴趣，将动手制作一件成功且实用的科技作品视为莫大的骄傲，更是对自己能力的肯定；另一方面，竞赛培养了我们小组中三人的团队协作、互帮互助与默契精神。在电子竞赛中，我们收获了患难与共的珍贵友谊。短短的两个月的培训与竞赛生活给我们的感受要比大学三年的生活更丰富多彩。5.参考文献[1]德州仪器高性能模拟产品手册.[2]王晋,朱练军,刘洋,曹清刚.\o"微功耗单片机的水声数字通信系统设计"微功耗单片机的水声数字通信系统设计[J].舰船科学技术,2009,(10).[3]李雪.\o"基于MATLAB的FIR数字滤波器的研究"基于MATLAB的FIR数字滤波器的研究[J].科技信息,2009,(21).[4]沈国治.MAXIM有源滤波器设计软件[J].电子技术,1996(6). 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计