队信波形合成方案设计书报告

1、信号波形合成摘要本电路实现了基于多个正弦波合成方波与三角波等非正弦周期信号的电路。使用TL082电路构成基准的300KHZ的方波振荡信号，以74LS163、CD4013实现 前置分频形成10KHz、30kHz、50kHz的方波信号，利用有源低通滤波器获得其正弦基 波分量，以TL072实现各个信号的放大、衰减和加法功能，同时使用有源RC移相电路实现信号的相位调节；使用峰值检测电路获得正弦信号的幅度，以MSP430F5438作为微控制器对正弦信号进行采样，并且采用点阵液晶实时显示测量信号的幅度值。关键词：方波振荡方波分频及滤波移相信号合成峰值检测MSP430F5438矚慫润 厲钐瘗睞枥庑赖。一、方

2、案论证1、系统分析和整体设计根据题目要求，通过方波振荡电路产生方波信号，经分频后得到各路需要的信号， 因此方波振荡电路产生的信号频率应为各路信号频率的公倍数。由于需要的信号频率为10KHz，30KHZ和50KHz，其最小公倍数为 150KHz，若使用偶数分频，则应产生 f=300KHZ的方波，分别经过6分频、10分频和30分频得到10KHz、30KHz、50KHz的 方波，然后经过滤波器得到相应的正弦信号；用放大电路弥补分频滤波过程中的衰减， 并将幅度调节至合成所需的比例关系。由傅里叶变换可以证明方波可表示为：4h111一f (t) (sin -tsin 3sin 5 t sin 7)聞創沟燴

3、鐺險爱氇谴净。兀3578h111三角波可表示为：f(t) 2 (sin t2 sin 32 sin 5 t2 sin 7，t ：;)兀357111 所以频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ、70KHZ对应幅值比为1:- :- :1的正弦3 5 7111波可合成方波，频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ、70kHZ对应幅值为1:冷:J:J32 527的正弦波可合成三角波。同时，各分量对应的相位关系也由三角函数的形式及前面的符 号所决定。因此，还需要通过移相使各频率的信号相位关系符合方波及三角波的合成要 求，然后将对应幅度不同频率的正弦波形通过加法电路叠加成近似方波和三角波。同时,通过峰值

4、检测电路检测各路正弦信号的幅度，并通过MSP430单片机内置的AD对电压 幅值进行采样及显示。整个系统的原理框图如图1.1所示。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。图1.1系统方框图2、单元电路方案设计、比较与论证:2.1 方波振荡电路方案本系统中的方波振荡电路是后续各级信号产生的基础， 对频率准确度和稳定度的要 求较高。方案一： 555 定时器组成的多谐振荡器，直接调节至 300KHz 左右的对称方波。此 方案成本低廉，实现方便， 但其稳定性受到外部元件的影响，在振荡频率较高时频率 稳定度不够。 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。方案二：使用运算放大器非线性产生，该电路结构简单，性能稳定，主要的限制因 素在于比较器的

5、速度。结合适当的 RC 参数，可以达到 300KHZ 的振荡频率。 彈贸摄尔霁毙 攬砖卤庑。因此。本系统采用方案二，此电路结构简单，产生的方波稳定性较好。2.2 分频电路设计方案方案一：用锁相方法进行分频或倍频产生所需频率。方案二：用数字分频方案， 从较高频率的方波或矩形波中通过分频获得所需频率方波。 本课题采用方案二。2.3 滤波电路设计方案 本系统中需要得到的正弦波均来自于对应方波信号的基频，因此只需使用低通滤波 器，并将截止频率设置为高于基波频率并低于谐波频率即可。 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。直接采用 TI 运放 TL072 及电阻、电容元件组成二阶巴特沃思低通滤波器进行有源 滤波。2.4

6、移相电路设计方案 移相电路对分频滤波后的各路正弦信号进行相位移动， 使它们的相位关系满足信号 合成的需要。方案一：采用无源 RC 移相网络。该方案电路简单，可以实现移相的目的，但是通 过相移网络后信号有衰减，而且在调节相移的同时，信号的幅度也会发生变化，需要在 后级再加入放大器进行补偿，增加了系统的复杂性。 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。方案二：采用有源 RC 移相电路，通过合理的设计，可以实现信号的幅度增益恒定 为 1 ，相位可调的效果。因此，本系统中采用方案二进行移相电路的设计。 茕桢广鳓鯡选块网 羈泪。2.5 信号合成设计方案 方波信号经过分频、滤波后，其输出幅度将有不同程度的衰减，合成前需要将

7、各 成分的信号幅度调整到规定比例，合成为新的合成信号。本课题采用反向比利运算电路 实现幅度调整，采用反向加法运算实现信号合成。 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。二、参数分析及计算1、方波振荡电路方波振荡电路如图2.1所示：图中，R1和 R2用于改变滞回系数，(R3+R4)与C1决定了充 放电的速率，充电周期为 T1,放电周期为T2， 且这里的T仁T2,设总的充放电周期为T,由此 可得：籟丛妈羥为贍债蛏练淨。T仁T2= (R3+R4 )x C1 X Ln ( 1+2R1/R2)T =T1+T2 ; T=2T1 ; T=2 X( R3+R4 )X C1 X Ln (1+2R1/R2 )由于 R1=R2 ;所

8、以 T=2 X( R3+R4 )X C1 X Ln(1+2R1/R2 ) =2.2 X( R3+R4) X C1預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。若所选频率 f=300KHz=300000Hz，并且 C1=1000P，则 T=1/f=1/300000Hz (S) =3.333333 X106 (S);贝U 2.2X( R3+R4 )X C1=3.333333 X 106 ( R3+R4)渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。图2.1方波振荡电路=(3.333333 X 106) / (2.2 X 1000 X 1012) =1500 ( Q ) =1.5 ( K Q )。选择 R4 电位器为 2K Q， 配合330Q的电

9、阻，调节电位器改变振荡频率。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。2、分频电路采用十六进制计数器74LS163配合D触发器CD4013实现分频为上述3个频率的方 波，对于CD4013，所起的作用是将由74LS163分频后非50%占空比调节为50%。设计 电路见图2.2所示：擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。：VCE =说 C ：-5V-J&A 7400N74L&163D1+ML罰閃。74L5163BEJ7A -14)13BD -5V图2.2分频电路U6AB1 -1BL-&L-CPLZPLEd*314Q1SBD 5V3、滤波电路根据前述方案设计，采用运放TL072搭建 二阶巴特沃思有源低通滤波电路，如图2.3 所示。当 R

10、5=R6=R, 3= C2=C 时，其 3dB方波经由三个74LS163分别进行15分频，5分频，3分频，得到20KHZ，60KHZ， 100KHZ方波，再经过4013二分频并整形，最终得到10KHZ，30KHZ，50KHZ的方波。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1截止频率为fc-，其中等效品质因数Q为0.707,算出R7和R8的电阻关系。经2jtRC过该计算公式计算R5, R6的阻值，获得-0KHz、30KHz和50KHz的正弦波。图2.3二阶低通滤波电路 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。R5=R5=1.2K，C1= C2=10nF,得到 10KHZ 正弦波R5=R5=5.6K，3= C2=1 nF,得到 3

11、0KHZ 正弦波R5=R5=3K，C1=C2=1 nF,得到 50KHZ 正弦波4、移相电路移相电路如图2.4所示,改变下 图电位器阻值可以改变相位，实现超 前或滞后。计算公式为：忻arctan(1/2冗fRC),1/wc=R。在实际电路中，以 10KHZ正弦 波为基准，调整 30KH Z,50KHZ 的相位。 计算得：買鯛鴯譖昙膚遙闫撷凄。30KHZ移相电路中 R仁R2= 1.2k ,C1=C2=4.7 nF 50KHZ移相电路中 R仁R2=1K ,C仁C2=3.3nF辚糴。5、信号放大和信号合成电路(1) 方波：由傅立叶级数对方波予以分彳1 11: i 一解可得：各级谐波的系数比为3 5(

12、合成方波时，据题意，10KHZ正弦波 的峰峰值为6V, 30KHZ正弦波的峰峰 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。值为 2V , 50KHZ 正弦波的峰峰值应为 1.2V 图2.5信号放大和合成电路 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。另外，这些谐波要求初相位相同，由式可知，初相位均为零。各自所需幅值可通过调节 三个放大器的放大量获得，初相可通过上一节对相位调节电路的调节来获得。电路如图2.5所示： 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。(2 )三角波：同样由傅立叶级数对方波予以分解可得：前三级各级谐波的系数比为9 25H OpF图2.6峰值检测电路6、峰值检测电路峰值检测电路如图2.6三、测试方案及步骤1、测试步骤(1) 开启电源，

13、检查土 5V和土 12V电源输出，通过导线给各模块供电。(2) 方波振荡电路测试。调节电位器微调输出方波频率，同时使用数字示波器进行实时观 测，直至方波频率调整为 300KHZ.構氽頑黉碩饨荠龈话骛。(3) 分频器测试。将300KHZ的方波信号输入分频器，用示波器观察输出的10KHZ、30KHz 和50KHZ方波的波形和频率。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。(4) 滤波器测试。观察三路滤波器输出正弦波的波形，看有无明显失真及是否能在示波器 上同步显示。(5) 移相测试。使用多通道示波器同时观察各路正弦波，调节移相器，使波形相位关系基本满足叠加要求。放大器测试。调节放大器增益，使正弦波幅度达到题目要求的值

14、。(7)加法器测试。观察叠加后的波形，看是否达到题目要求。若波形有轻微失真，调节移 相器进行微调。8)幅度测量和数字显示测试。观察单片机液晶模块显示的各正弦波幅值数据，并与示 波器观测值相比较。四、测试结果记录1、方波振荡电路方波振荡电路输出波形如图1所示。方波振荡电路测试数据如表4.1所示表4.1频率理论值实际值误差300KHZ300.24KHZ0. 08%打卑钮卜带存閃诙粪311CH2IMpp-ZSEV|Lh4-256Uk*iri!=血 ttlnUjVtopg23SJ口A网i.iflua=L .Z4U|Mn=L .2?UNrits-1 J&BUCrras-i.MU|Fd馬斗養|ROU=L

15、& 铀CH2 和I BjI KHzCHWH4CHlMfi養大伯CH2 2.MUM LB0PSM 口口詡.0日pg图1 方波振荡波形|Q- 3fl&25：HzCH2Z2JBU煌总孑-鴻!1：2山*斗51U, i1 .i 1 N iiVUj li i niiaiT :厂一l 1 9 it 1 1fcHJLfcgPW1 阪SE32UMrain-SaCChUU.wip-2J&U1如2期J.如Ci-iS=3.52UFoi.t=aae%|FPnE=BS5-IlMPOf = ：.3BEapS：-:CH2.二 ZBBUM Q M FmCH4关闭JV期GH1关厨 量丈值图2(a) 分频10khz尧侧閆繭絳闕绚勵

16、蜆贅。打印钮30SZ3KHeC畑2启目MPccCvaOps类塑30I後存Mpp=2埶：1怕门二4战的Mi -aip=L切 ：Lbi-L2drAi i-heasLA&J|VhanLiEU3l=息 0UCrft5=3sMnjFO冃沁:FPWE-lJSWiROU-&00%ppf-a.63%CM2/22*U12-072fl2rf4dl.1. Tl . i .!|. ”. j 尸弓.i? ：ri,. rfrn pj j .L M . . L . .,.JTSteKE91H2hM=2 期|Uax=2U启in=MJWiW |Up=2J&J 紙闻=22fiu：Ubi 2ftbl.lW.i,-,eir-Llk科

17、店3叶=1醐FOWtjFPHE-i.BS%腳 FBB 鹄IW-1.B5%ib-30lB3L3KHECH2= 2JJM 必日理CH2 /224UM AT%12炉SB 12屮1 暮图 2(b) 分频30khz图 2(c) 分频50khz识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。2、分频电路测试波形如图2(a)，( b),(c)所示。测试数据如表4.2所示。表4.2频率理论值频率实际值误差10KHZ10.0078KHZ0.078%30KHZ30.0254KHZ0.085%50KHZ50.0313KHZ0.063%3、滤波电路测试波形如图3(a),(b),(c) 所示图3 ( a)10khz图3 ( b) 30khz图3

18、( c)50khz凍鈹鋨劳臘错痫婦胫籴。4、移相电路略。5、放大电路放大电路测试数据表4.5所示。表4.5峰峰值理论值实际值误差10KHZ6V6.0238V0.4%30KHZ2V2.0043V0.22%50KHZ1.2V1.2013V0. 11%6、合成电路基波和三次谐波合成方波电路波形如图 6(a)所示。加入五次谐波后的方波波形如6(b) 所示。合成三角波波形如图6 (c)所示。 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。合成测试数据如表4.6所示表4.6峰峰值理论值实际值误差基波+三次谐波5V5.44V8.8%基波+三次谐波+五次谐波5V5.02V0.4%图 6 (a )图 6 (b)电眦他I!Hi7iCW:

19、X*#图6 (c)鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。五、测试结果分析测试误差见表4.1,424.5,4.6所示。误差很小，主要来自于滤波电路，电路中采用二阶滤波，滤过后的波形有少许毛刺。另外，布线、排版不够合理也导致了有误差。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。六、设计总结1、 在焊接硬件电路时，模拟电路与数字电路的处理很关键，模拟地与数字地间要连电 感。若模拟电路与数字电路之间共电源，则电源也要处理。阌擻輳嬪諫迁择植秘騖。2、方波振荡电路选择了模拟电路，而与之直接相连的分频电路是数字电路，且共电源，分频电路之后的电路又是模拟电路，处理起来比较繁琐。另外方波振荡电路产生的方波 是双极性的，还需变成单极性的才能输入分频电路。改用555比较方便。氬嚕躑竄贸恳彈濾颔澩。3、在设计过程中，部分电路先采用原理仿真，搭面包板，使得设计更加可靠。4、波形合成的关键是移相电路，确保移相电路的准确度。七、附录附录一、测试用仪器表见表7.1表7.1测试用仪器一览表序号名称规格/型号