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文档简介

武汉大学珞珈学院

电子设计竞赛研讨

信号波形合成实验电路武汉大学珞珈学院翟月英2014.12.30题意分析振荡信号产生分频与信号调理移相与信号合成主要内容:信号波形合成实验电路信号波形合成实验电路任务

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.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.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

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)各个谐波的幅值与展开式中的系数一致;(2)各个谐波保证同相。1、方波的傅里叶级数分析将方波进行傅里叶展开:

一、原理分析2、三角波的傅里叶级数分析将三角波信号进行傅里叶展开:

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、原理分析本题可分解为三个主要问题:

产生一个基频(本题目中为10kHz)的振荡信号;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;

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、原理分析波形合成电路系统方案二、振荡信号产生振荡信号产生方式:CPLD或者FPGA产生并且分频振荡电路集成芯片如NE555等三角波和矩形波1、RC积分电路+比较器RC>2T三角波和矩形波1、RC积分电路+比较器ii三角波和矩形波1、RC积分电路+比较器滞回比较器三角波和矩形波1、RC积分电路+比较器555芯片T=tW1+tW2tW1=0.693(R1+R2)CtW2=0.693R2C三角波和矩形波1、RC积分电路+比较器555芯片占空比可调充电放电频率也可调=0,=1,为振荡电路三角波和矩形波1、RC积分电路+比较器2、反馈型多谐振荡器幅度条件:放大倍数=1,相位条件:相位相同注意以上条件可以在多次反馈中满足反馈环节:直接反馈,电容反馈,晶振反馈,选频电路反馈多谐振荡器正弦波振荡(1)普通反相门构成多谐振荡器2、反馈型多谐振荡器反相门的相位关系和幅度关系:相位:反相加时延幅度:74LS04CD4069在输入端和输出端之间接入一个反馈电阻RF,可使反相器工作在转折区。(1)普通反相门构成多谐振荡器2、反馈型多谐振荡器反相门的相位关系:反相加时延环路基本原理:偶数级反相:相移为360°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、反馈型多谐振荡器对称型多谐振荡器tw1=tw2=0.693RC≈0.7RCT≈1.4RC

+↑-↓-↓+↑(1)普通反相门构成多谐振荡器2、反馈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、反馈型多谐振荡器带RC电路的环形振荡器tw1≈0.94RCtw2≈1.26RCT≈2.2RC三级反相加上RC时延(2)石英晶体振荡器2、反馈型多谐振荡器将主要电路集成于芯片中T≈2.2RTCT32768Hz2Hz分频1、触发器分频74LS76/10674LS74/CD4013CPQT’触发器分频1、触发器分频2、常用计数器芯片分频输入输出CP/LD/CREPETQ3~Q0×/↑×0××全0↑01××预置数↑1111计数×110×保持×11×0保持分频1、触发器分频2、常用计数器芯片分频用CO或Qi输出分频信号改变计数值从而改变分频值(1)反馈置数和反馈清零(2)级联改变单个计数器的计数分频值反馈置数反馈置数(0)反馈清零名称适用计数器反馈端接受反馈端预置数状态反馈清零法有同步清零输入输出的SM-1状态同步清零输入无S0~SM-1反馈清零法有直接清零输入输出的SM状态直接清零输入无S0~SM-1反馈置数法有同步预置功能进位端同步置数端N-MSN-M~SN-1反馈置数法有直接预置功能进位端直接置数端N-M-1SN-M-1~SN-2反馈置零法有预置功能输出的SM-1状态同步置数端0S0~SM-1级联组合信号级联(0~59)用使能端级联反馈清零及级联反馈置零及级联级联计数器级联方式适用计数器特点低进位送高计数输入有进位输出低进位送高使能有进位输出和使能端低状态组合送高计数输入无进位输出或不计满就需进位低状态组合送高计数使能同上且有使能端(一)分频1、触发器分频2、常用计数器芯片分频型号功能74LS902/5/10进制异步计数器74LS922/6/12进制异步计数器74LS932/8/16进制异步计数器74LS160(CD40160)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,直接清零74LS162(CD40162)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,同步清零74LS190单时钟8421BCD码同步可逆计数器74LS191单时钟四位二进制同步可逆计数器74LS192(CD40192)双时钟8421BCD码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分频1、触发器分频2、常用计数器芯片分频3、脉冲计数分配器分频4、可编程计数芯片三、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:集成滤波器芯片,如MAX274,MAX297;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

——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

——滤波器设计频率参数

10KHz30KHz50KHzC1(pF)56102C2(uF)0.10.0010.001R1(kΩ)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滤波器参数表格三、信号调理

——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

——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——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络,可实现移相功能:简单元器件移相UO=URUCUi四、移相与信号合成——移相网络简单元器件移相UO=URUCUi实际上:当电容及输入信号频率固定时,容抗XC也是固定的常数。UC:UR=XC:RUC2+XC2=Ui2=常数相位差接近0°时,输出UR很小相位差接近90°时,电阻R的阻值应接近∞一般可选R和XC在同一数量级相位差的变化小于90°R=XC时,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——移相网络(β为相移)

电阻和电容需满足

时,故选择适当的R、C元件参数,就可以极其方便地通过调节电位器电阻比来实现连续移相。理论上,β连续移动范围为-45°~45°。四、移相与信号合成——移相网络

根据理论分析知,T型移相网络可实现。然而电位器Ro对T型移相网络的阻抗有较大的影响,导致T型网络不对称,会减小β的取值范围,所以用射随隔开,如下图所示四、移相与信号合成——移相网络四、移相与信号合成

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