信號(hào)波形合成

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題：信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn) 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 目錄一、課程設(shè)計(jì)目的1二、課程設(shè)計(jì)題目描述和要求11基本要求12發(fā)揮部分2三、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)21、方案設(shè)計(jì)21.1方波振蕩部分21.2分頻部分21.3濾波部分21.4移相、放大部分31.5波形合成部分32、硬件實(shí)現(xiàn)32.1方波振蕩器32.2分頻器42.3濾波器52.4移向、放大器52.5波形合成器6四、系統(tǒng)調(diào)試過程中出現(xiàn)的主要問題7五、系統(tǒng)運(yùn)行報(bào)告與結(jié)論7六、總結(jié)9七、參考書目9八、附錄10信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)一、課程設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)制作一個(gè)電路，能夠產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)，并將這些信號(hào)再合成為近似方波和其他信

2、號(hào)。電路示意圖如圖1所示： 圖1 電路示意圖二、課程設(shè)計(jì)題目描述和要求1基本要求（1）方波振蕩器的信號(hào)經(jīng)分頻與濾波處理，同時(shí)產(chǎn)生頻率為10kHz和30kHz的正弦波信號(hào)，這兩種信號(hào)應(yīng)具有確定的相位關(guān)系；（2）產(chǎn)生的信號(hào)波形無明顯失真，幅度峰峰值分別為6V和2V；（3）制作一個(gè)由移相器和加法器構(gòu)成的信號(hào)合成電路，將產(chǎn)生的10kHz和30kHz正弦波信號(hào)，作為基波和3次諧波，合成一個(gè)近似方波，波形幅度為5V，合成波形的形狀如圖2所示。圖2 利用基波和3次諧波合成的近似方波2發(fā)揮部分（1）再產(chǎn)生50kHz的正弦信號(hào)作為5次諧波，參與信號(hào)合成，使合成的波形更接近于方波；（2）根據(jù)三角波諧波的組成關(guān)系，

3、設(shè)計(jì)一個(gè)新的信號(hào)合成電路，將產(chǎn)生的10kHz、30kHz等各個(gè)正弦信號(hào)，合成一個(gè)近似的三角波形；（3）其他。三、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)1、方案設(shè)計(jì)1.1方波振蕩部分 方波振蕩電路采用555定時(shí)器組成多諧振蕩器，調(diào)節(jié)至300kHz左右方波，由于之后的分頻電路具有調(diào)節(jié)占空比功能，所以方波產(chǎn)生電路暫時(shí)不需要調(diào)節(jié)占空比。1.2分頻部分分頻部分實(shí)現(xiàn)將產(chǎn)生的方波通過分頻產(chǎn)生10kHz、30kHz和50kHz的新的方波。根據(jù)題意要求，上述方波發(fā)生器為300kHz。300kHz頻率6分頻得到50kHz，10分頻得到30kHz，30分頻得到10kHz，這樣就可以產(chǎn)生10kHz、30kHz和50 kHz的新的方波。采用十

4、六進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161配合D觸發(fā)器74LS74實(shí)現(xiàn)分頻為上述3個(gè)頻率的方波。1.3濾波部分本實(shí)驗(yàn)中需要得到的正弦波均來自于對(duì)應(yīng)方波信號(hào)的基頻，因此只需使用低通濾波器，并將截止頻率設(shè)置為高于基波頻率并低于諧波頻率即可。所以本次實(shí)驗(yàn)采用運(yùn)算放大器op37與電容電阻組成二階巴特沃斯有源低通濾波器。1.4移相、放大部分 本實(shí)驗(yàn)的方波和三角波由濾波后的正弦波合成，由傅里葉變換可知方波可表示為 三角波可表示為： 所以頻率為10kHz、30kHz、50kHz、70kHz對(duì)應(yīng)幅值為的正弦波可合成方波，頻率為10kHz、30kHz、50kHz、70kHz對(duì)應(yīng)幅值為的正弦波可合成三角波。同時(shí)，各分量對(duì)應(yīng)的相位

5、關(guān)系也由三角函數(shù)的形式及前面的符號(hào)所決定。所以本次實(shí)驗(yàn)采用運(yùn)算放大器op37與電容電阻組成滯后積分移相電路和反向放大電路。滯后積分移相電路可實(shí)現(xiàn)滯后二分之一個(gè)周期的移相。反向放大電路可實(shí)現(xiàn)從0-2的增益可變的幅值放大。1.5波形合成部分波形求和部分采用二階求和、差運(yùn)算電路將移相、放大后的正弦波合成近似方波和三角波。由運(yùn)算放大器op37與電阻組成二階求和、差運(yùn)算電路。2、硬件實(shí)現(xiàn)2.1方波振蕩器如圖3，方波發(fā)生電路采用NE555，參數(shù)（R1+2R2）與C1決定了充放電的速率，設(shè)總的充放電周期為T，由此可得：T=0.6993×（R1+2R2）×C1選擇R1電位器為20K（203

6、電位器），配合15K的電阻,100p電容（101瓷片電容）調(diào)節(jié)電位器改變振蕩頻率，直到頻率達(dá)到300kHz。 圖3 555定時(shí)器組成300kHz方波發(fā)生器2.2分頻器 如圖4，分頻器電路由可同步預(yù)置的計(jì)數(shù)器74LS161、D觸發(fā)器74LS74及非門74LS04組成。以生成50kHz的方波為例，將300KHz的原始方波作為時(shí)鐘信號(hào)送入計(jì)數(shù)器74LS161的CP端，使其開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到2時(shí)，通過邏輯門使并行置數(shù)端有效，從而在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)將計(jì)數(shù)值置為0，以此實(shí)現(xiàn)3個(gè)狀態(tài)的循環(huán)，同時(shí)，每次計(jì)數(shù)值滿的信號(hào)還被送入D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)二分頻并同時(shí)調(diào)節(jié)占空比為50%，從而實(shí)現(xiàn)3×2=6分頻，

7、且輸出的波形為對(duì)稱方波。以此類推，還可實(shí)現(xiàn)30KHZ、10KHZ的分頻。 圖4 六分頻電路2.3濾波器根據(jù)前述方案設(shè)計(jì)，采用運(yùn)放op37搭建二階巴特沃思有源低通濾波電路，如圖5所示。由圖可見，它是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。當(dāng)R1=R2=5k，C1=C2=1nF（102瓷片電容）時(shí)，其3dB截止頻率為=31.85k?？梢詫?0k的方波濾為正弦波。同理50k，10k的方波只需將電阻阻值作相應(yīng)改變即可濾為正弦波。 圖5 30kHz二階低通濾波2.4移向、放大器 接于電路中的電容和電感均有移相功能,電容的端電壓落后于電流90度,電感的端電壓超前于電流90

8、度,這就是電容電感移相的結(jié)果;   先說電容移相,電容一通電,電路就給電容充電,一開始瞬間充電的電流為最大值,電壓趨于0,隨著電容充電量增加,電流漸而變小,電壓漸而增加,至電容充電結(jié)束時(shí),電容充電電流趨于0,電容端電壓為電路的最大值,這樣就完成了一個(gè)充電周期,如果取電容的端電壓作為輸出,即可得到一個(gè)滯后于電流90度的移相電壓.如圖6，本實(shí)驗(yàn)通過RC移相電路連接反相放大電路實(shí)現(xiàn)移相放大功能。其中R1為控制相位的20k電位器（203電位器），R3為控制幅值的20k電位器（203電位器）。R2為10k電阻，C1為10nF電容（103瓷片電容）。注：本次實(shí)驗(yàn)為分別調(diào)節(jié)相位

9、及幅值精確，在此積分移相電路后又接入一級(jí)反相比例放大器。 圖6 積分移向放大電路2.5波形合成器由上述傅里葉展開式可知經(jīng)調(diào)節(jié)后的正弦波接入求和運(yùn)算電路即可獲得近似方波，具體電路如圖7。經(jīng)調(diào)節(jié)后的10kHz，50kHz正弦波接入同相求和運(yùn)算電路，再將得到的近似三角波與30kHz正弦波接入減法運(yùn)算電路即可獲得近似三角波，具體電路如圖8. 圖7 近似方波合成電路 圖8 近似三角波合成電路四、系統(tǒng)調(diào)試過程中出現(xiàn)的主要問題該系統(tǒng)同時(shí)具有模擬和數(shù)字部分，硬件設(shè)計(jì)上需要應(yīng)用抗干擾技術(shù)。防止數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)耦合造成干擾由于系統(tǒng)為數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)相互聯(lián)系的混合系統(tǒng)，采+-63用如下方法解決數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)

10、的耦合問題：數(shù)字信號(hào)盡可能遠(yuǎn)離模擬信號(hào)（本實(shí)驗(yàn)的數(shù)字與模擬電路分別在兩塊電路板上焊接，再通過導(dǎo)線連接）；在數(shù)字地和模擬地之間接磁珠防止兩地線之間串?dāng)_。防止電源的干擾由于數(shù)字電路在電源電路會(huì)產(chǎn)生峰值很大的尖峰電流，必須對(duì)其采取必要的抗干擾措施：在放大器芯片的電源輸入處采用一個(gè)0.1uF 的瓷片電容和一個(gè)10uF的電解電容并聯(lián)，作為旁路電容濾除紋波，有效地抑制了來自電源線的干擾影響；電容連線靠近電源端并盡量粗短。五、系統(tǒng)運(yùn)行報(bào)告與結(jié)論圖9為三個(gè)正弦波經(jīng)加法電路后合成的近似方波，波形與題目要求基本相符合。波峰和波谷處出現(xiàn)少許尖峰，應(yīng)該為原件老化和芯片間抗干擾處理做的不夠徹底所致，該誤差在實(shí)驗(yàn)允許誤差

11、范圍內(nèi)。圖10為三個(gè)正弦波經(jīng)加、減法電路后合成的近似三角波，波形與題目要求基本符合。誤差方式與近似方波合成電路相同。 圖9 近似方波 圖10 近似三角波六、總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)為模電，數(shù)電結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。在為期一年的模電和數(shù)電學(xué)習(xí)后第一次進(jìn)行二者結(jié)合的實(shí)驗(yàn)，并且第一次親身體驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)，焊接，測(cè)試，完善的具體過程。通過本次實(shí)驗(yàn)對(duì)于模電和數(shù)電有了更深刻，更直觀的理解。在實(shí)驗(yàn)過程中，組員間的相互合作，討論更增強(qiáng)了我們面對(duì)以后項(xiàng)目的信心。在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)以及組員的合作下，我們非常圓滿的完成了本次實(shí)驗(yàn)。通過本次實(shí)驗(yàn)，我們也發(fā)現(xiàn)了自己的不足，對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)掌握的不扎實(shí)，導(dǎo)致我們做每個(gè)模塊都要查找相關(guān)資料，對(duì)于電路板的焊接操作不熟練經(jīng)常導(dǎo)致了不必要的誤差和錯(cuò)誤產(chǎn)生，這些都大大的影響了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度，希望在以后的實(shí)驗(yàn)中能改正這些缺點(diǎn)。七、參考書目1童詩白，華成英.模擬電