信號波形合成實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

1、_設(shè) 計(jì) 報(bào) 告信號波形合成實(shí)驗(yàn)電路 2016-1-17設(shè)計(jì)報(bào)告信號波形合成實(shí)驗(yàn)電路 摘要：利用NE555產(chǎn)生10kHz的基準(zhǔn)方波信號，用CPLD EPM1270對方波信號進(jìn)行分頻，分別產(chǎn)生10KHZ,30KHz,50KHz的方波信號，以及500KHz，1.5MHz的時(shí)鐘信號（用于巴特沃斯低通濾波器的時(shí)鐘信號），并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制及LCD顯示驅(qū)動(dòng)；用TI的TLC04ID四階巴特沃斯低通濾波器對10KHz,30KHz方波進(jìn)行低通濾波，產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波信號，而50KHz的正弦波信號，用二階有源帶通濾波器對50KHz的方波進(jìn)行處理來獲得；采用有源RC網(wǎng)絡(luò)對正弦波進(jìn)行移相，調(diào)整電阻R可實(shí)現(xiàn)對10KHZ

2、，30KHz，50KHz的正弦波信號約101度范圍的移相；采用運(yùn)放求和電路對10KHZ，30KHz，50KHz的正弦波信號進(jìn)行相加，實(shí)現(xiàn)近似方波、三角波的合成。另外，用AD563將正弦交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，用TI的ADC TLC549進(jìn)行電壓幅度檢測，測量誤差在5%以內(nèi)。完成了該題目的基本要求和發(fā)揮部分的全部內(nèi)容。共用TI公司五種IC。關(guān)鍵詞：波形合成 濾波器 移相網(wǎng)絡(luò) 電壓測量一、 系統(tǒng)方案論證根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)制作一個(gè)電路，將產(chǎn)生的頻率為6MHz方波信號，經(jīng)分頻濾波后得到10KHz、30KHz、50KHz頻率的正弦信號，然后將這些信號再合成為近似方波信號和近似三角波信號，并制作數(shù)字顯示電

3、表，檢測并顯示各正弦波信號的幅值。1 方波振蕩器方案比較方案1：555電路產(chǎn)生方波信號方案2：運(yùn)放電路產(chǎn)生方波信號方案3：用門電路及石英晶體產(chǎn)生方波信號。其中，方案1、2所產(chǎn)生的方波信號頻率不高，頻率穩(wěn)定性較差，而方案3產(chǎn)生的方波信號頻率穩(wěn)定度高，也可產(chǎn)生較高頻率（MHz以上）信號，故采用方案3產(chǎn)生方波信號。2 分頻電路方案比較方案1：采用選頻電路提取方波的諧波信號，分別得到基波、三次諧波和五次諧波頻率信號。缺點(diǎn)：對選頻電路的指標(biāo)要求高，電路不易實(shí)現(xiàn)，得到的諧波信號也不穩(wěn)定。方案2：采用CPLD進(jìn)行分頻優(yōu)點(diǎn)：電路實(shí)現(xiàn)簡單，也易于得到各頻率點(diǎn)的方波信號。本設(shè)計(jì)選用方案2。3 濾波電路方案比較方案

4、1：用LC或有源方法，采用低通或帶通方式，將方波的基頻信號提取出來；方案2：采用TI專用芯片TLC04組成四階巴特沃斯低通濾波器實(shí)現(xiàn)。 電路實(shí)現(xiàn)簡單，但該芯片的最高截止頻率只有30KHz，無法實(shí)現(xiàn)50KHz信號的濾波。本設(shè)計(jì)，結(jié)合方案1、方案2，10KHz，30KHz的低通濾波采用TI專用芯片TLC04來實(shí)現(xiàn)，而50KHz的正弦波信號提取卻采用二階有源帶通濾波來實(shí)現(xiàn)。4 移相電路方案比較可采用無源或有源RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行移相。本設(shè)計(jì)采用有源移相方式。理論上，可實(shí)現(xiàn)0180度的相移。另外，可結(jié)合實(shí)際的相移需要，在大相移范圍要求時(shí)，用CPLD實(shí)現(xiàn)，小范圍（0-90度）移相可用有源RC網(wǎng)絡(luò)來調(diào)整。5 電壓

5、檢測及顯示電路方案比較方案1：采用高速A/D進(jìn)行交流電壓檢測，并用LCD顯示；方案2：采用專用電路AD563進(jìn)行交流電壓變換為有效值直流電壓，并用ADC 進(jìn)行電壓檢測，最后LCD或用四位數(shù)碼管進(jìn)行電壓顯示。相比之下，方案1要求ADC的轉(zhuǎn)換速率要求較高，數(shù)據(jù)處理量較大，一般要結(jié)合MCU才能實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)，結(jié)合以上兩方案的優(yōu)點(diǎn)，先用AD563進(jìn)行交流電壓變換為直流電壓，再用TI的ADC TLC549進(jìn)行電壓檢測，并用CPLD完成測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、控制及LCD顯示驅(qū)動(dòng)，由1602 LCD進(jìn)行電壓顯示，得到所測正弦波電壓的峰值。本設(shè)計(jì)的完整電路組成框圖見圖1所示。多路開關(guān)LCD顯示CPLD電壓轉(zhuǎn)換及ADC5

6、00KHz方波放大巴特沃斯移相及幅度調(diào)整10KHz10KHz6VppCPLD分頻方波振蕩電路正弦波10KH z巴特沃斯放大有源加法器移相及幅度調(diào)整30KHz 30KHz2Vpp正弦波30KHz1.5MHz5Vpp方波移相及幅度調(diào)整放大 BPF50KHz 50KHz1.2Vpp正弦波50KHz近似方波合成移相及幅度調(diào)整有源加法器電 源電 路三角波合成移相及幅度調(diào)整移相及幅度調(diào)整+12V220V/50Hz-12V+5V-5V5Vpp三角波LCD顯示CPLD電壓轉(zhuǎn)換及ADC多路開關(guān)+3.3V圖1 信號波形合成實(shí)驗(yàn)電路組成框圖二、 理論分析與計(jì)算1 方波、三角波信號的傅里葉級數(shù)表達(dá)式方波、三角波的傅里

7、葉級數(shù)展開式分別為：方波：U(t)=4Um(sint+13 sin3t+15 sin5t+17 sin7t+)三角波：U(t)=8Um2(sint - 19 sin3t+125 sin5t-)若基波為10KHz，幅度為6Vpp的正弦波信號，則合成近似方波所需的30KHz,50KHz的正弦波信號幅度分別應(yīng)為2Vpp，1.2Vpp；同理，合成近似三角波所需的各信號幅度分別應(yīng)為0.67Vpp，0.24Vpp，且各信號均為同相信號。2 有源二階帶通濾波器參數(shù)分析與計(jì)算常用的巴特沃斯有源濾波器的形式主要有壓控電壓源二階帶通濾波器和無限增益多路負(fù)反饋二階帶通濾波器，其組成原理圖分別如圖2、圖3所示。其中，

8、壓控電壓源二階帶通濾波器的帶寬與 中心頻率點(diǎn)的電壓增益有關(guān)，帶寬越窄，電壓增益越大。如若帶寬為中心頻率的10%，則中心點(diǎn)的電壓增益為29。本設(shè)計(jì)中，帶通濾波器的輸入電壓約1.2Vpp，為防止輸出飽和，放大量不宜過大；再則，壓控電壓源二階帶通濾波器的控干擾能力也不如無限增益多路負(fù)反饋二階帶通濾波器，故本設(shè)計(jì)采用無限增益多路負(fù)反饋二階帶通濾波器。 R4 R5 C R3 ui R1 C A uo ui R1 C uo C R3 R2 R2 圖 2 壓控電壓源二階帶通濾波器 圖3 無限增益多路負(fù)反饋有源二階帶通濾波器在圖3中，電路的傳輸函數(shù)： （1）上式中： 為帶通濾波器的中心角頻率。、分別為帶通濾波

9、器 的高、低截止角頻率。 中心角頻率： （2）通帶中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)： （3） （4）品質(zhì)因數(shù)： （5）設(shè)計(jì)指標(biāo)：Q=7，0=30KHz，取，則R1=55.73K56 K，R3=222.92 K220 K，R2=1.16K1.1K3. 移相電路分析與計(jì)算圖4是移相電路的原理圖。類似于差分放大電路，在f0=12R0Co的頻率點(diǎn)，低于f0的頻率超前相移，高于f0的頻率作滯后相移。若將R0作0的連續(xù)變化，理論上可獲得0°180°的相移效果。在設(shè)計(jì)時(shí)，取f0為10KHz, C=1nF,可求得 R0=15.92K。在實(shí)際電路中，用24K電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體看電路設(shè)計(jì)部分的仿真

10、結(jié)果。 圖4 移相電路原理圖 三、 電路與軟件設(shè)計(jì)1 方波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)石英晶體的選頻特性非常好，可用其與反相器一起產(chǎn)生方波信號。圖5方波產(chǎn)生電路如圖5,反相器為TTL門電路，則R1、R2常選取0.72K； C1和C2用作反相器間的信號耦合；最后一級反相器用作提高輸出驅(qū)動(dòng)能力。2 巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)以TI的TLC04巴特沃斯低通濾波器芯片來實(shí)現(xiàn)。其中，該四階低通濾波輸出截止頻率fout為輸入時(shí)鐘頻率的1/50,且其最大截止頻率為30KHz。為此， 可用其來實(shí)現(xiàn)10KHz,30KHz方波信號提取其基波，從而分別得到10KHz、30KHz 的正弦波信號。 圖6 巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)其中，設(shè)計(jì)的

11、截止頻率分別為10KHz、30KHz，所需的500KHz、1.5MH時(shí)鐘信號由CPLD分頻得到。350KHz 帶通濾波器設(shè)計(jì)圖7 50KHz帶通濾波器電路 圖8 50KHz帶通濾波器仿真結(jié)果根據(jù)前面的參數(shù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)的50KHz帶通濾波器如圖7，圖8是仿真結(jié)果?？煽闯?，較好達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在濾波器輸出端接一級反相放大器，以調(diào)整輸出信號幅度為：對方波合成為：1.2Vpp,對于三角波合成為：0.24Vpp。4 移相電路設(shè)計(jì)表1 移相電路仿真結(jié)果10KHz30KHz50kHzRw=0165.73138.15113.98Rw=24K61.5321.8812.65相差（度）104.2116.27101.

12、33圖9 移相電路從仿真結(jié)果可看出，通過調(diào)整電位器Rw1的電阻，較好地實(shí)現(xiàn)對輸入信號的移相，移相范圍可達(dá) 101度。在調(diào)整Rw1時(shí)，輸出信號幅度略有變化，可通過調(diào)整Rw2來使輸出幅度，達(dá)到合成前的各諧波電壓要求。 設(shè)計(jì)六路移相器，分別對方波、三角波合成時(shí)的三個(gè)正弦波信號的移相。5加法器設(shè)計(jì) 圖10 合成近似方波的求和電路 圖11 合成近似方波電路仿真結(jié)果根據(jù)前述的方波、三角波分解的表達(dá)式，合成方近似方波的電路及其仿真分別如圖10、圖11所示。其中，后級用于調(diào)整輸出信號幅度。同理，合成方近似三角波的電路及其仿真分別如圖12、圖13所示。圖12 合成近似三角波的求和電路圖13 合成近似三角波電路仿

13、真結(jié)果電壓檢測及顯示電路設(shè)計(jì)圖14 電壓檢測及顯示電路框圖如圖14。其中，AD563的測量誤差為0.2%，AD雖為8位，但選取參考電壓為2.5V，只要被測電壓為200mv以上，即可滿足5%的測試精度要求。有效值轉(zhuǎn)化為峰值，由CPLD來完成。電源電路設(shè)計(jì)根據(jù)電路功能要求，需提供±1V、±5V、+3.3V的直流電壓。設(shè)計(jì)的電源電路由變壓、濾波、穩(wěn)壓等部分組成，其中，以LM317、LM337為核心，實(shí)現(xiàn)±1V、±5V的輸出電壓可調(diào)的電源；3.3V采用BB1117芯片來實(shí)現(xiàn)，確保電路的正常穩(wěn)定工作。 電路部分請參看附錄。8CPLD軟件設(shè)計(jì)CPLD部分要完成對6M

14、Hz方波信號的分頻，電壓檢測控制、有效值與峰值的轉(zhuǎn)換及LCD顯示驅(qū)動(dòng)功能。 CPLD組成圖如右。四、 測試結(jié)果及分析1系統(tǒng)測試條件圖15 測試系統(tǒng)框圖系統(tǒng)測試框圖如圖15。所需的測試設(shè)備主要有:DH1718E-5型雙路穩(wěn)壓電源，EE1411：函數(shù)發(fā)生器，ADS7022S：數(shù)字示波器，UT60C ：萬用表 2測試結(jié)果（1）濾波器測試結(jié)果圖16 10KHz LPF測試結(jié)果分別測試了10KHz 巴特沃斯低通濾波器、30KHz 巴特沃斯低通濾波器和50KHz帶通濾波器的頻響特性，測試結(jié)果分別如圖16、圖17、圖18所示。從測試結(jié)果可看出，所設(shè)計(jì)的濾波器性能完全能滿足要求。圖18 50KHz BPF測試

15、結(jié)果圖17 30KHz LPF測試結(jié)果（2）移相電路測試結(jié)果由于示波器只有兩路，無法同時(shí)顯示三個(gè)正弦波信號，只好先調(diào)兩個(gè)信號，然后再交換另一路信號的方法進(jìn)行調(diào)試。如：先測試10KHz和 30KHz的相位。調(diào)整電位器的電阻，使得兩路信號的過零點(diǎn)重合，此時(shí)10KHz信號的一個(gè)周期，應(yīng)剛好含三個(gè)周期的30KHz信號，如圖16。圖19 10KHz和 30KHz信號相位關(guān)系調(diào)試結(jié)果，改變電位器Rw1的電阻，較好地實(shí)現(xiàn)約100度范圍的移相功能。由于三路正弦波信號都經(jīng)過相同的放大等處理電路，相差不是很大，此移相范圍基本能滿足要求。若不夠，可調(diào)整CPLD分頻輸出信號的相位，從而實(shí)現(xiàn)任意角度的移相要求。（3）正

16、弦波電壓測試結(jié)果分別輸入10KHz，30KHz，50KHz的正弦波信號，電壓檢測的測試結(jié)果見表1.表1 電壓檢測結(jié)果Vi(mv)100012501500175020002250250027503000Vo(mv)96612151465178720502299253327823032其中，Vi、Vo分別是輸入電壓的峰值及其測試結(jié)果。從測試結(jié)果可看出，測量誤差均在5%以內(nèi)。為提高測試精度，測試電壓為放大至1v以上（峰值）。（4）近似方波及三角波的合成結(jié)果波形圖19 近似方波合成圖形（10KHz，30KHz，50KHz正弦波） 圖20 近似方波合成圖形（10KHz，30KHz，50KHz正弦波）3

17、結(jié)果及展望從測試結(jié)果可看出，從方波信號濾波得到的正弦波信號無明顯失真；設(shè)計(jì)的移相電路移相范圍寬，可實(shí)現(xiàn)約101度范圍的移相，結(jié)合CPLD數(shù)字分頻時(shí)的移相功能，可方便實(shí)現(xiàn)正弦波信號任意角度的移相。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)近似方波及近似三角波的合成，波形較好。正弦波電壓的檢測誤差在 5%以內(nèi)。完成了課題的基本要求及發(fā)揮部分的全部要求。共使用TI公司集成電路型號有：BB1117，OP07C，TL084，TLC04，TLC549。 由于時(shí)間緊迫，無法制作正規(guī)的PCB板，干擾信號對波形有所影響；電壓檢測目前還未實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，選用AD位數(shù)偏低，造成測試誤差偏大等，有待以后繼續(xù)努力。參考文獻(xiàn)1 胡宴如，耿蘇燕.模

18、擬電子技術(shù)M, 第二版.北京：高等教育出版社,2004.2 楊志忠，衛(wèi)樺林.數(shù)字電子技術(shù)M, 第二版.北京：高等教育出版社,2003.3 蔡錦福.運(yùn)算放大器原理與應(yīng)用M.北京：科學(xué)出版社,2005.4 孫加存.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2008.TLC04OP07CTL084附錄1 作品照片2 部分測試波形6MHz方波3 部分電原理圖（見附錄3）4 CPLD軟件清單5 元器件清單電源模塊DesignatorValueCommentQuantity備注D5BB11171TI公司芯片U2LM337BT1U1LM317BT1U3LM317BT1U4LM317BT1C10103C

19、ap1C11104Cap1C12104Cap1C15104Cap1C17103Cap1C18104Cap1C20104Cap1C22103Cap1C23104Cap1C25104Cap1C5104Cap1C6104Cap1C9103Cap1TTrans CT1DBridge11C13100uFCap Pol11C14100uFCap Pol11C16100uFCap Pol11C19100uFCap Pol11C21100uFCap Pol11C24100uFCap Pol11C2610uFCap Pol11C7100uFCap Pol11C8100uFCap Pol11C13300uFCap

20、 Pol31C23300uFCap Pol31C33300uFCap Pol31C43300uFCap Pol31Rp12.2KRPot1Rp22.2KRPot1R7250K250K1R1120Res Semi1R2120Res Semi1R3120Res Semi1R4360Res Semi1R5120Res Semi1R6360Res Semi1方波產(chǎn)生及分頻電路電路DesignatorValueCommentQuantity備注C1100pFCap1C2100pFCap1R11KRes Semi1R21KRes Semi1U174LS041Y6MHz晶體1BB1117-3.3LDOTI公

21、司AMS1117-2.5LDOEPM1230CPLD濾波電路（低通濾波）DesignatorValueLibRefQuantity備注R15KRes11R210KRes11U1OP07C1TI公司U2OP07C1TI公司U3OP07C1TI公司OP07CTI公司TLC042TI公司OP07C1TI公司濾波電路（帶通濾波）DesignatorValueCommentQuantity備注R110KRes Semi1R2220KRes Semi1R356KRes Semi1R410KRes Semi1R51.1KRes Semi1R65KRes Semi1C1200pFCap1C2200pFCap1

22、U1TL0841TI公司U2OP07C1TI公司U3OP07C1TI公司U4TL0841TI公司U5TL0841TI公司方波合成移相電路DesignatorValueCommentQuantity備注R02KRes SemiR110KRes Semi1R210KRes Semi1R310KRes Semi1R42KRes Semi1R510KRes Semi1R610KRes Semi1R72KRes Semi1R810KRes Semi1R910KRes Semi1R1010KRes Semi1R115KRes Semi1R1210KRes Semi1R1310KRes Semi1R145KRes Semi1R1510KRes Semi1R1610KRes Semi1R175KRes Semi1RW124KRPot1RP124KRPot1C11nFCap1C21nFCap1C31nFCap1U1OP07C1TI公司U2OP07C1TI公司U3OP07C1TI公司U4OP07C1TI公司U5OP07C1TI公司U6OP07C1TI公司三角波合成移相電路DesignatorValueLibRefQua