隊(duì)信波形合成方案設(shè)計(jì)書報(bào)告

1、信號(hào)波形合成摘要本電路實(shí)現(xiàn)了基于多個(gè)正弦波合成方波與三角波等非正弦周期信號(hào)的電路。使用TL082電路構(gòu)成基準(zhǔn)的300KHZ的方波振蕩信號(hào)，以74LS163、CD4013實(shí)現(xiàn) 前置分頻形成10KHz、30kHz、50kHz的方波信號(hào)，利用有源低通濾波器獲得其正弦基 波分量，以TL072實(shí)現(xiàn)各個(gè)信號(hào)的放大、衰減和加法功能，同時(shí)使用有源RC移相電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相位調(diào)節(jié)；使用峰值檢測(cè)電路獲得正弦信號(hào)的幅度，以MSP430F5438作為微控制器對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行采樣，并且采用點(diǎn)陣液晶實(shí)時(shí)顯示測(cè)量信號(hào)的幅度值。關(guān)鍵詞：方波振蕩方波分頻及濾波移相信號(hào)合成峰值檢測(cè)MSP430F5438矚慫潤(rùn) 厲釤瘞睞櫪廡賴。一、方

2、案論證1、系統(tǒng)分析和整體設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求，通過(guò)方波振蕩電路產(chǎn)生方波信號(hào)，經(jīng)分頻后得到各路需要的信號(hào)， 因此方波振蕩電路產(chǎn)生的信號(hào)頻率應(yīng)為各路信號(hào)頻率的公倍數(shù)。由于需要的信號(hào)頻率為10KHz，30KHZ和50KHz，其最小公倍數(shù)為 150KHz，若使用偶數(shù)分頻，則應(yīng)產(chǎn)生 f=300KHZ的方波，分別經(jīng)過(guò)6分頻、10分頻和30分頻得到10KHz、30KHz、50KHz的 方波，然后經(jīng)過(guò)濾波器得到相應(yīng)的正弦信號(hào)；用放大電路彌補(bǔ)分頻濾波過(guò)程中的衰減， 并將幅度調(diào)節(jié)至合成所需的比例關(guān)系。由傅里葉變換可以證明方波可表示為：4h111一f (t) (sin -tsin 3sin 5 t sin 7)聞創(chuàng)溝燴

3、鐺險(xiǎn)愛(ài)氌譴凈。兀3578h111三角波可表示為：f(t) 2 (sin t2 sin 32 sin 5 t2 sin 7，t ：;)兀357111 所以頻率為10KHZ、30KHZ、50KHZ、70KHZ對(duì)應(yīng)幅值比為1:- :- :1的正弦3 5 7111波可合成方波，頻率為10KHZ、30KHZ、50KHZ、70kHZ對(duì)應(yīng)幅值為1:冷:J:J32 527的正弦波可合成三角波。同時(shí)，各分量對(duì)應(yīng)的相位關(guān)系也由三角函數(shù)的形式及前面的符 號(hào)所決定。因此，還需要通過(guò)移相使各頻率的信號(hào)相位關(guān)系符合方波及三角波的合成要 求，然后將對(duì)應(yīng)幅度不同頻率的正弦波形通過(guò)加法電路疊加成近似方波和三角波。同時(shí),通過(guò)峰值

4、檢測(cè)電路檢測(cè)各路正弦信號(hào)的幅度，并通過(guò)MSP430單片機(jī)內(nèi)置的AD對(duì)電壓 幅值進(jìn)行采樣及顯示。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖1.1所示。殘騖樓諍錈瀨濟(jì)溆塹籟。圖1.1系統(tǒng)方框圖2、單元電路方案設(shè)計(jì)、比較與論證:2.1 方波振蕩電路方案本系統(tǒng)中的方波振蕩電路是后續(xù)各級(jí)信號(hào)產(chǎn)生的基礎(chǔ)， 對(duì)頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的要 求較高。方案一： 555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器，直接調(diào)節(jié)至 300KHz 左右的對(duì)稱方波。此 方案成本低廉，實(shí)現(xiàn)方便， 但其穩(wěn)定性受到外部元件的影響，在振蕩頻率較高時(shí)頻率 穩(wěn)定度不夠。 釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。方案二：使用運(yùn)算放大器非線性產(chǎn)生，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，主要的限制因 素在于比較器的

5、速度。結(jié)合適當(dāng)?shù)?RC 參數(shù)，可以達(dá)到 300KHZ 的振蕩頻率。 彈貿(mào)攝爾霽斃 攬磚鹵廡。因此。本系統(tǒng)采用方案二，此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的方波穩(wěn)定性較好。2.2 分頻電路設(shè)計(jì)方案方案一：用鎖相方法進(jìn)行分頻或倍頻產(chǎn)生所需頻率。方案二：用數(shù)字分頻方案， 從較高頻率的方波或矩形波中通過(guò)分頻獲得所需頻率方波。 本課題采用方案二。2.3 濾波電路設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)中需要得到的正弦波均來(lái)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。 謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。直接采用 TI 運(yùn)放 TL072 及電阻、電容元件組成二階巴特沃思低通濾波器進(jìn)行有源 濾波。2.4

6、移相電路設(shè)計(jì)方案 移相電路對(duì)分頻濾波后的各路正弦信號(hào)進(jìn)行相位移動(dòng)， 使它們的相位關(guān)系滿足信號(hào) 合成的需要。方案一：采用無(wú)源 RC 移相網(wǎng)絡(luò)。該方案電路簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)移相的目的，但是通 過(guò)相移網(wǎng)絡(luò)后信號(hào)有衰減，而且在調(diào)節(jié)相移的同時(shí)，信號(hào)的幅度也會(huì)發(fā)生變化，需要在 后級(jí)再加入放大器進(jìn)行補(bǔ)償，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。 廈礴懇蹣駢時(shí)盡繼價(jià)騷。方案二：采用有源 RC 移相電路，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的幅度增益恒定 為 1 ，相位可調(diào)的效果。因此，本系統(tǒng)中采用方案二進(jìn)行移相電路的設(shè)計(jì)。 煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng) 羈淚。2.5 信號(hào)合成設(shè)計(jì)方案 方波信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻、濾波后，其輸出幅度將有不同程度的衰減，合成前需要將

7、各 成分的信號(hào)幅度調(diào)整到規(guī)定比例，合成為新的合成信號(hào)。本課題采用反向比利運(yùn)算電路 實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)整，采用反向加法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成。 鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。二、參數(shù)分析及計(jì)算1、方波振蕩電路方波振蕩電路如圖2.1所示：圖中，R1和 R2用于改變滯回系數(shù)，(R3+R4)與C1決定了充 放電的速率，充電周期為 T1,放電周期為T2， 且這里的T仁T2,設(shè)總的充放電周期為T,由此 可得：籟叢媽羥為贍債蟶練淨(jìng)。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(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。若所選頻率 f=300KHz=300000Hz，并且 C1=1000P，則 T=1/f=1/300000Hz (S) =3.333333 X106 (S);貝U 2.2X( R3+R4 )X C1=3.333333 X 106 ( R3+R4)滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。圖2.1方波振蕩電路=(3.333333 X 106) / (2.2 X 1000 X 1012) =1500 ( Q ) =1.5 ( K Q )。選擇 R4 電位器為 2K Q， 配合330Q的電

9、阻，調(diào)節(jié)電位器改變振蕩頻率。鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。2、分頻電路采用十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS163配合D觸發(fā)器CD4013實(shí)現(xiàn)分頻為上述3個(gè)頻率的方 波，對(duì)于CD4013，所起的作用是將由74LS163分頻后非50%占空比調(diào)節(jié)為50%。設(shè)計(jì) 電路見(jiàn)圖2.2所示：擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。：VCE =說(shuō) C ：-5V-J&A 7400N74L&163D1+ML罰閃。74L5163BEJ7A -14)13BD -5V圖2.2分頻電路U6AB1 -1BL-&L-CPLZPLEd*314Q1SBD 5V3、濾波電路根據(jù)前述方案設(shè)計(jì)，采用運(yùn)放TL072搭建 二階巴特沃思有源低通濾波電路，如圖2.3 所示。當(dāng) R

10、5=R6=R, 3= C2=C 時(shí)，其 3dB方波經(jīng)由三個(gè)74LS163分別進(jìn)行15分頻，5分頻，3分頻，得到20KHZ，60KHZ， 100KHZ方波，再經(jīng)過(guò)4013二分頻并整形，最終得到10KHZ，30KHZ，50KHZ的方波。 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。1截止頻率為fc-，其中等效品質(zhì)因數(shù)Q為0.707,算出R7和R8的電阻關(guān)系。經(jīng)2jtRC過(guò)該計(jì)算公式計(jì)算R5, R6的阻值，獲得-0KHz、30KHz和50KHz的正弦波。圖2.3二階低通濾波電路 蠟變黲癟報(bào)倀鉉錨鈰贅。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、移相電路移相電路如圖2.4所示,改變下 圖電位器阻值可以改變相位，實(shí)現(xiàn)超 前或滯后。計(jì)算公式為：忻arctan(1/2冗fRC),1/wc=R。在實(shí)際電路中，以 10KHZ正弦 波為基準(zhǔn)，調(diào)整 30KH Z,50KHZ 的相位。 計(jì)算得：買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。30KHZ移相電路中 R仁R2= 1.2k ,C1=C2=4.7 nF 50KHZ移相電路中 R仁R2=1K ,C仁C2=3.3nF轔糴。5、信號(hào)放大和信號(hào)合成電路(1) 方波：由傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)方波予以分彳1 11: i 一解可得：各級(jí)諧波的系數(shù)比為3 5(

12、合成方波時(shí)，據(jù)題意，10KHZ正弦波 的峰峰值為6V, 30KHZ正弦波的峰峰 驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。值為 2V , 50KHZ 正弦波的峰峰值應(yīng)為 1.2V 圖2.5信號(hào)放大和合成電路 貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。另外，這些諧波要求初相位相同，由式可知，初相位均為零。各自所需幅值可通過(guò)調(diào)節(jié) 三個(gè)放大器的放大量獲得，初相可通過(guò)上一節(jié)對(duì)相位調(diào)節(jié)電路的調(diào)節(jié)來(lái)獲得。電路如圖2.5所示： 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。(2 )三角波：同樣由傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)方波予以分解可得：前三級(jí)各級(jí)諧波的系數(shù)比為9 25H OpF圖2.6峰值檢測(cè)電路6、峰值檢測(cè)電路峰值檢測(cè)電路如圖2.6三、測(cè)試方案及步驟1、測(cè)試步驟(1) 開(kāi)啟電源，

13、檢查土 5V和土 12V電源輸出，通過(guò)導(dǎo)線給各模塊供電。(2) 方波振蕩電路測(cè)試。調(diào)節(jié)電位器微調(diào)輸出方波頻率，同時(shí)使用數(shù)字示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)觀 測(cè)，直至方波頻率調(diào)整為 300KHZ.構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。(3) 分頻器測(cè)試。將300KHZ的方波信號(hào)輸入分頻器，用示波器觀察輸出的10KHZ、30KHz 和50KHZ方波的波形和頻率。輒嶧陽(yáng)檉籪癤網(wǎng)儂號(hào)澩。(4) 濾波器測(cè)試。觀察三路濾波器輸出正弦波的波形，看有無(wú)明顯失真及是否能在示波器 上同步顯示。(5) 移相測(cè)試。使用多通道示波器同時(shí)觀察各路正弦波，調(diào)節(jié)移相器，使波形相位關(guān)系基本滿足疊加要求。放大器測(cè)試。調(diào)節(jié)放大器增益，使正弦波幅度達(dá)到題目要求的值

14、。(7)加法器測(cè)試。觀察疊加后的波形，看是否達(dá)到題目要求。若波形有輕微失真，調(diào)節(jié)移 相器進(jìn)行微調(diào)。8)幅度測(cè)量和數(shù)字顯示測(cè)試。觀察單片機(jī)液晶模塊顯示的各正弦波幅值數(shù)據(jù)，并與示 波器觀測(cè)值相比較。四、測(cè)試結(jié)果記錄1、方波振蕩電路方波振蕩電路輸出波形如圖1所示。方波振蕩電路測(cè)試數(shù)據(jù)如表4.1所示表4.1頻率理論值實(shí)際值誤差300KHZ300.24KHZ0. 08%打卑鈕卜帶存閃詼糞311CH2IMpp-ZSEV|Lh4-256Uk*iri!=血 ttlnUjVtopg23SJ口A網(wǎng)i.iflua=L .Z4U|Mn=L .2?UNrits-1 J&BUCrras-i.MU|Fd馬斗養(yǎng)|ROU=L

15、& 鈾C(jī)H2 和I BjI KHzCHWH4CHlMfi養(yǎng)大伯CH2 2.MUM LB0PSM 口口詡.0日pg圖1 方波振蕩波形|Q- 3fl&25：HzCH2Z2JBU煌總孑-鴻!1：2山*斗51U, i1 .i 1 N iiVUj li i niiaiT :廠一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關(guān)閉JV期GH1關(guān)廚 量丈值圖2(a) 分頻10khz堯側(cè)閆繭絳闕絢勵(lì)

16、蜆贅。打印鈕30SZ3KHeC畑2啟目MPccCvaOps類塑30I後存Mpp=2埶：1怕門二4戰(zhàn)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啟in=MJWiW |Up=2J&J 紙聞=22fiu：Ubi 2ftbl.lW.i,-,eir-Llk科

17、店3葉=1醐FOWtjFPHE-i.BS%腳 FBB 鵠IW-1.B5%ib-30lB3L3KHECH2= 2JJM 必日理CH2 /224UM AT%12爐SB 12屮1 暮圖 2(b) 分頻30khz圖 2(c) 分頻50khz識(shí)饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。2、分頻電路測(cè)試波形如圖2(a)，( b),(c)所示。測(cè)試數(shù)據(jù)如表4.2所示。表4.2頻率理論值頻率實(shí)際值誤差10KHZ10.0078KHZ0.078%30KHZ30.0254KHZ0.085%50KHZ50.0313KHZ0.063%3、濾波電路測(cè)試波形如圖3(a),(b),(c) 所示圖3 ( a)10khz圖3 ( b) 30khz圖3

18、( c)50khz凍鈹鋨勞臘錯(cuò)癇婦脛糴。4、移相電路略。5、放大電路放大電路測(cè)試數(shù)據(jù)表4.5所示。表4.5峰峰值理論值實(shí)際值誤差10KHZ6V6.0238V0.4%30KHZ2V2.0043V0.22%50KHZ1.2V1.2013V0. 11%6、合成電路基波和三次諧波合成方波電路波形如圖 6(a)所示。加入五次諧波后的方波波形如6(b) 所示。合成三角波波形如圖6 (c)所示。 恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。合成測(cè)試數(shù)據(jù)如表4.6所示表4.6峰峰值理論值實(shí)際值誤差基波+三次諧波5V5.44V8.8%基波+三次諧波+五次諧波5V5.02V0.4%圖 6 (a )圖 6 (b)電眥他I!Hi7iCW:

19、X*#圖6 (c)鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫(kù)。五、測(cè)試結(jié)果分析測(cè)試誤差見(jiàn)表4.1,424.5,4.6所示。誤差很小，主要來(lái)自于濾波電路，電路中采用二階濾波，濾過(guò)后的波形有少許毛刺。另外，布線、排版不夠合理也導(dǎo)致了有誤差。碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。六、設(shè)計(jì)總結(jié)1、 在焊接硬件電路時(shí)，模擬電路與數(shù)字電路的處理很關(guān)鍵，模擬地與數(shù)字地間要連電 感。若模擬電路與數(shù)字電路之間共電源，則電源也要處理。閿擻輳嬪諫遷擇植秘騖。2、方波振蕩電路選擇了模擬電路，而與之直接相連的分頻電路是數(shù)字電路，且共電源，分頻電路之后的電路又是模擬電路，處理起來(lái)比較繁瑣。另外方波振蕩電路產(chǎn)生的方波 是雙極性的，還需變成單極性的才能輸入分頻電路。改用555比較方便。氬嚕躑竄貿(mào)懇彈濾頷澩。3、在設(shè)計(jì)過(guò)程中，部分電路先采用原理仿真，搭面包板，使得設(shè)計(jì)更加可靠。4、波形合成的關(guān)鍵是移相電路，確保移相電路的準(zhǔn)確度。七、附錄附錄一、測(cè)試用儀器表見(jiàn)表7.1表7.1測(cè)試用儀器一覽表序號(hào)名稱規(guī)格/型號(hào)