信號波形合成2010

1、2010年全國大學(xué)生電子設(shè)計與創(chuàng)新大賽信號波形合成實驗電路（C題）參賽學(xué)校:院系:專業(yè)班級:參賽隊員:武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院信息工程系電信07級賽前指導(dǎo)教師:2010基于電路設(shè)計的要求，信號波形合成器的電路主要由方波振蕩電路、分頻和濾波電路、移相電路、加法器電路模塊等電路模塊組成。本次信號波形合成器是基于傅里葉變換的原理設(shè)計的，選擇了MAX038集成函數(shù)信號發(fā)生器，實現(xiàn)基準(zhǔn)信號的產(chǎn)生，電路結(jié)構(gòu)簡單，效率快、精度高；采用TI公司的MSP430F14彈片機的定時計數(shù)器完成分頻功能，搭建有源RC移相電路實現(xiàn)移相功能，最后利用運算加法器完成信號的合成。該系統(tǒng)電路簡單，目的明確，具有很好的實用性。關(guān)鍵詞：

2、方波振蕩電路MSP430F149移相電路加法器電路Abstract:Basedonthecircuitdesignrequirements,signalwaveformsynthesisofcircuitconsistsmainlyofpulseoscillatorcircuit,frequencyandphasefiltercircuits,circuitandaddercircuitsmodulecircuitsignalwaveformsynthesisisbasedonFouriertransformprincipleofdesign,choseMAX038integratedfunc

3、tionsignalgenerator,realizethebenchmarksignals,suchassimplestructure,highprecisionandefficiency,ThecompanyadoptstheMSP430F149TIsingle-chipfunctioncompletetimingcounterfrequency,phaseshiftingactiveRCcircuitimplementationphasefunction,andfinallythecomputationaladdercompletesynthesisofsignal.Thesimplec

4、ircuitsystem,purpose,haveverygoodpracticability.信號波形合成（C題）【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由方波振蕩模塊、分頻模塊、移相電路模塊、加法器模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。方波振蕩模塊的論證與選擇方案一：采用直接數(shù)字頻率合成器（DDS。直接數(shù)字頻率合成器（DDS能夠用單片機進行控制，實現(xiàn)簡單，可以產(chǎn)生頻率相對穩(wěn)定的正弦波和方波，符合本題要求。方案二：采用集成函數(shù)信號發(fā)生器（MAX038函數(shù)信號發(fā)生器（MAX038能精密的產(chǎn)生三角波、鋸齒波、矩形波、正弦波。頻率范圍從20MHZW調(diào)，各種波形的輸出幅度均為2V（P-P）。如果用精密的電阻

5、，則可以得到穩(wěn)定頻率的信號，而且調(diào)節(jié)精度很高。其波形失真很小，正弦波失真度小于%占空比調(diào)節(jié)時非線性度低于2%其也滿足題目要求。方案三：用NE555a成的方波信號發(fā)生器一般使用NE555來制作非穩(wěn)態(tài)多諧震蕩器，而且在低頻中較為常見，但由于充放電的時間不一致，所以并不能產(chǎn)生周期比相同的方波輸出。在題目論證時，考慮到后級分頻及其他要求，需要前級產(chǎn)生一個頻率可調(diào)且穩(wěn)定的方波信號。由NE555構(gòu)成的振蕩電路，輸出頻率調(diào)節(jié)較為麻煩，且不易于控制。方案四：使用MSP430F14定時模塊輸出所需要的方波MSP430F14彈片機自帶兩個定時器，定時器A的PWMI式產(chǎn)生所需要的方波信號。然而，實際上的輸出結(jié)果與理

6、論計算結(jié)果相距較大。比較難以實現(xiàn)我們所需要的方波信號。綜合上述方案，考慮到電路前后級兼容性及題目要求，所以我們選用方案二分頻模塊的論證與選擇方案一：采用MSP430F14的定時計數(shù)器。MSP430F14具有兩個定時計數(shù)器A和B。其中定日t計數(shù)器A包含了三個輸出比較單元，定時器B包含7個輸出比較單元。按理說完全可以滿足多路的分頻要求，但是分頻出來信號的占空比必須為50%才能傳給后級轉(zhuǎn)變?yōu)檎也āＫ杂脝纹瑱C分頻最多只能分兩路信號出來，這樣只能做到基本要求的兩路信號合成。如果想做到3路信號合成就得用2個單片機了。還有，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，用單片機分頻產(chǎn)生的兩路信號（10KH有D30KHZ用示波器的兩個探

7、頭同時觀察波形，波形不能達到穩(wěn)定。方案二：采用可預(yù)置的4位二進制同步計數(shù)器74LS161搭建數(shù)字電路分頻。74LS161是可編程的4位二進制同步計數(shù)器。它具有同步并行置數(shù)的工作方式，該方式將數(shù)據(jù)輸入端全部接地（所置數(shù)為零），然后利用其同步置數(shù)功能及附加門電路構(gòu)成模數(shù)小于16的任一進制計算器。雖然其分頻出來波形的占空比也不是50%但是經(jīng)過實驗，在其后再加一級74LS74構(gòu)成的2分頻電路即可以得出占空比50%勺方波，且用示波器觀察分頻出的兩路信號（10KH有口30KHZ,波形相當(dāng)穩(wěn)定。綜合以上兩種方案，選擇方案二。移相電路的論證與選擇方案一：采用無源RC移相電路。一級無源RC移相網(wǎng)絡(luò)就相當(dāng)于一個無

8、源RC高通濾波器，能夠產(chǎn)生0900的相移。4級的話就可以產(chǎn)生0360°的相移?？梢詽M足相位的調(diào)節(jié)。但是無源RC相電路并不是很可靠，并且4級RC相網(wǎng)絡(luò)電路比較復(fù)雜，故不采用此方案。方案二：采用有源RC移相電路。利用高精度運算放大器OP3福建的有源RC移相電路，只要一級移相網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)0180°范圍內(nèi)相位的連續(xù)變化，并且其精度與穩(wěn)定度都相當(dāng)高。實現(xiàn)電路簡單，性能優(yōu)異，故采用此方案。加法器電路的論證與選擇加法器電路結(jié)構(gòu)簡單，只要選用由TI公司生產(chǎn)的NE5532運算放大器構(gòu)成的反相輸入加法電路即可以滿足要求，故采用此方案。2系統(tǒng)理論分析與計算方波產(chǎn)生電路的分析與計算函數(shù)信號發(fā)生器

9、MAX038I由電阻和電容振蕩產(chǎn)生可調(diào)頻率和占空比的方波。當(dāng)VFADJ=0V寸，其頻率為：f=Iin(uA)/CF(pF)。使用電壓源和電阻串聯(lián)的振蕩器，其頻率計算公式可等效為：f=Vin/Rin*CF(pF)。Vin取，則f=Rin*CF(pF)。其中，20pFCOsc100uF?？紤]到下級電路分頻需要，需要方波頻率在10KHz!ij2MH河調(diào)。因此,電容使用短路帽分別取100pF,470pF,1000pF;電阻接入滑動變阻器阻值為100KQ,阻值連續(xù)可調(diào)。這樣可以產(chǎn)生頻率在10KHz到2MH河調(diào)的峰峰值穩(wěn)定為2V的方波。分頻電路的分析與計算根據(jù)題目要求，方波振蕩器信號經(jīng)過分頻和濾波處理后，

10、要同時產(chǎn)生頻率為10KHz和30KHz的正弦波信號，如果加上發(fā)揮部分要產(chǎn)生的50KHZ的正弦信號，我們一共要分三次頻?？紤]到10K、30K50K的最小公倍數(shù)為150K,并且我們要通過D觸發(fā)器構(gòu)成的二分頻電路，所以，方波振蕩電路產(chǎn)生的方波信號的頻率設(shè)定為1502300KHZ。分別經(jīng)過由74LS161構(gòu)成的15、5、3分頻電路就可以得到2KHZ60KHZ100KHz勺信號，然后再經(jīng)過D觸發(fā)器，就得到了所要求的10K、30K、50KHz勺信號。方波轉(zhuǎn)換成正弦波的分析與計算將方波轉(zhuǎn)換成正弦波的方法有很多種，11我們選用先將方波通過積分電路轉(zhuǎn)換成三角波，然后再將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波的方法。一口廣中一積分電

11、路的形式可以根據(jù)實際要求來確1定。我們只需要對每一路信號進行一般波形轉(zhuǎn)換，所以我們選用基本積分電路。如圖1。T的大小決定了積分速度的快慢。由于運算放大器的最大輸出電壓Umax為有限值（通常Umax=±10V左右），因此，若P的值太小，則還未達到預(yù)定的積分時間t之前，運放已經(jīng)飽和，輸出電壓波形會嚴(yán)重失真。所以P的值必須滿足：1tUidtUomax0也就是說，根據(jù)不同路信號的頻率不一致，我們所選用的R和C的值也不一致。當(dāng)F=10KHz,RC.選定C=1100PF則R我們選用100K的滑動變阻器，即可滿足要求。11041100101290K,因止匕當(dāng)F=30KHZ,rc',選定C=

12、470pF則R30K我們選用100K的滑動變阻器，也可滿足要求。當(dāng)F=50KHZ,rc',選定C=330pF則R50K我們選用100K的滑動變阻器，滿足要求。14123104701015104330101270K,因止匕60K,因止匕三角波轉(zhuǎn)正弦波電路，采用典型三角波轉(zhuǎn)正弦波電路，具體電路見電路設(shè)計部分。3電路與程序設(shè)計電路的設(shè)計3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖2所示:圖2系統(tǒng)總框圖3.1.2 方波轉(zhuǎn)正弦波電路原理圖1、方波轉(zhuǎn)正弦波電路方波先通過積分電路轉(zhuǎn)換成三角波，然后經(jīng)過三角波轉(zhuǎn)正弦波典型電路就可以得到正弦波。電路如圖3所示。圖中的反饋支路除了常有的Rf外，還并聯(lián)了一系列由一

13、級管的電阻組成的電路。由Vo和正負(fù)電源通過電阻分壓在二極管的右側(cè)得到一系列的電壓。當(dāng)Vo向0減小時，D1,D2,D3依次導(dǎo)通，等效反饋電阻逐漸減小，則下降的斜率逐漸變慢，趨近于正弦波的底部變化趨勢。同理當(dāng)Vo上升時，另外三個二極管依次導(dǎo)電，等效反饋電阻逐漸減小，則上升的斜率逐漸變慢，趨近于正弦波的頂部變化趨勢。2、采用差分放大器作為三角波轉(zhuǎn)正弦波的電路。波形變換原理為“利用差分對管的飽和與截止特性進行變換，利用對管在飽和與截止時差分放大器傳輸特性曲線ic1表達式的波形類似正弦波來實現(xiàn)的。對于此電路,要求：傳輸特性曲線盡可能對稱，盡可能窄，三角波的幅值Vm應(yīng)接近晶體管的截止電壓值。其中RP1用來

14、調(diào)節(jié)三角波的幅度，RP2用來調(diào)整電路的對稱性，并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。C1,C2,C3為隔直電容.在C3之后再接一個2階有源巴特濾波器，得到正弦波。具體電路分析在此不再贅述，想了解更多可以參見謝自美老師主編電子線路設(shè)計實驗測試。3.1.3 真有效值電路原理圖1、真有效值電路原理圖3.1.4 電源電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供5V或者±12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)，故不作詳述。程序的設(shè)計3.2.1 程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)AD采樣設(shè)置和顯示。1) AD采樣

15、功能：采得構(gòu)成方波的三路正弦波的真有效值。2)顯示部分：經(jīng)過計算，顯示產(chǎn)生方波和產(chǎn)生三角波的各三路正弦信號的幅值。2、程序設(shè)計思路程序設(shè)計主要是用來AD采樣真有效值，然后再液晶屏幕1602上將其顯示出來。由于本次設(shè)計的輸出結(jié)果，除了基本要求的方波以外，還做了發(fā)揮部分的三角波信號合成。所以我們一共將六路正弦信號的幅值進行顯示（包括方波信號的1、3、5次諧波和三角波信號的1、3、5次諧波）。我們采用MSP43伯帶的AD采樣模塊，從外部引進方波信號的1、3、5次諧波信號進行AD采樣，然后在半秒鐘后，通過改變繼電器偏向，采集三角波信號的1、3、5次諧波，再通過計算，在液晶上顯示這六路信號的幅值。3.2

16、.2 程序流程由于程序簡單，其流程值作如下敘述：1 .單片機MSP430F14初始化；2 .AD采樣以及液晶1602的初始化；3 .開始采樣4 .計算以及顯示各路幅值4測試方案與測試結(jié)果測試方案1、硬件測試將硬件電路分級進行測試，也就是說，從方波振蕩信號產(chǎn)生到最后波形合成，我們一級一級的檢測。當(dāng)確認(rèn)一級正確以后，在接上下一級電路，測量下一集電路是否正常工作。2、硬件軟件聯(lián)調(diào)測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：TektronixTDS1002B,數(shù)字萬用表FLUKE15B測試結(jié)果及分析4.3.1 測試結(jié)果（數(shù)據(jù)

17、）信號出處波形頻率（HZ）峰峰值方波振蕩電路產(chǎn)生方波5V分頻電路產(chǎn)生方波放大整形輸出正弦波濾波器輸出正弦波移相及放大電路正弦波加法器輸出波形近似方波4.3.2 測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：1、所選方波振蕩頻率合適，經(jīng)過分頻，容易得到題目要求的諧波信號頻率；2、移相及放大電路不僅很好的調(diào)整了各路信號的相位差，而且還將從濾波器出來被衰減的信號放大到諧波所需峰峰值，達到題目要求。3、加法器合成波形為近似方波，滿足本次設(shè)計的要求。綜上所述，本設(shè)計達到設(shè)計要求。附錄1:參考文獻1邱關(guān)源、羅先覺主編電路。北京：高等教育出版社。2黃智瑋編著全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計。北京：北京航空

18、航天大學(xué)出版社.3高吉祥主編2007年全國大學(xué)電子設(shè)計試題剖析。北京：電子工業(yè)出版社。4于洪珍主編通信電子電路。北京：清華大學(xué)出版社。5謝自美主編電子線路設(shè)計實驗測試（第二版）。武漢：華中科技大學(xué)出版社。附錄2:整體電路圖附錄3源程序/主程序#include<>#include"”#include""#include""inttemp0,temp1,temp2;floatadc0,adc1,adc2;voiddelay(intms)inti,j;for(i=0;i<ms;i+)for(j=0;j<1141;j+);voi

19、dmain(void)unsignedinti;WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;網(wǎng)看門狗BCSCTL1&=XT2OFF;EnableXT2CLKdo(IFG1&=-OFIFG;for(i=0xff;i>0;i-);)while(IFG1&OFIFG);/等待晶振起振BCSCTL2|=SELM_2+SELS;/MCLKSourceSelect:XT2CLK/SMCLKSourceSelect:XT2CLKP1DIR=0XFF;PWM_OUT(2,2);/TA1產(chǎn)生1MHZ占空比為50%乍為AD轉(zhuǎn)換觸發(fā)源LCD_init();/LCD1602初始化ADC12

20、_init();/AD采樣初始化_EINT();while(1)(P1OUT|=0X01;/控制繼電器跳轉(zhuǎn)，半秒鐘采樣方波諧波的幅值，半秒鐘采樣三角波諧波的幅值adc0=temp0*4095;采回來的是有效值經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換公式后還要乘以2adc1=temp1*(4095*2);adc2=temp2*(4095*3);方波諧波的幅值計算與輸出if(temp0>=4090)display_nowtem(60);/elsedisplay_nowtem(adc0*10);/1display_settem(adc1*10);/2display_bbtem(adc2*10);3/delay(500);由于最大值只能顯示6V,所以在4090的采樣值我們都顯示6VP1OUT&=0X01;adc0=temp0*4095;adc1=temp1*(4095*2);