电子设计大赛信号波的合成

信号波形合成摘要：本系统通过TI的NE555定时芯片来产生一个60KHZ方波，方波经过整形后输出，经过2分频与6分频产生30KHZ与10KHZ的方波，方波经整形后输出，分别经过35KHZ和12K的低通滤波器产生正弦波，产生的正弦波经过运放放大，10KHZ的正弦波幅值为6V，30KHZ的正弦波的幅值为2V，将这两个正弦信号输入移相电路，通过加法器合成方波。一、系统方案论证1.1.方波发生电路方案方案一：利用msp430单片机和DAC产生一个方波，此方案编程较方便，但是由于DAC芯片价格较高，频率调节不方便，性价比低，故不是理想方案。方案二：利用专门波形产生芯片ICL8038来产生方波，但通过实际测试产生的方波不稳定。故不选择此方案。方案三：利用TI公司的NE555定时器芯片来产生一个方波，555定时器芯片性价比高，输出波形也较稳定，发生电路也较简单。因此，我们选择此方案。1.2分频电路方案方案一：利用TI公司的分频芯片，但考虑到分频芯片只能分n2频，使我们设计需要2分频和6分频，所以不考虑用此芯片。方案二：利用芯片74LS160和74LS74搭建数字电路来进行数字分频，可以实现2分频和6分频。该分频电路比较简单，实用作为方波分频电路很适合。1.3滤波电路的选择方案方案一：使用3阶的巴特沃斯低通滤波器，该滤波器结构比较简单，滤波效果也比较好。方案二：使用切比雪夫低通滤波器，其滤波效果好，但是其电路结构比较复杂，不太容易实现。系统实现框图方波发生器60KHZ2分频30KHZ6分频10KHZ10KHZ滤波30KHZ滤波放大器放大器移相电路加法器合成方波二、理论分析与计算方波电路：对于题目要求产生的方波要能分频出10KHZ和30KHZ的方波。故我们设计的方波的频率为60KHZ，以便于之后的分频。方波频率的计算公式为：f=121)(7.01CRR我们选择了1C=680pf，R1、R2为两个20KΩ的可调滑动变阻器。但对于输出的方波有毛刺高频分量，故在其电路的输出端加上两个稳压二极管进行稳压输出（即去毛刺）。分频电路：接下来就是要对方波信号进行分频，因为要分出10KHZ和30KHz的信号，所以就对该信号进行2分频和6分频。2分频是用一片74LS74触发器来实现，6分频是利用一片74LS160和一片74LS74来实现3分频和2分频。滤波电路：分频后是滤波，滤波电路时两个3阶RC滤波器分别来对10K和30K的信号进行滤波其频率计算公式为RCf21可分别算出两个滤波器的R和C的值。放大电路：由于对信号的滤波会导致信号的幅度减小而不能达到题目的要求，因此在滤波之后要对信号进行放大，对信号放大我们采用反向比例运算放大器。其计算公式为：120URRUF通过测试我们得出电压的放大倍数不超过20倍，因此我们设计了R2的阻值为12K，FR为一个可调电阻，最大阻值为240K。移相电路：我们是通过运算放大器搭建的一个简单而实用的电路，如下图所示：此电路主要有op07运算放大器与RC网络组成，改变Rx的值，u0相对于u1能在0~π之间变化，此电路的传递函数为：CjwRCjwRUiUojwKxxc11)(由上式得cK的模恒等于1，当wRxC=1,Uo滞后Ui2。设选定C后，在角频率为w时，调节Rx即可得到移相后的输出。设Uo与Ui的相移为β，则可由上式推出相移的计算公式：)0(1arctan2CRx即选择一个Rx的值，就可获得一个相对应得β值，因此，3个以上的基本电路可组成0~360°连续可调的移相器。考虑到本设计的电路移相不会超过180°，故选择级联2个基本电路即可。加法器：加法器电路就是最后将各个正弦分量合成方波，利用反相运放加法器实现。其计算公式为：)(3322110RuRuRuRuF当R1=R2=R3=Rf时，就实现了方波的合成。三、电路与程序设计1、方波产生电路：方波电路是由555定时器为主要芯片，通过调节R1和R2两个可调电阻来调节方波的占空比和频率2、分频电路：（1）.二分频该二分频电路通过上升沿是D出发Q=Q来实现对输入信号的二分频的。（2）六分频该电路通过一个160十进制计数器来设计一个3进制电路再通过D触发器来二分频，最后就得到了对输入信号的6分频。3、滤波电路(1).30KHZ滤波电路(2).10KHZ滤波电路这两个滤波电路都是采用巴特沃斯三阶滤波，使用TI公司的OP07运算放大器芯片来搭建。4、反相放大电路5、移相电路此电路通过2级基本移相电路的集成来实现180°的相位转移，使得合成方波的正弦波分量的初始相位相等，这样才能合成方波。6、合成加法器四、测试方案与测试结果1、方波产生电路的测试方案由555产生了方波后，使之显示在示波器上，观察其幅度与频率是否与预先设计的一样。再对其进行适当的调整。测试结果显示可以产生60KHZ的方波，但是会产生一些毛刺，这些毛刺是一些高频的分量，所以我们在方波输出端接上一对稳压管来稳压，使得原来的方波有了很大的改善。2、分频电路测试与结果将555产生的方波接到分频输入端，将输出端接到示波器上显示，观察与输入波形的区别。结果显示可以分成30KHZ和10KHZ的方波。3、滤波电路测试和结果将分频电路分频出来的信号进行滤波，观察滤出的波形是否为正弦波，频率是否发生改变。测试结果为二分频后经过滤波可以产生频率为30KHZ的正弦波，六分频的方波可以滤成10KHZ的正弦波。4、放大电路的测试与结果将滤波后的两路正弦信号分别进行放大，将10KHZ的幅度放大至6V，将30KHZ的幅度放大至2V。5、移相电路的测试与结果将30KHZ的正弦波信号作为基准信号，与10KHZ的正弦波信号进行比较，再对10KHZ的信号进行移相直至观察到两信号的初始相位相等。6、方波合成将移好相位的30KHZ和10KHZ两正弦波通过一个加法器进行相加，在滤波器上观察其结果是否产生了一个近似的方波。附录：参考文献【1】胡宴如、耿苏燕编。模拟电子技术基础。高等教育出版社。【2】杨志忠等编。数字电子技术基础。高等教育出版社。【3】高西全等编。数字信号处理。电子工业出版社。TI杯江苏省模拟电子设计大赛关于信号波形的合成设计学校南京工程学院设计者卜峰李文豪葛军指导老师陈巍宋宇飞2010年8月