04队信号波形合成设计报告

1信号波形合成实验报告摘要：本电路实现了基于多个正弦波合成方波与三角波等非正弦周期信号的电路。本设计由六个模块构成：方波信号产生模块，正弦信号产生模块（滤波模块），相位调节模块，幅度调节模块，波形叠加模块，以及正弦波幅值测量。使用555电路构成基准的300KHz的方波振荡信号，以74LS163、CD4013实现分频形成10KHz、30kHz、50kHz的方波信号，利用有源滤波器获得其正弦分量，以TL082实现各个信号的放大、衰减和加法功能，同时使用有源RC移相电路实现信号的相位调节；使峰值检测电路获得正弦信号的幅度，以MSP430F5xx作为微控制器对正弦信号进行采样，并且采用点阵液晶实时显示测量信号的幅度值。关键词：方波振荡方波分频及滤波移相信号合成峰值检测MSP430F5xx一、方案设计1、方框图设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波和其他信号。电路示意图如图1所示：图1电路示意图2、整体思路（1）用555定时器构成多谐振荡器产生300kHz的方波；（2）利用4位二进制同步计数器（同步清零）74LS163配合D触发器CD4013实现分频功能，分别产生10kHz,30kHz,50kHz的方波；（3）将产生的单极性方波经过比较器变为双极性，采用二阶有源低通滤波电路，分别获得相应频率的正弦波信号；（4）采用RC移相电路调节输出正弦波信号的相位，采用比例放大电路调节正弦波的幅值，再利用加法器合成近似正弦波和三角波；（5）设计分立二极管电容型峰值检测器，检测各正弦信号的幅度；并用液晶显示屏显示相应的幅值。二、单元电路方案设计与论证1、方波振荡电路方案一：用555定时器构成多谐振荡器产生300kHz的方波，通过数字分频电路分出10kHz，30kHz和50kHz的方波，再通过滤波提取相应的正弦波，这样提取出来的正弦波相位关系确定，适合于方波、三角波合成。方案二：使用晶振，晶振产生的方波频率精确，但一般晶振频率较高，而且不能2调节，对后级分频电路的要求较高。由于用555构成的多谐振荡器，电路简单，频率稳定，故选择方案一。2、分频电路方案一：采用D触发器级联构成分频电路，n个D触发器能构成1/2^n倍的分频器，此方法适合对信号低分频，当高分频时需要多个D触发器，电路连接复杂，不好操作。方案二：采用74LS163同时对300kHz的方波进行15分频，5分频，3分频后，再用D触发器进行2分频后可得到占空比约为50%的方波，此波形较稳定。在上述两种方案对比下，采用方案二，易于操作。3、滤波电路方案一：采用二阶有源低通滤波电路，由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其滤波性能稳定。方案二：由无源元件R、L、C组成的带通滤波电路，利用电容和电感元件的电抗随频率变化而变化的原理构成，但通带内的信号有能量损耗，幅度会衰减，造成失真。综合以上的分析，选择方案一作为滤波电路，满足本次设计的要求。4、移相电路方案一：由两级RC串联电路构成的移相电路，输出经电位器连接，通过调节电位器可实现相位的正负调节。方案一：由一级RC电路移相，电路简单，但每级RC只能移相90度，当调节范围小于90度时，不能实现。由于三个正弦波是在同一方波信号下滤波产生，它们之间的相位差相对较小，故选择方案一。5、波形合成电路运用反相求和运算电路。方波信号经滤波和移相后，其输出信号将有不同幅度的衰减，合成前需要通过反向比例运算电路将各成分的幅度调到规定比例，采用反相求和运算电路才能合成新的信号。6、峰值检测电路基于运放的RC峰值检测电路，频率范围宽，精度高。三、参数分析及计算1、方波振荡电路555振荡频率计算公式：CRRttfpHpL)2(43.1121考虑到555需要产生300kHz的方波信号，选用如图2所示的方波振荡电路，选用的元器件参数为：定值电阻为1kΏ，电位器为2kΏ，电容330p，构成方波振荡器。图2方波振荡器2、分频电路3分频电路实现将某方波通过分频产生10KHz、30KHz和50KHz的新的方波，300KHz频率30分频得10KHz，10分频30KHz，6分频50KHz。利用4位二进制同步计数器（同步清零）74LS163配合D触发器CD4013实现分频功能，分别产生10kHz,30kHz,50kHz的方波，对于CD4013，所起的作用是将由74LS163分频后非50%占空比调节为50%。设计电路见图3分频电路所送出。计算：10kHz：15分频设置1110ABCDQQQQ图3分频电路30kHz：6分频设置0100ABCDQQQQ50kHz：3分频设置0010ABCDQQQQ再经过D触发器2分频，分别得到10kHz，30kHz，50kHz的频率。3、滤波电路滤波电路的截止频率：RCwc1ω图4所示电路为50kHz的滤波电路，图中R21=R22=R，C9=C=0.001uF，截止频率为63kHz；RC参数分别为10kHz：R=4.7kΏC=0.01uF截止频率为21kHz；30kHz:R=2.4kΏC=0.01uF截止频率为42kHz；50kHz:R=16kΏC=0.001uF截止频率为63kHz。图4滤波电路4、移相电路相位偏移计算公式:wCR1arctan,由于波形相位差不大，因此设置正负偏移相位为45度。RC参数如下：10kHz：R=1.5kΏC=0.01uF30kHz：R=510ΏC=0.01uF50kHz：R=300ΏC=0.01uF图5所示为30kHz的移相电路，R1=R2=R，C1=C2=C图5移相电路5、波形合成电路4由傅立叶级数对方波予以分解可得...)sin1...3sin31(sin4)(tnnttnAtf同样由傅立叶级数对三角波予以分解可得...))1sin()1(1sin1...5sin513sin31(sin4)(2222tnntnntttnAtf正弦波合成前通过反向比例放大电路调节正弦波的幅值：10kHz:30kHz:50kHz=15:5:3。三角波合成前通过反向比例放大电路调节正弦波的幅值：10kHz:30kHz:50kHz=1:-91:251并且30kHz的正弦波和10kHz、50kHz相位相差180度。根据题意，10kHz、30kHz的峰峰值为6V和2V。反相求和运算电路：图6波形合成电路)(507830681058iiioVRRVRRVRRV6、峰值检测电路图7峰值检测电路四、测试方案及步骤1、方波振荡器利用直流稳压电源提供+5V电压，供555定时器工作，将555多谐振荡器的输出接示波器探头，通过示波器观察输出方波，调节电位器直至输出方波频率为300kHz，并保存输出波形。2、分频电路利用函数信号发生器模拟输出300kHz的方波，送入分频电路的输入端，并设置1110ABCDQQQQ，示波器探头接输出端，观察示波器输出是否为10kHz的方波，并保存波形，用类似方法分频出30kHz和50kHz方波。3、滤波电路5利用函数信号发生器模拟输出10kHz的方波，送入滤波电路的输入端，示波器探头接输出端，观察示波器输出是否为10kHz的正弦波，并保存波形，用类似方法对30kHz和50kHz方波进行滤波。4、移相电路利用函数信号发生器模拟输出10kHz正弦波，送入移相电路的输入端，利用双踪示波器测试输入输出波形，调节电位器，观察波形的相位变化，并保存波形。5、波形合成电路利用函数信号发生器模拟输出10kHz和30kHz的正弦波，并调节幅度比为10kHz:30kHz=3:1，同时接入合成电路的输入端，输出接示波器探头，观察示波器输出波形是否为近似方波，并保存波形。五、测试结果记录与分析各模块测试波形如图7所示：1、方波振荡器测试数据：见表1方波振荡器的测试数据表1方波振荡器的测试数据理论值实测值误差频率300kHz304.1kHz1.4%2、分频电路测试数据：见表2分频电路的测试数据表2分频电路的测试数据ABCDQQQQ理论值实测值误差111010kHz10.1kHz1%010030kHz30.4kHz1.3%001050kHz50.66kHz1.3%3、滤波电路测试数据：见表3滤波电路的测试数据表3滤波电路的测试数据最大值最小值峰峰值10kHz940mV-900mV1.82V30kHz332mV-328mV660mV50kHz328mV-296mV624mV4、放大电路测试数据：见表5表6表5方波放大电路的测试数据峰峰值有效值理论值实测值误差理论值实测值误差10kHz6V6V02.122V2.122V030kHz2V2.04V2%0.707V0.707V2%50kHz1.2V1.2V00.424V0.424V066、波形合成电路测试数据：见表7波形合成电路的测试数据表7波形合成电路的测试数据峰峰值有效值理论值实测值误差理论值实测值误差方波5V5.48%1.76V1.98%图7.1方波波形图7.210kHz方波波形图7.330kHz方波波形图7.450kHz方波波形图7.510kHz正弦波图7.630kHz正弦波图7.750kHz正弦波图7.8近似方波7图7.8近似方波六、设计总结本系统电路简洁，功能发挥充分。此外，本设计具有如下特点：（1）在设计过程中，部分电路先采用原理仿真，再在面包板上搭接调试，使得设计更加可靠；（2）波形合成的关键是移相电路，因此要确保移相电路的准确度。（3）整个系统中在电源、方波产生、滤波、移相、放大、波形叠加模块均采用电位器进行手动调节各模块的精度，使系统达到最佳效果。此次电子设计使我们增长了见识，熟悉了许多功能强大的模拟芯片和各种集成电路，以便于将来运用能够得心应手，也了解了许多先进的处理技术与高级的开发平台。此次活动使我们对本专业的研究领域产生了浓厚的兴趣，更对自己能力的有了一定的肯定；另一方面，此次培训培养了我们小组中三人的团队协作、互帮互助与默契精神。在电子培训中，我们收获了患难与共的珍贵友谊。短短的几十天的培训生活给我们的感受要比大学三年的生活更丰富多彩。附录：元器件清单序号名称型号/规格数量备注1负载电阻1k，4.7k，2.4k，16k各若干2电容0.01uF50.001uF30.1uF13铝制电解电容47uF14电位器2023203110325集成芯片LM55574LS16374LS20CD4013TL0821332106DIP8管脚16管脚14管脚113587电路板环氧板3参考文献？？？