05队----信号波形合成设计报告

1信号波形合成摘要本设计由方波振荡，分频滤波，移相放大，加法求和，峰值检测模块组成。通过对555定时器产生的方波进行分频，得到10kHz、30kHz、50kHz的方波。滤波移相处理后，产生三种频率的正弦信号，从而合成波形稳定的方波与三角波。最后，由峰值检测电路检测幅值，并由MSP430显示。经验证，本设计电路幅值相位易于调节，波形稳定，效果理想，达到了设计要求。关键词傅立叶级数方波合成带通滤波MSP430单片机2一、方案论证1.1方波产生电路方案一：比较器构成多谐振荡电路。在迟滞比较器的基础上，利用RC积分电路产生方波。电路比较简易，产生的方波为双极性，不易于被计数器分频，在高频范围对运放压摆率要求较高。方案二：利用晶体振荡器构成皮尔斯振荡电路，该电路结构复杂，振荡不够稳定。方案三：555定时器构成多谐振荡电路。电路幅值与占空比可调，产生的方波为单极性，波形上升沿较陡。经比较，由于下级分频模块需要单极性方波，为简化电路，并实现频率可调，本设计采用方案三。1.2分频电路方案一：由十六进制计数器74LS163和触发器HEF4013构成分频电路。计数器进行奇数次分频，触发器进行二分频。电路占空比为50%。方案二：软件分频。精度较高，但单片机输入电压需控制在3.3V以下，需对输入输出电压进行变压。经比较，方案一电路简单，波形稳定，本设计采用方案一。1.3滤波电路方案一：无源滤波电路。结构简单，不需要电源供电，谐波滤除率大概在80%左右，但电路通带内有能量损失，需要对信号的衰减进行补偿。方案二：有源低通滤波电路。输入阻抗高，能量损耗小，可以滤除不需要的高次谐波，但是无法滤除直流分量。方案三：由运放TL072和无源元件RC组成二阶有源带通滤波电路。该电路既可以滤除直流和高次谐波分量，又可以放大电压。经比较，为得到特定频率的波形，保证良好滤波效果，本设计采用方案三。1.4移相电路方案一：如图1-4-1所示,0～360°可调移相电路。由两级运放组成可调移相电路。通过调节电位器实现相位0～360°可调。但移相过程中幅值会衰减。方案二：如图1-4-2所示，RC等幅移相电路。电路可调相范围为0～90°，幅度恒定。经比较，为得到相位可调，幅值不变的波形，本设计采用方案二。R26.8MΩR31.0MΩR12.2kΩR42.2kΩR51MΩKey=A50%R64.7kΩR74.7kΩR81MΩKey=A25%R92.2kΩQ12N3686Q32N3686Q22N3686C110nFC210nFVCC12VC3200µFR1350Ω图1-4-1图1-4-231.5加法电路方案一：反相求和电路。电路稳定性较高，能实现多路信号相加，输出信号与输入信号反相。方案二：同相求和电路。可实现多路信号相加，但稳定性不高。经比较，为得到波形稳定的合成方波和三角波，本设计采用方案一。1.6峰峰值检测电路方案一：利用场效应管和电容等构成峰峰值检测电路。电路性能稳定，检测精度良好，但在高频范围内检测精度一般。方案二：利用软件实现对峰峰值的测量。该方法精度很高，但为满足单片机的电压要求，需进行降压升压操作，产生的误差难以掌控。经比较，方案一操作简单，精度良好，本设计采用方案一。二、参数分析及计算2.1方波产生电路频率及占空比计算由555定时器组成的多谐振荡器如图2-1所示。该电路通过对电容C的充放电得到周期性矩形波。由振荡频率公式11.43()pHpLABfttRRC，占空比公式(%)100%BAARqRR知，若要使方波频率为300kHZ，应满足12348RRRk，同时调节滑动变阻器，使其上下端阻值相等，得到占空比为50%的方波。图2-12.2分频电路参数计算分频电路如图2-2所示。将多谐振荡器得到的方波经过分频器进行15分频、5分频、3分频，再经过D触发器二分频，从而得到占空比为50%的10kHZ,30kHZ,50kHZ的方波，用于后级滤波使用。4图2-22.3滤波电路参数计算滤波电路如图2-3所示，该滤波器为二阶带通滤波器。高通部分用于滤除直流分量，低通部分用于滤出10kHZ,30kHZ,50kHZ的正弦波。由截止频率公式1f2RC，分别计算得截止频率为12kHZ,32kHZ,53kHZ时的电阻电容参数。为防止电路起振，放大倍数均取1.5倍以下。图2-32.4移相电路参数计算移相电路如图1-4-2所示,利用放大器的差动输入，在1f2RC处产生+90度相移。若以产生90度相移的频率为中心，频率偏离时，其相角为：1022tan()2ff，01f2RC。为了获得任意的相角，选择适当的电容值0.01u，因为0tan22cRfC，通过5K滑动变阻器的调节即可实现相位调节。2.5加法电路参数计算5根据方波的傅里叶展开式411sinsin3sin535Udftttt三角波的傅里叶展开式111222811()[sin()sin(3)sin(5)]35UdfttttL，将三路正弦波幅值和相位分别调至与公式相符，相加后即得所需波形。2.6峰峰值检测电路参数计算峰峰值检测电路如图2-6所示，利用两片TL072比较跟随，电容充放电，场效应管保持峰值从而实现峰值检测功能。图2-6三、系统测试及数据分析3.1测试仪器（1）直流稳压源：YB1732A3A（2）数字存储示波器：SIGLENTSDS1102CFL100MHZ2GSa/s（3）数字万用表：UNI-TUT8023.2测试方案（1）测试各模块输出的方波，正弦波的幅值，频率与波形。（2）调节正弦波幅值，相位至满足傅里叶关系，测试合成波形数据。(3）对各输出正弦波进行峰值检测测试，计算误差。3.3测试数据经测试所得实验数据如表一所示。测试波形如图3-3-1至3-3-8所示。滤波所得正弦波误差为0%，合成方波峰值与设计要求值相差0.6V。表一信号合成电路测试数据输出信号正弦波一正弦波二正弦波三两路合成方波三路合成方波三角波频率(KHZ)10.0430.150.1510.0310.0410.04幅值(V)621.195.65.689.046图3-3-1分频后方波图3-3-210kHZ正弦波图3-3-330kHZ正弦波图3-3-450kHZ正弦波图3-3-5基波、三次谐波合成方波图3-3-6基波、三次、五次谐波合成方波图3-3-7合成三角波3.3测试结果分析系统能够满足题目所有要求，并有一定提高。滤出波形幅值频率无误差，合成方波近似度高。滤出的50KHZ正弦波略有失真，与参数选取不够合理有关。整个电路系统由手工制作完成，无法实现严格的阻抗匹配，干扰抑制还不够。四、总结系统能够满足题目基本部分和发挥部分的各项指标要求。实现了对三种频率正弦波信号的提取。信号无明显失真，幅值频率满足要求。合成的方波和三角波近似度较高，波形稳定。峰值检测电路测量效果良好。但因为计数器74LS163无法保证确定的相位关系，上电后波形相位不定。经分析直接由同一10KHZ方波滤出30KHZ和50KHZ的高次谐波效果会更加理想。五、参考文献[1]康华光.电子技术基础模拟部分[R].北京：高等教育出版社，2006.1[2]康华光.电子技术基础模拟部分[R].北京：高等教育出版社，2006.1[3]李先允，姜宁秋.电力电子技术[R].北京：中国电力出版社，20067附录元器件清单名称型号及规格数量备注单片机MSP430F5438A1定时器5551DIP分频器74LS1633DIP74LS001DIP触发器HEF40132DIP运算放大器TL0727DIPTL0744DIP电位器103850275032二极管1N41484场效应管3DJ6G1