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1、全国大学生电子设计竞赛 2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛信号波形合成实验电路（C题）组号：512003信号波形合成实验电路 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。使用TLV3501电路构成基准的300KHz的方波振荡信号，以74LS161、74LS74实现前置分频形成10KHz、30kHz、50kHz的方波信号，利用有源滤波器获得其正弦基波分量，以TLC085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；使用二极管峰值包络检波电路获得正弦信号的幅度，以MSP430F147作为微控制器对正弦信号进行采样，并且采用点阵液晶实
2、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MSP430F1471、方案设计1.1系统分析和整体设计根据题目要求，通过方波振荡电路产生方波信号，经分频后得到各路需要的信号，因此方波振荡电路产生的信号频率应为各路信号频率的公倍数。由于需要的信号频率为10KHz，30KHz和50KHz，其最小公倍数为150KHz，若使用偶数分频，则应产生f=300KHZ的方波,分别经过6分频、10分频和30分频得到10KHz、30KHz、50KHz的方波，然后经过滤波器得到相应的正弦信号；用放大电路弥补分频滤波过程中的衰减，并将幅度调节至合成所需的比例关系。由傅里叶变换可以证
3、明方波可表示为：三角波可表示为：所以频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ、70KHZ对应幅值为的正弦波可合成方波，频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ、70HZ对应幅值为的正弦波可合成三角波。同时，各分量对应的相位关系也由三角函数的形式及前面的符号所决定。因此，还需要通过移相使各频率的信号相位关系符合方波及三角波的合成要求，然后将对应幅度不同频率的正弦波形通过加法电路叠加成近似方波和三角波。同时，通过峰值检测电路检测各路正弦信号的幅度，并通过MSP430单片机内置的AD对电压幅值进行采样及显示。整个系统的原理框图如图1.1所示。方波振荡电路方波分频滤波信号放大波形移相波形叠加峰值测量液
4、晶显示单片机处理系统图 1.1 系统框架图1.2系统方案设计、比较与论证根据题目要求对其中一些主要部分进行方案设计、比较与论证：1.2.1可调电压源设计方案集成稳压电路一般分为5部分，即交流降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、保护电路。交流220V电压经电源变压器降压整流得到直流电压Vin，此电压通过滤波电路输入到带过流保护功能的LM317集成稳压器输入端，在集成稳压器输出端可得到1.2537V直流电压。我们的制作的电源中有常用的定值电压5V、12V和18V可调电压。1.2.2方波振荡电路方案本系统中的方波振荡电路是后续各级信号产生的基础，对频率准确度和稳定度的要求较高。方案一：555定时
5、器组成的多谐振荡器，直接调节至300KHz左右的对称方波。此方案成本低廉，实现方便， 但其稳定性受到外部元件的影响，在振荡频率较高时频率稳定度不够。方案二：使用石英晶振组成高稳定度的频率参考源，并使用计数器和集成锁相环芯片构成分频/倍频环，以产生300KHz的方波。该方法产生的信号稳定度高，但需要搭建石英晶体振荡电路，并进行锁相环分频、倍频，电路较复杂。方案三：采用基于比较器和RC积分电路的方波产生电路。该电路结构简单，性能稳定，主要的限制因素在于比较器的速度。TI公司的轨至轨高速比较器TLV3501，具有4.5ns的翻转速度，结合适当的RC参数，可以达到300KHZ的振荡频率。因此。本系统采
6、用方案三，此电路结构简单，产生的方波稳定性较好。1.2.3滤波电路设计方案本系统中需要得到的正弦波均来自于对应方波信号的基频，因此只需使用低通滤波器，并将截止频率设置为高于基波频率并低于谐波频率即可。方案一：使用TI集成低通滤波器芯片TLC041进行低通滤波。采用晶振分频的方波作为芯片的外部时钟输入来控制滤波器的截止频率。该方案实现简便，但灵活性较差，不便于截止频率的微调。方案二：同样使用TLC041集成滤波芯片，但是通过外接电容电阻来控制其内部时钟进行滤波。与方案一相比，灵活性较大。方案三：直接采用TI 运放TL072及电阻、电容元件组成二阶巴特沃思低通滤波器进行有源滤波。方案一、二虽然充分
7、利用了TI的滤波器件，可以在其工作频率范围内得到较好的结果，但是TLC041组成的低通滤波系统最高截止频率一般不超过40KHz，用于本题中的50KHz正弦波的滤波，衰减过大。因此，本系统中统一采用方案三，滤波器结构清晰，截止频率可以进行充分的调节，具有较好的滤波效果，可以产生非常理想的正弦波。1.2.4移相电路设计方案移相电路对分频滤波后的各路正弦信号进行相位移动，使它们的相位关系满足信号合成的需要。方案一：采用无源RC移相网络。该方案电路简单，可以实现移相的目的，但是通过相移网络后信号有衰减，而且在调节相移的同时，信号的幅度也会发生变化，需要在后级再加入放大器进行补偿，增加了系统的复杂性。方
8、案二：采用有源RC移相电路，通过合理的设计，可以实现信号的幅度增益恒定为1，相位可调的效果。因此，本系统中采用方案二进行移相电路的设计。2、系统实现2.1硬件设计2.1.1 方波振荡电路方波振荡电路如图2.1所示，它是在高速比较器TLV3501的基础上，增加了一个由R1、C1组成的积分电路，把输出电路经R1 、C1反馈到比较器的反相端。在接通电源的瞬间，设输出电压偏于正饱和值，即Vo=+Vcc时，加到电压比较器同相端的电压为+FVcc，而加于反相端的电压，由于电容C上的电压Vc不能突变，只能由输出电压Vo通过电阻R1按指数规律向C1充电来建立。如此循环，形成一系列的方波输出。调节电位器R1可改
9、变产生方波的频率，范围在01MHZ之间。同时，在输出端再接上一级比较器进行方波整形，以使产生的方波边沿更加陡峭。图2.1 方波振荡电路2.1.2分频器电路分频器电路由可同步预置的计数器74LS161、D触发器74LS74及与非门74LS00组成。以生成10KHZ的方波为例，将300KHz的原始方波作为时钟信号送入计数器74LS161的CP端，使其开始计数，当计数值达到14时，通过逻辑门使并行置数端有效，从而在下一个时钟脉冲到来时将计数值置为0，以此实现15个状态的循环，同时，每次计数值满的信号还被送入D触发器接成的T触发器，实现高、低电平的翻转，从而实现152=30分频，且输出的波形为对称方波
10、。以此类推，还可实现30KHZ、50KHZ的分频。如图2.2所示，依次为10KHZ、30KHZ、50KHZ的方波分频电路。另外，为使分频后各路信号的相位关系在每次上电时都保持一致，使用了电阻、电容组成的上电复位电路对各计数器和触发器进行上电复位。图2.2 方波分频电路2.1.3 滤波器电路根据前述方案设计，采用运放TL072搭建二阶巴特沃思有源低通滤波电路，如图2.3所示。由图可见，它是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。当R5=R6=R，C2=C3=C时，其3dB截止频率为.图2.4中采用2K电位器调节截止频率，当2K电阻全部接入时，其3dB截止频率约为
11、8KHz，减小电阻值可以提高截止频率。10KHz、30KHz和50KHz的正弦波均由该结构滤波电路经调节获得。图2.3 滤波器电路2.1.4放大电路用TI运放TLC085组成放大倍数在010可调的反相放大电路。如图2.4所示，电压增益 = 。调节反馈电阻R10可改变增益。图2.4 信号放大电路2.1.5移相电路根据前述方案设计，采用有源RC移相电路，如图2.5所示。根据电路图可求得该电路的闭环增益:即当时有，相移，即通过调节电位器W的值，可以改变相移，且不改变波形的幅度。图2.5 移相电路2.1.6波形叠加电路用TI运放TLC085实现增益可调的求和电路，如图2.6所示，此电路可以实现波形的相
12、互叠加.图2.6(a)是实现合成方波的电路。图2.6(b)是实现合成三角波的电路。图2.6(a) 方波合成电路图2.6(b) 三角波合成电路2.1.7峰值测量输入信号经过比较器的输出信号对电容充电，并把充电稳定后的电位反馈到比较器，循环比较，直至达到输入信号的峰值，从而测出峰值。图2.7 峰值检测电路2.1.8 硬件设计抗干扰措施该系统同时具有模拟和数字部分，硬件设计上需要应用抗干扰技术。防止数字信号与模拟信号耦合造成干扰由于系统为数字系统与模拟系统相互联系的混合系统，采用如下方法解决数字信号与模拟信号的耦合问题：数字信号尽可能远离模拟信号；在模拟信号与数字信号之间设置屏蔽；在数字地和模拟地之
13、间接磁珠防止两地线之间串扰。防止电源的干扰由于数字电路在电源电路会产生峰值很大的尖峰电流，供电电源是外部瞬时脉冲窜入系统的主要通道，必须对其采取必要的抗干扰措施：在放大器芯片的电源输入处采用一个0.1uF 的瓷片电容和一个10uF的电解电容并联，作为旁路电容滤除纹波，有效地抑制了来自电源线的干扰影响；电容连线靠近电源端并尽量粗短。2.3软件设计2.3.1 软件功能描述软件运行于MSP430F147单片机上，可以对各个正弦信号的幅度进行测量和数字显示，并且可以设定幅值的上限报警值，达到报警值时开蜂鸣器报警。2.3.2 软件流程控制系统软件设计流程如图2.8、2.9所示。 图2.8主流程 图2.9 AD转换中断程序流程3、作品性能测试3.1系统测试方法1）开启电源，检查5V和12V电源输出，通过导线给各模块供电。2）方波振荡电路测试。调节电位器微调输出方波频率，同时使用数字示波器进行实时观测，直至方波频率调整为300KHz.3）分频器测试。将300KHz的方波信号输入分频器，用示波器观察输出的10KHZ、30KHz和50KHZ方波的波形和频率。4）滤波器测试。观察三路滤波器输出正弦波的波形，看有无明显失真及是否能在示波器上同步显示。
