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1、1内容摘要：本系统采用 NE555 芯片作为方波发生电路产生 120kHz 的方波信号，然后利用十进制计数器 CD4017 和双 D 触发器 CD4013 将 120kHz 的矩形波信号分频，得到10kHZ、30kHZ 三种不同频率的方波，将方波信号经滤波处理后，得到单频的正弦信号，产生的信号波形应无明显失真，为了保证最终波形的叠加效果，使用幅度与移相调节电路对两路信号进行调整，两路信号进入加法器叠加，最终得到近似的合成波形。系统主要由四大模块构成：方波发生电路，分频滤波电路，幅度与移相调节电路和波形合成电路构成。关 键 词：方波振荡器 分频与滤波 移相电路 加法器 单片机2前 言本设计的任务
2、是使学生获得信号与系统分析方面的基本理论、基本知识和基本技能,培养学生分析问题和解决问题的能力,为深入学习通信、电子信息类专业有关课程及以后从事专业工作打下良好的基础。本设计的特点是应用的数学工具多、公式多,数学演绎复杂。如何把抽象的数学语言和具体的物理概念与实际应用联系起来,也是学习中要解决的重要问题。为了达到这一目的,课程实验是一个必不可少的环节。让学生有机会尽早接触正弦波、方波等周期信号以及调幅波、调频波等调制信号,通过多观察、多测试、多分析,理论联系实际,举一反三,融会贯通,掌握观察、测试和分析信号与系统的基本方法,培养使用基本分析工具的能力。为此我们引入信号的分解与合成来解决这样的问
3、题。从而有了我们这次的课题 信号波形合成。学生可以通过示波器来观察试验结果是否与理论一致,观察出现的误差并分析原因。经过实验课程的不断尝试,证明实践性教学能够加强学生对相关知识的掌握和理解,而且通过实验,锻炼学生用模拟，数字电路理论分析解决实际工程问题的能力,不仅大大提高学生的动手能力,而且为后续的相关课程的学习以及毕业设计奠定了坚实的基础。31 系统方案设计及论证1.1 系统总体方案本系统采用 NE555 芯片作为方波发生电路，产生稳定的 120kHz 的方波信号，将信号进行分频滤波处理，得到 10K、30K 二种不同频率的正弦信号，为了保证最终波形的叠加效果，使用调幅移相电路对二路信号进行
4、调整，二路信号进入加法器叠加，最终完成波形合成。如图 1-1：图 1-11.2 电源系统考虑到直流电流电源。我们用四个 1N4007 四个晶体管构成桥式整流桥。 ，将 220V 50Hz 的交流电转换为直流电。该直流稳压电源的稳压电路选用由 LM7805 和 LM7905三端固定式集成稳压器组成稳压电路，他们能满足放大器所用直流稳压电源，其整流滤波电路采用桥式整流、电容滤波电路。该电路的特点是它们共用两组组整流、滤波电路，且有共同的公共端，可以同时输出正、负电压，使用十分方便，电压稳定性好。其原理图如图 1-2：图 1-2 41.3 方波合成系统1.3.1 方波信号发生器 方案一：集成运放利用
5、集成运放构成的比较器和电容的充电放电，可以实现集成运放的周期性翻转，进而输出端产生一个方波信号。方案二：NE555 定时器利用 NE555 内部灵敏的比较器以及电容的充放电实现方波的的输出方案比较：采用方案一,用集成运放产生方波,电阻、运放会产生热噪声，使得电路的噪声增大。NE555 定时器内部的比较器灵敏度比较高,振荡频受电源电压和温度变化的影响很小，实现起来也不难，因此选用该方案。 1.3.2 分频模块利用 CD4017B 十进制计数器，以及 TI 公司的 D 触发器 CD4013，分别对 120kHz 的方波信号进行 12 分频得到 10kHz 方波信号，进行 4 分频得到 30kHz
6、方波信号。1.3.3 滤波模块任何一个周期性函数都可以用傅立叶级数来表示，这种用傅立叶级数展开并进行分析的方法在数学、物理、工程技术等领域都有广泛的应用。例如要消除某些电器、仪器或机械的噪声，就要分析这些噪声的主要频谱，从而找出消除噪声方法；又如要得到某种特殊的周期性电信号，可以利用傅立叶级数合成，将一系列正弦波形合成所需的电信号等。其原理为：傅里叶解析认为任意一个逐段光滑的周期函数 均可分解出相应的三xf角级数，且其级数在每一连续点收敛于 ，在每一个间断点收敛于函数 的左xf xf右极限的平均值。反映到电子技术领域中，就是说任意一个非正弦交流电都可以被5分解成一系列频率与它成整数倍的正弦分量
7、。也就是说我们在实际工作中所遇到的各种波形的周期波，都可以由有限或无限个不同频率的正弦波组成。一个非正弦周期波可以用一系列频率与之成整数倍的正弦波来表示。反过来说，也就是不同频率的正弦波可以合成一个非正弦周期波。这些正弦波叫做非正弦波的谐波分量，其中频率与之相同的成分称为基波或一次谐波。谐波分量的频率为基波的几倍，就称为几次谐波，其幅度将随着谐波次数的增加而减小直到无穷小。波形所含有的谐波成分，按频率可分成两种不同的谐波。一种频率为基波的 1，3，5，7.倍的谐波，称为奇次谐波；另一种频率为基波的 2，4，6，8倍的谐波，称为偶次谐波。有些信号中还存在一定的直流成分，可看做零频率的谐波分量，也
8、属于偶次谐波。分解方法：傅里叶分解公式周期为 T（角频率 ）的周期量 f（t）可分解为将正弦函数展开，还可得到另一种形式其中 称为傅里叶系数，可按下式计算式（5.1）中的6本设计采用单运放带通滤波器将方波转换成正弦波，一阶带通滤波器滤去方波中高次谐波分量，只留 F 基波正弦分量。用集成运放和 RC 网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。1.3.4 幅度和相位调节模块采用 RC 移相电路，在 R-C 串联电路中，若输入电压是正弦波，则电路中各处的电压、电流都是正弦波。从相量图可以看出，以电阻电压作为输出电压时，输出电压相位超前输入电压
9、相位一个 角，如果输入电压大小不变，则当改变电源频率 f 或电路参数 R 或 C 时， 角都将改变，而且 A 点的轨迹是一个半圆。同理可以分析出，以电容电压作为输出电压时，输出电压相位滞后输入电压相位一个 角。因此，不论以 R 端或 C 端作输出，其输出电压较输入电压都具有移相作用，这种作用效果称阻容移相。RC 移相电路主要是由电容器的电流超前电压 90 度这一特性，使得 RC 之间的相位关系，超前或滞后，从而使相位发生变化。1.3.5 加法器合成模块利用集成运算放大器实现信号的合成，在进行电压相加的同时， 仍能保证各输入电压及输出电压间有公共的接地端。由于虚地点的隔离作用，输出电压分别与各个
10、输入电压间的比例系数仅仅取决于反馈电阻与各相应输入回路的电阻之比，而与其他各路的电阻无关。因此，参数值的调整比较方便。1.4 幅值显示系统1.4.1 幅值检测模块本设计采用桥式全波整流滤波的方式将正弦波转换成易测量的直流量。如下图 1-3，图 1-4：7图 1-3 经过电容滤波后的值为： )41(2LOLCRTV+=近似认为 。 图 1-42.L1.4.2 模数转化模块方案一： ADC0809ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS 组件。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，转换时间约为 100us。方案二：TL
11、V1544TLV1544 是 CMOS10 位开关电容逐次逼近 10 位分辨率 A/D 转换器，器件片内具有 11通道多路转换器，TLV1544 可工作在宽电源电压范围，其转换间26#include /库函数头文件，代码中引用了 _nop_()函数#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned char/*LCD1602*/ 定义控制信号端口sbit RS=P30; /P3.0sbit RW=P31; /P3.1sbit E=P32; /P3.2sbit CS_AD=P20;sbit CLK=P21;sbit DATA_IN=
12、P22;sbit DATA_OUT=P23;/sbit CSTART=P25;unsigned int Volt;unsigned char Buffer11=Volt:0.0000;/ 声明调用函数void lcd_w_cmd(unsigned char com); /写命令字函数void lcd_w_dat(unsigned char dat); /写数据函数unsigned char lcd_r_start(); /读状态函数void int1(); /LCD 初始化函数void delay(unsigned char t); /可控延时函数void delay1(); /软件实现延时函
13、数，5个机器周期void write_1544(unsigned char a);void init_1544(); /*初始化1544口线*/unsigned int read_1544( unsigned char a);void Cstart_1544();void TLV1544();27/函数名：delay/函数功能：采用软件实现可控延时 /形式参数：延时时间控制参数存入变量 t 中/返回值：无void delay(unsigned char t) unsigned char j,i;for(i=0;i=1;CLK=1;CS_AD=1;DATA_OUT=1;/void Cstart_
14、1544() /采样与转换的起始控制/CS_AD=1;31/ CSTART=1;/delay(1);/ CSTART=0;/delay(1);/ CSTART=1;/*选取被读的通道，10个数据位通过 DATA_OUT 发送到主机 */unsigned int read_1544(unsigned char a)unsigned char i;unsigned char b=0x08;unsigned int r_data=0; /*返回转换结果*/CS_AD=0;CLK=0;for(i=0;i=1;CLK=1; /时序if(DATA_OUT=1)r_data+;delay1();CS_AD=
15、1;DATA_IN=1;return r_data;32void shuzichuli_1544()unsigned int m;m=read_1544(0x00);Volt=m*48; /*将电压值扩大了一万倍*/void Display_Volt()Buffer5=Volt/10000+0;/*电压值的个位*/Buffer7=Volt/1000%10+0;/*电压值小数点后的十分位*/Buffer8=Volt/100%10+0;/*电压值小数点后的百分位*/Buffer9=Volt/10%10+0;/*电压值小数点后的千分位*/Buffer10=Volt%10+0;/*电压值小数点后的万分位*/void TLV1544() init_1544(); /初始化 TLV1544write_1544(0x00);Cstart_1544();read_1544(0x00);shuzichuli_1544();Display_Volt();void main() /主函数 unsigned char i;P1=0xff; / 送全1到 P1口int1(); /
