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1、武汉大学珞珈学院 电子设计竞赛研讨 信号波形合成实验电路,武汉大学珞珈学院 翟月英 2014.12.30,题意分析 振荡信号产生 分频与信号调理 移相与信号合成,主要内容：,信号波形合成实验电路,信号波形合成实验电路,任务 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,1基本要求 （1）方波振荡器的信号经分频与滤波处理，同时产生频率为10kHz 和30kHz的正弦波信号，这两种信号应具有确定的相位关系； （2）产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为6V和2V； （3）制作一个由移相器和加法器构成的信号合成
2、电路，将产生的10kHz和30kHz正弦波信号，作为基波和3次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为5V，合成波形的形状如图2所示。,信号波形合成实验电路,图2 利用基波和3次谐波合成的近似方波,2发挥部分 （1）再产生50kHz的正弦信号作为5次谐波，参与信号合成，使合成的波形更接近于方波； （2）根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号合成电路，将产生的10kHz、30kHz等各个正弦信号，合成一个近似的三角波形； （3）设计制作一个能对各个正弦信号的幅度进行测量和数字显示的电路，测量误差不大于5； （4）其他。,信号波形合成实验电路,一、原理分析,周期性信号可以按照傅里叶级数的定义由三角函
3、数线性组合来表示:,其中，,根据傅里叶展开式可以得知，合成出周期性信号的关键在于两点： (1)各个谐波的幅值与展开式中的系数一致； (2)各个谐波保证同相。,1、方波的傅里叶级数分析,将方波进行傅里叶展开:,一、原理分析,2、三角波的傅里叶级数分析,将三角波信号进行傅里叶展开：,（注：负号表示相位相反）,一、原理分析,本题可分解为三个主要问题：,产生一个基频（本题目中为10kHz）的振荡信号；,分频获得各个谐波，并且将其调理到和傅里叶级数系数相一致的幅度，并且滤除杂波；,将各个谐波调整到相位相同，相加合成为方波或者三角波。,一、原理分析,一、原理分析,波形合成电路 系统方案,二、振荡信号产生,
4、振荡信号产生方式： CPLD或者FPGA产生并且分频 振荡电路 集成芯片如NE555等,三角波和矩形波 1、RC积分电路+比较器,RC2T,三角波和矩形波 1、RC积分电路+比较器,i,i,三角波和矩形波 1、RC积分电路+比较器,滞回比较器,三角波和矩形波 1、RC积分电路+比较器 555芯片,T=tW1+tW2 tW1=0.693（R1+R2）C tW2=0.693R2C,三角波和矩形波 1、RC积分电路+比较器 555芯片,占空比可调 充电 放电,频率也可调,=0， =1，为振荡电路,三角波和矩形波 1、RC积分电路+比较器 2、反馈型多谐振荡器,幅度条件：放大倍数=1，相位条件：相位相
5、同 注意以上条件可以在多次反馈中满足,反馈环节： 直接反馈，电容反馈，晶振反馈， 选频电路反馈,多谐振荡器,正弦波振荡,(1) 普通反相门构成多谐振荡器,2、反馈型多谐振荡器,反相门的相位关系和幅度关系： 相位：反相加时延 幅度：,74LS04 CD4069,在输入端和输出端之间接入一个反馈电阻RF，可使反相器工作在转折区。,(1) 普通反相门构成多谐振荡器,2、反馈型多谐振荡器,反相门的相位关系：反相加时延,环路基本原理： 偶数级反相：相移为360 奇数级反相：相移在两遍环路后为360,(1) 普通反相门构成多谐振荡器,2、反馈型多谐振荡器,对称型多谐振荡器,tw1= tw2=0.693RC
6、0.7RC T1.4RC,+,-,-,+,(1) 普通反相门构成多谐振荡器,2、反馈型多谐振荡器,非对称型多谐振荡器,(1) 普通反相门构成多谐振荡器,2、反馈型多谐振荡器,带RC电路的环形振荡器,tw10.94RC tw21.26RC T2.2RC,三级反相加上RC时延,(2) 石英晶体振荡器,2、反馈型多谐振荡器,将主要电路集成于芯片中,T2.2RTCT,32768Hz,2Hz,分频 1、触发器分频,74LS76/106 74LS74/CD4013,CP Q,T触发器,分频 1、触发器分频 2、常用计数器芯片分频,分频 1、触发器分频 2、常用计数器芯片分频,用CO或Qi 输出分频信号 改
7、变计数值从而改变分频值 （1）反馈置数和反馈清零 （2）级联,改变单个计数器的计数分频值,反馈置数 反馈置数（0） 反馈清零,级联,组合信号级联（059） 用使能端级联,反馈清零及级联 反馈置零及级联,级联,（一）分频 1、触发器分频 2、常用计数器芯片分频,分频 1、触发器分频 2、常用计数器芯片分频 3、脉冲计数分配器分频 4、可编程计数芯片,三、信号调理,本模块将分频获得的各个频率的谐波调整到合适的幅度并且 滤除杂波干扰，因此分成两个部分滤波与放大。,滤波部分： 集成滤波器芯片，如MAX274，MAX297； 普通有源滤波电路。,集成滤波器芯片以其出色的性能和方便调试的特点 在实际使用中
8、广受欢迎。,三、信号调理 滤波器设计,滤波的截止频率均为几十KHz，比较适合采用集成滤波芯片来实现。MAX297是一个性能出色的8阶椭圆开关电容集成滤波器，外围仅用一个电容设定截止频率。 由于开关电容滤波器输出信号时会有较多高次谐波，故在滤波输出增加2阶巴特沃斯低通滤波使输出信号变得平滑。,根据上述分析，滤波器电路如下图所示,三、信号调理 滤波器设计,按照表2中不同截止频率下的R1、R2、R3、C1、C2的值计算C3、C4、R4的值对应下表2,表2 滤波器参数表格,三、信号调理 滤波器设计,根据傅里叶级数中的系数可知各次谐波的幅度比例，从而确定各路信号的放大倍数。,三、信号调理 幅度调整,本电
9、路中信号为几十KHz，频率并不高，一般的运算放大器，如OPA227，OPA606等都可以满足要求。,四、移相与信号合成 移相网络,信号经过前级的滤波模块和放大模块之后，不同频率的信号产生相位差。为了保证各个谐波可以合成方波必须用移相网络把各次谐波的相位移为一致。如右图的T形电路是一个全通网络，可实现移相功能：,简单元器件移相,UO=UR,UC,Ui,四、移相与信号合成 移相网络,简单元器件移相,UO=UR,UC,Ui,实际上： 当电容及输入信号频率固定时，容抗XC也是固定的常数。 UC:UR= XC:R UC2+XC2=Ui2=常数 相位差接近0时，输出UR很小 相位差接近90 时，电阻R的阻
10、值应接近 一般可选R和XC在同一数量级 相位差的变化小于90 R=XC时，相位差为45,看起来R的改变可使相位在0到90 的范围内移动,故,其中，为输入信号频率， R、C为该相移网络固定电容和电阻取值。,分析T形网络的传输函数：,四、移相与信号合成 移相网络,（为相移）,电阻和电容需满足 时，,故选择适当的R、C元件参数，就可以极其方便地通过调节电位器电阻比 来实现连续移相。理论上，连续移动范围为-4545。,四、移相与信号合成 移相网络,根据理论分析知，T型移相网络可实现。然而电位器Ro对T型移相网络的阻抗有较大的影响，导致T型网络不对称，会减小的取值范围，所以用射随隔开，如下图所示,四、移相与信号合成 移相网络,四、移相与信号合成 信号合成,四、移相与信号合成 信号合成,四、移相与信号合成 信号合成,在前面的各个模块中，各个谐波已经调整到合适幅度、相同相位，接下来需要的就是将各路信号相加。需要注意的是，三角波的5次谐波的傅里叶级数系数为负值，这里表示相位相反，实际实现中，用反相加法器即可,反相加法器,同相加法器,五、波形合成效果,合成后实际波形照片与理论波形比较,信号波形合成实验电路,谢谢！,
