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1、信号波形合成实验电路小组成员：李于飞、耿红鹏、赵珑摘要： 本设计通过产生不同频率和幅值的正弦信号，并将这些信号合成为近似的方波和三角波，构成了信号波形合成实验电路。本系统主要由8个部分构成：由NE555构成的方波振荡电路；主要由集成计数器74LS90和作为D触发器的CD4013构成的分频电路；使用LM318构成的窄带通滤波电路；由双运放LM318构成的移相电路；加法器合成电路；三角波合成电路；使用AD637构成的真有效值检测电路；MSP430F149单片机控制液晶显示电路。在本设计中，方波振荡电路可产生300KHZ频率的方波，经过分频电路和隔直电容以后成为双极性方波。再经过滤波和放大以后得到了
2、所需的各次谐波，其经过移相电路之后初相位相同，即可通过加法器合成为近似的方波和三角波。各次谐波有效值可检测并由单片机控制对幅度进行显示。系统工作稳定，基本达到了题目的所有要求。关键字：方波振荡电路；分频；移相；真有效值；信号合成。 目录一、系统方案1.1方波发生电路方案.1.2 分频电路设计方案.1.3 滤波电路设计方案1.4移相电路设计方案.1.5 信号合成电路设计方案.1.6 信号检测和显示方案2、 理论分析与计算 2.1 系统原理框图 2.2 方波信号的合成与分解. 2.3 三角波信号合成. 2.4 反相加法电路 . .三、总体方案的设计与实现. 3.1 555振荡电路原理分析与计算.
3、3.2 分频电路. 3.3 方波三角波变换电路. 3.4三角波正弦波变换电路. 3.5移相电路. 3.6比例运算和合成电路. 3.7 AD转换和液晶显示.4、 实验测试及测试结果分析 4.1 测试仪器. 4.2 整机标准 . 4.3 合成电路结果. 4.4 测试结果和分析.5、 总结一 系统方案1.1 方波发生电路方案 方案一：采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，然后根据需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，相位也不一致，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。 方案二：采用555振荡电路或函数信号发生
4、器ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。波形的频率可以通过调节555定时器电路的外接滑动变阻器来进行调节。该电路具有成本低廉，频率可调，电路灵活方便，结构简单，低功耗，输入阻抗高，上升沿陡等的特点，不用依靠单片机。根据题意，本系统需要一个300kHz的方波，所以选择方案二，可满足要求。 方案三：由UA741集成运算放大器构成的方波信号发生器具有结构简单,调试方便，但它产生方波信号的可靠性差，易失真，稳定性差。1.2 分频电路设计方案 方案一：利用数字电路设计分频电路。通过计数器计数来实现，由待分频的时钟边沿触发集成计数器计数，当计数器到规定值时，输
5、出时钟进行翻转，并给计数器一个复位信号，使得下一个时钟从零开始计数。以此循环下去。这种方法可以实现任意的整数分频电路，根据题意，选择方案一作为系统的分频方案。 方案二：使用编程方法实现分频电路。其原理与利用集成计数器相同，实现起来也十分简单，但分频得到的时钟可能会出现毛刺或不稳定的因素，适用于时钟要求不高的基本设计，且对于整数分频可以很容易地用计数器来实现，故不采用此方案。1.3 滤波电路设计方案 由分频电路产生的单极性方波需要经过窄带通滤波电路形成正弦波。其带通的范围很窄，要与各次谐波的频率接近。方案一：使用由LC网络组成的无源高阶巴特沃斯滤波器。其通带内相应最为平坦，衰减特性和相位特性都很
6、好，对器件的要求也不高。但其在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点。方案二：采用实时DSP数字滤波技术，数字信号灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效的滤波，但要进行滤波，需要A/D、D/A既有较高的转换速率，处理器具有较高的运算速度，成本高。方案三：以集成运放LM318为核心的有源滤波电路，结构简单，所需元件少，成本低，且电路输入阻抗高、输出阻抗低，并有专门的设计软件。所以根据实际情况，选择方案三作为系统的滤波方案。用集成运放LM318和RC网络组成的二阶有源滤波电路器的滤波效果更好，幅频相应更接近理想特性，此外，它还具有一定的增益。故选此方案。1.4 移相电路设计方
7、案 方案一：利用RC移相电路。RC移相电路主要是由电容的电流超前电压90度这一特性。RC滞后移相电路是电阻在前面，电容在后面。输入信号从电阻进入，输出信号是从电容上输出，其与电容并联，电压相等，所以输出电路的电压也滞后电流。同理，RC超前移相电路是电容器在前面，电阻在后面。可通过改变RC的值来改变移相的度数，相移在090之间变化。使用RC移相电路输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等。方案二：使用双运放LM318做移相电路。此电路主要也运用了电容的电流超前电压90度这一特性。但其不是单纯的无源电路而是结合了集成运放的有源电路，其体积小、性能稳
8、定，输入阻抗高，输出阻抗低，由它组成的移相电路具有电路简单、工作可靠、成本低、波形好、适应性强，而且可以提供180的相移。还兼有放大和缓冲的作用，故选此方案。方案三：使用数字移相技术实现。主要分为两类：一类为是运用直接数字式频率合成技术DDS；一类是利用单片机计数延时的方法实现；一类是先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。DDS技术的实现电路较为复杂；以DA转换方式实现的移相，虽然所用元件少，但输出信号的频率难以细调，特别是移相的最小单位太大，只适合于对频率要求不高，且移相角度固定的场合；以延时输出方波的方式实现的移相，输出信号的频率以参考信号的频率为准，而参考信号的频率则可以
9、精确给定，可用于对频率要求高，且需无级移相的场合，但其硬件电路比较复杂。 1.5 信号合成电路设计方案 方波信号经过波形变换和移相后，其输出幅度将有不同程度的衰减，合成前需要将各成分的信号幅度调整到规定比例，才能合成为新的合成信号。本课题采用反向比利运算电路实现幅度调整，采用反向加法运算实现信号合成。 1.6 信号检测和显示方案 信号检测和显示部分采用MSP430单片机，由于信号最高频率50KHz，采用有效值检测芯片AD637配合高频检波二极管和周围阻容元件制作一个平均值检测电路，送单片机的12位AD转换并换算，得到其幅值，送显示器LCD12864控制显示2 理论分析与计算2.1 系统原理框图
10、信号源300KHZ15分频5分频3分频电容隔离带通滤波，信号放大同相加法器2分频2分频2分频单片机显示 300KHZ 10KHZ、30KHZ、50KHZ 方波 电路 合成 +5V 图2-1 系统原理框图 三角波 -5V2.2 方波信号的分解与合成 周期信号是由一个或几个、乃至无穷多个不同频率的谐波叠加而成的，因此周期信号可以分解成多个乃至无穷多个谐波信号。方波信号的傅里叶分解函数： (2-1)在理想情况下，方波的偶次谐波应该无输出信号，始终为零电平，奇次谐波中的一、三、五次谐波的幅度比为1：（1/3）:（1/5）。信号源输出300KHz的方波信号经过分频滤波电路后可以得到10KHz、30KHz、50KHz的方波，其计算公式表示如下： (2-2)频率为10KHz的正弦波信号的峰峰值为6V；、频率为30KHz的正弦波信号的峰峰值为2V；频率为50KHz的正弦波信号的峰峰值为1.2V。图2所示分别为1、3、5次谐波的分解与合成图。各次谐波合成方波的幅值为5V。 图2.1 1、3、5次谐波的分解与合成2.3三角波信号的合成三角波信号的傅里叶变换公式如下：
