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1、 信号波形合成实验电路摘 要：本设计由六个模块构成：方波信号产生模块，正弦信号产生模块（滤波模块），幅度调节模块，波形叠加模块，以及正弦波幅值测量。利用晶振和CD4060产生方波，以提高信号的频率稳定度，采用74LS161构成分频电路得到所需要的信号频率。使用Filter Solution软件设置RC参数实现具有较好截止特性的低通滤波器对方波进行滤波，以得到所需正弦信号，幅度、相位调节后用运算法放大器构成加法电路实现正弦信号的合成，采用减法电路实现三角波。采用MSP430单片机控制TLV1544实现了电压测量功能。关键词：信号合成，滤波，TLC085,MSP430Abstract： This
2、design consists of six blocks: pulse signal generated module, sine signal generated module (filter module), amplitude adjustment module, waveform modules,and the sine wave amplitude measurement modules. Use crystals and CD4060 produce square, in order to improve the signal frequency stability, using
3、 74LS161 constitute frequency circuit receive required signal frequency. Using the software configuration separate RC parameters have good by the characteristics of wavelet to other low-pass Filter to get Filter for sinusoidal, amplitude, phase adjusting method of operation amplifier comprise by add
4、ition of sine signal circuit implementation, using subtraction circuit realized triangle. Using MSP430 MCU control TLV1544 realized voltage measurement functions.Keywords：signal synthesis, filtering,TLC085,MSP430目 录1.方案设计与论证11.1 方波振荡器单元方案设计11.2 分频器单元方案设计21.3 滤波单元方案设计21.4 移相单元方案设计21.5 加法器单元设计31.6 正弦波
5、幅度测量模块32.电路设计32.1 方波振荡电路32.2 分频器电路42.3 滤波单元电路设计42.4 调相单元电路52.5 加法器单元电路52.6减法器单元电路52.6 正弦波幅度测量模块电路63.系统测试63.1 测试仪器63.2 测试方法63.3 测试数据83.4 误差分析94. 设计总结95.参考文献991.方案设计与论证分析题目要求可以将电路分成几个模块，振荡电路产生所需要的方波后经分频滤波产生正弦信号，调相将10kHz方波的各次谐波对准并调节它们幅度，利用加法器进行叠加得到一个方波信号。这原理可以利用傅里叶级数分析得到。设计者认为难点在于采用各种频率方波的产生和滤波器设计。根据题目
6、基本要求系统方案如图1所示：方波图1 系统组成框图1.1 方波振荡器单元方案设计竞赛任务中需要产生10kHz、30kHz和50kHz的正弦波信号，为了方便后续分频设计，设定方波振荡电路输出频率为750kHz，设计过程中我们比较了如下几种方案：方案一：采用比较器在低频范围内（10Hz-10kHz）内，对于固定振荡频率来说，该方法是一种实现简单、效果理想的方波振荡器。而本设计中需要方波振荡电路产生150kHz方波，若采用该方案则会出现后沿失真的矩形波，故本设计不采用该方波振荡电路。方案二：采用NE555集成芯片用NE555集成芯片外接电阻电容产生方波信号，能够满足设计的频率需要，但在大赛期间实际搭
7、建时产生的波形有失真,产生的方波信号易受干扰，信号波形不稳定毛刺较多不利于分频，因此舍弃此方案。方案三：锁相环CD4046CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，具有电源电压范围宽（为3V18V），输入阻抗高(约100M)，动态功耗小的特点。产生的方波信号频率满足设计需要，并且波形理想。故本设计采用该方法实现方波振荡电路。1.2 分频器单元方案设计在该部分电路设计时，设计者考虑了几个问题：首先，信号波形要纯净方便，频率成份清楚；其次，就是信号输出的占空比最好是50%，考虑了如下几种方法：方案一：FPGA/CPLD可编程逻辑器件在FPGA/CPLD上使用 VHDL 进行分频器设计，可以实现任
8、意分频，且信号稳定性好，考虑到与模拟设计大赛主题，没有采用该方法。方案二：脉冲计数分频采用计数器电路可方便有效地实现分频功能。在功能上能够满足需要且电路简单，因此决定采用计数器74HC161等芯片实现分频功能，但若要实现50%的占空比则电路相对较为复杂。1.3 滤波单元方案设计滤波单元电路完成的功能是将分频后的方波信号转化成相应频率的无失真的正弦信号。要充分考虑滤波器过渡带、衰减带特性。方案一：无源滤波RC无源滤波器具有电路简单，抗干扰性强，较好的低频性能，但是RC参数计算较为困难，在滤波特性上与有源滤波相比有一定差距。方案二：有源滤波器有源滤波电路是指使用放大器实现滤波功能。有源滤波能够滤除
9、谐波，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95以上，补偿无功细致。并且考虑到竞赛的要求，选用了TI公司的LM358进行滤波单元的设计。1.4 移相单元方案设计通过对方波信号频谱的分析以及MATLAB仿真可知，6V、10kHz的正弦波信号和2V、30kHz的正弦波信号在相位一致时，能够合成所需要的波形信号。由于前端对两路信号进行了滤波，造成了相位偏移，故需通过移相电路使得两路信号相位一致。本设计采用电路简单的RC电路，设定合适的电容和变阻值,能够满足设计需要。1.5 加法器单元设计该单元是将调相后的两路信号进行叠加，得到需要的波形信号。按照竞赛要求选择TI公司的TLC
10、085进行加法器的设计。1.6 正弦波幅度测量模块该题目唯一可以使用的微处理器模块在此，采用TI MSP430超低功耗单片机，控制外部AD器件实现对信号采集和测量。2.电路设计本次竞赛中C题的任务是设计制作一个电路，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。通过对方波信号的频谱进行分析：其中的可以看出方波信号可由相位相同的10kHz、30kHz、5010kHz等奇次正弦信号叠加而成。基于此原理进行电路设计。2.1 方波振荡电路采用12M晶振，管脚10，11接电容后接地，Q4端输出，经16分频后生成750K方波，频率稳定，波形良好。图 2 方波振荡电路2.2 分频器
11、电路 采用计数器74HC161和74HC160分别设计四个分频电路，首先将750kHz方波进行分频得到150kHz，然后将150kHz方波信号分频得到10kHz、30kHz和50kHz的方波信号，如图3所示为其中的3分频电路。图3 3分频器电路 2.3 滤波单元电路设计根据正弦波具有奇次谐波特性，在设计时候特别需要考虑在10kHz滤波器设计时候的截止特性。利用LM358构成的有源滤波器，其自身就是谐波源。依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。使用Filter Solution滤波器设计软件对硬件参数进行设定
12、，如图4所示为4阶Butterworth滤波器。图4 10KHz滤波电路图2.4 调相单元电路图5 调相电路2.5 加法器单元电路采用TLC085设计的加法器电路，其中电阻值根据虚短和虚断原理设定如图6所示。图6 加法器电路2.6减法器单元电路三角波频率分析后，发现采用10kHz与30kHz幅度比为9：1的信号想减即可达到近似三角波。图7 减法电路2.7 正弦波幅度测量模块电路采用A/D转换芯片来测量正弦波的幅值。电路中由于MSP430使用的是3.3V供电可以测得的幅度范围比较小，因此采用了TI公司提供的A/D芯片TLV1544，通过使用单片机的4个I/O端口跟1544进行串行通信。从而实现幅
13、度的测量和显示。3.系统测试在设计过程中存在许多信号兼容性的问题，比如单、双电源供电芯片的输入、输出信号需要解决直流偏置问题；这就要对信号进行测试分析，从而进行电路的设计和修改。在系统构建时候需要对每个单元电路分别测试，成功则才能进行组装、调试。记录各个波形相位、幅度等。3.1 测试仪器VC890D万用表；EE1411合成函数信号发生器； TDS3032B示波器。3.2 测试方法焊接电路前，采用TI仿真软件以及其它各种仿真软件对电路进行仿真，观察输入输出信号形状，修改电路参数焊接和制作并测试数据与仿真数据进行比对，再设计、修改和完善电路及参数。部分仿真图形l 分频波形仿真图8 150kHz分频
14、得到50kHz波形仿真图l 10kHz滤波器幅频特性图9 低通滤波器幅频特性l 调相电路输出波形仿真图图10 调相输出波形仿真图l 加法电路输出波形仿真图图11 调相加法器输出波形仿真图3.3 测试数据l 分频后10kHz方波波形l 30kHz滤波后正弦波形l 叠加后波形3.4 误差分析得到的30kHz正弦波信号上下对称性不理想，经分析该误差应由滤波电路实际频响特性和分频后产生的30kHz的方波波形的占空比不是严格的1：1。A/D测量的精度不高，程序设计仍需改进，可以考虑增加求和取平均值的方法提高测量结果的准确性。4. 设计总结首先，此次电子竞赛使我们增长了见识，熟悉了许多功能强大的模拟芯片和
15、各种集成电路，以便于将来运用能够得心应手，也了解了许多先进的处理技术与高级的开发平台。竞赛使我们对本专业的研究领域产生了浓厚的兴趣，将动手制作一件成功且实用的科技作品视为莫大的骄傲，更是对自己能力的肯定；另一方面，竞赛培养了我们小组中三人的团队协作、互帮互助与默契精神。在电子竞赛中，我们收获了患难与共的珍贵友谊。短短的两个月的培训与竞赛生活给我们的感受要比大学三年的生活更丰富多彩。5.参考文献1 德州仪器高性能模拟产品手册.2 王晋, 朱练军, 刘洋, 曹清刚.微功耗单片机的水声数字通信系统设计J.舰船科学技术, 2009,(10).3 李雪. 基于MATLAB的FIR数字滤波器的研究J.科技信息,20
