2022年6队信号波形合成设计报告.docx

精品学习资源信号波形合成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 TL082 电路构成基准的 300KHz 的方波振荡信号，以 74LS163、CD4013 实现前置分频形成 10KHz 、30kHz、50kHz 的方波信号，利用有源低通滤波器获得其正弦基波重量，以 TL072 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剂；使用峰值检测电路获得正弦信号的幅度，以MSP430F5438 作为微掌握器对正弦信号进行采样，并且采纳点阵液晶实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 MSP430F5438一、方案论证1、系统分析和整体设计依据题目要求，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 ，如使用偶数分频，就应产生 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；用放大电路补偿分频滤波过程中的衰减，并将幅度调剂至合成所需的比例关系；由傅里叶变换可以证明方波可表示为：三角波可表示为：所以频率为 10KHZ 、30KHZ 、50KHZ 、70KHZ 对应幅值比为的正弦波 可 合 成 方 波 ， 频 率 为 10KHZ 、 30KHZ 、 50KHZ 、 70kHZ 对 应 幅 值 为的正弦波可合成三角波；同时，各重量对应的相位关系也由三角函数的形式及前面的符号所打算；因此，仍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；图 1.1 系统方框图2、单元电路方案设计、比较与论证：欢迎下载精品学习资源2.1 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，对频率精确度和稳固度的要求较高；方案一： 555 定时器组成的多谐振荡器，直接调剂至300KHz 左右的对称方波；此方案成本低廉，实现便利，但其稳固性受到外部元件的影响，在振荡频率较高时频率稳固度不够；方案二：使用运算放大器非线性产生，该电路结构简洁，性能稳固，主要的限制因素在于比较器的速度；结合适当的RC 参数，可以达到 300KHZ 的振荡频率；因此；本系统采纳方案二，此电路结构简洁，产生的方波稳固性较好；2.2 分频电路设计方案方案一：用锁相方法进行分频或倍频产生所需频率；方案二：用数字分频方案，从较高频率的方波或矩形波中通过分频获得所需频率方波；本课题采纳方案二；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；直接采纳 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；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意信号合成的需要；方案一：采纳无源 RC 移相网络；该方案电路简洁，可以实现移相的目的，但是通过相移网络后信号有衰减，而且在调剂相移的同时，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；方案二：采纳有源 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，相位可调的成效；因此，本系统中采纳方案二进行移相电路的设计；2.5 信号合成设计方案方波信号经过分频、滤波后，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，合成为新的合成信号；本课题采纳反向比利运算电路实现幅度调整，采纳反向加法运算实现信号合成；二、参数分析及运算1、方波振荡电路方波振荡电路如图 2.1 所示：图中， R1 和 R2 用于转变滞回系数， <R3+R4）与欢迎下载精品学习资源C1 打算了充放电的速率，充电周期为T1，放电周期为 T2，且这里的 T1=T2，设总的充放电周期为 T，由此可得：T1=T2=<R3+R4 ）× C1 × Ln<1+2R1/R2 ）T=T1+T2 ； T=2T1 ； T=2 × <R3+R4 ） × C1 ×Ln<1+2R1/R2 ）由于 R1=R2 ； 所以 T=2 × <R3+R4 ） × C1 ×Ln<1+2R1/R2 ） =2.2 ×<R3+R4 ）× C1如 所 选 频 率f=300KHz=300000Hz， 并 且6欢迎下载精品学习资源C1=1000P ，就 T=1/f =1/300000Hz<S ） =3.333333 × 10610<R3+R4 ）图 2.1 方波振荡电路<S）； 就 2.2× <R3+R4 ）× C1=3.333333 ×欢迎下载精品学习资源=<3.333333 × 106） /<2.2×1000 × 10 12） =1500< ） =1.5<K ）； 挑选 R4 电位器为 2K ，配合 330 的电阻，调剂电位器转变振荡频率；2、分频电路采纳十六进制计数器 74LS163 协作 D 触发器 CD4013 实现分频为上述 3 个频率的方波，对于 CD4013，所起的作用是将由 74LS163 分频后非 50%占空比调剂为 50%；设计电路见图 2.2 所示：方波经由三个 74LS163 分别进行 15 分频， 5 分频， 3 分频，得到 20KHZ ，60KHZ ， 100KHZ 方波，再经过4013 二分频并整形，最终得到10KHZ ， 30KHZ ，50KHZ 的方波；图 2.2 分频电路3、滤波电路依据前述方案设计，采纳运放TL072 搭建二阶巴特沃思有源低通滤波电路，如图2.3 所示；当 R5=R6=R， C1=C2=C 时， 其 3dB 截止频率为，其中等效欢迎下载精品学习资源品质因数 Q 为 0.707，算出 R7 和 R8 的电阻关系；经过该运算公式运算R5， R6 的阻值，获得 10KHz 、30KHz 和 50KHz 的正弦波； 图 2.3 二阶低通滤波电路R5=R5=1.2K，C1=C2=10nF，得到 10KHZ 正弦波R5=R5=5.6K，C1=C2=1nF，得到 30KHZ 正弦波R5=R5=3K，C1=C2=1nF，得到 50KHZ 正弦波4、移相电路移相电路如图2.4 所示, 转变下图电位器阻值可以转变相位，实现 超前或滞后；运算公式为： =arctan1/2 fRC> ， 1/wc=R ；在实际电路中，以10KHZ 正弦波为基准，调整 30KHZ,50KHZ的相位；运算得：30KHZ 移相电路中 R1=R2= 1.2k，C1=C2=4.7nF50KHZ 移相电路中 R1=R2=1K,C1=C2=3.3nF图 2.4 移相电路5、信号放大和信号合成电路1>方波：由傅立叶级数对方波予以分解可得：各级谐波的系数比为；合成方波时，据题意，10KHZ 正弦波的峰峰值为 6V，30KHZ 正弦波的峰峰值为 2V， 50KHZ 正弦波的峰峰值应为 1.2V；图 2.5 信号放大和合成电路另外，这些谐波要求初相位相同，由式可知，初相位均为零；各自所需幅值可通过调剂三个放大器的放大量获得，初相可通过上一节对相位调剂电路的调剂来获得；电路如图 2.5 所示：<2）三角波：同样由傅立叶级数对方波予以分解可得：前三级各级谐波的系数比为；欢迎下载精品学习资源图 2.6 峰值检测电路6、峰值检测电路 峰值检测电路如图 2.6 三、测试方案及步骤1、测试步骤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；调剂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，用示波器观看输出的10KHZ 、30KHz 和 50KHZ 方波的波形和频率；4>滤波器测试；观看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；5>移相测试；使用多通道示波器同时观看各路正弦波，调剂移相器，使波形相位关系基本满意叠加要求；6>放大器测试；调剂放大器增益，使正弦波幅度达到题目要求的值；7>加法器测试；观看叠加后的波形，看是否达到题目要求；如波形有稍微失真，调剂移相器进行微调； 8）幅度测量和数字显示测试；观看单片机液晶模块显示的各正弦波幅值数据，并与示波器观测值相比较；四、测试结果记录1、方波振荡电路方波振荡电路输出波形如图 1 所示；方波振荡电路测试数据如表 4.1 所示；表 4.1频率理论值实际值误差300KHZ300.24KHZ0 08%欢迎下载精品学习资源图 1 方波振荡波形图 2a> 分频 10khz图 2b> 分频 30khz图 2c>分频 50khz2、分频电路测试波形如图 2a> ，<b） ,<c ）所示；测试数据如表 4.2 所示；表 4.2频率理论值频率实际值误差10KHZ10.0078KHZ0.078%30KHZ30.0254KHZ0.085%50KHZ50.0313KHZ0.063%3、滤波电路测试波形如图3a>,b>,c>所示；图 3<a）10khz图 3<b） 30khz图 3<c ） 50khz4、移相电路略；5、放大电路放大电路测试数据表 4.5 所示；表 4.5峰峰值理论值实际值误差10KHZ6V6.0238V0.4%欢迎下载精品学习资源峰峰值理论值实际值误差基波+三次谐波5V5.44V8.8%基波+三次谐波 +五次谐波5V5.02V0.4%30KHZ50KHZ6、合成电路2V1.2V2.0043V1.2021V0.22%0 11%基波和三次谐波合成方波电路波形如图6<a）所示；加入五次谐波后的方波波形如6<b）所示；合成三角波波形如图 6<c）所示；合成测试数据如表 4.6 所示；表 4.6图 6<a ）图 6<b）图 6<c）五、测试结果分析测试误差见表4.1,4.2,4.5,4.6所示；误差很小，主要来自于滤波电路，电路中采纳二阶滤波，滤过后的波形有少许毛刺；另外，布线、排版不够合理也导致了有误差；六、设计总结1、在焊接硬件电路时，模拟电路与数字电路的处理很关键，模拟地与数字地间要连电感；如模拟电路与数字电路之间共电源，就电源也要处理；2、方波振荡电路挑选了模拟电路，而与之直接相连的分频电路是数字电路，且共电源，分频电路之后的电路又是模拟电路，处理起来比较繁琐；另外方波振荡电路产生的方波是双极性的，仍需变成单极性的才能输入分频电路；改用555 比较便利；3、在设计过程中，部分电路先采纳原理仿真，搭面包板，使得设计更加牢靠；4、波形合成的关键是移相电路，确保移相电路的精确度；七、附录附录一、测试用仪器表见表 7.1表 7.1 测试用仪器一览表欢迎下载精品学习资源序号名称规格 / 型号数量1数字式万用表UT80212直流稳压电源YB1732A23示波器F1201附录二、元器件清单见表 7.2表7.2 元器件清单表序号名称规格 / 型数量序号名称规格 / 型号数量号1电容102714集成芯片TL08212电容103315集成芯片74LS16333电容104516集成芯片74LS2014电容332217集成芯片74LS0015电容472218二极管IN404826电位器202119三极管901417电位器203120场效应管3DJ6D18电位器503121电感29电位器103222DIP8 管脚1110电位器104323DIP14 管脚511集成芯片TL074124DIP16 管脚312集成芯片TL0721025电路板环氧板如干13集成芯片CD4013226八、参考文献1、华中科技高校电子技术课程组编，康华光主编 . 电子技术基础模拟部分. 第五版 .高等训练出版社， 20022、华中科技高校电子技术课程组编，康华光主编 . 电子技术基础数字部分. 第五版 .高等训练出版社， 2002欢迎下载精品学习资源3、TL072 Datasheet, Texas Instruments, 2021 4、TL082 Datasheet, Texas Instruments, 2021 5、TL074 Datasheet, Texas Instruments, 20216、MSP430F543XA， Datasheet, Texas Instruments, 2021欢迎下载