2022年队信号波形合成设计方案 .pdf

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1、个人资料整理仅限学习使用信号波形合成设计报告设计摘要本系统主要以TI 芯片为核心，组成了由方波发生及分频电路，方波转换电路，低通滤波器，移相电路，增益调节器，方波和三角波合成电路等信号波形合成实验电路。系统基本工作过程为：方波发生并分频后，使用压控电压源有源二阶低通滤波电路提取相应频率方波的基波，并经过幅值和相位调整、加直流偏置后重新叠加生成方波和三角波，用电路测量正弦信号幅值。同时用MSP430F5438测量正弦信号幅值，并由液晶显示结果。关键词：方波产生分频滤波移相信号合成峰峰值检测 MSP430F5438 一、设计方框图电路示意图图 1 二、设计思路本电路实现了基于多个正弦波合成方波与三

2、角波等非正弦周期信号的电路。1、使用 555定时器构成多谐振荡器产生300KHz 的方波信号；2、以二进制同步计数器同步清零） 74LS163 以及 D 触发器CD4013 分频实现10KHz、30kHz、50kHz 占空比为 50%的方波信号；3、使用压控电压源有源二阶低通滤波电路从方波信号中获得其正弦基波分量；4、采用 RC 移相电路调节输出正弦波信号的相位，采用比例放大电路调节正弦波的幅值，再利用加法器合成近似正弦波和三角波；6、使用二极管峰值包络检波电路获得正弦信号的幅度；7、以 MSP430 对正弦信号进行采样，并且采用点阵液晶实时显示测量信号的幅度值。三、单元电路设计及方案对比1、

3、方波产生电路方案一：采用比较器在低频范围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300kHz 方波，若用该方案则会出现后沿失真的矩形波，所以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，且利于分频，因此选择此方案。2、分频电路因为选择555 集成芯片，所以用数字分频方案，从较高频率的方波或矩形波中通精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用

4、过分频获得所需频率方波并进行变换获得正弦波。3、滤波电路方案一：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使用放大器实现滤波功能。能够滤除谐波，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 TL074 进行滤波单元的设计。4、移相方案分析在方波正弦波转换中，难免会产生附加相移，通过移相来抵消附加相依，以便信号合成时重新实现同步。根据微分电路实现相位超前、积分电路实现相位滞后的理论，因此，采用

5、微伏和积分来实现移相。5、信号合成方案分析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。6、信号检测和显示方案分析信号检测和显示部分采用MSP430 单片机，采用高速运放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AD 转换并换算，得到幅值，并显示。四、单元电路参数计算1、方波产生及分频电路方波发生电路采用 555 参数WRR22）与 C1 决定了充放电的速率，设总的充放电周期为 T，由此可得： T=0.6993WRR22）

6、C1 选择 RW 电位器为 5K，配合 1K的电阻，调节电位器改变振荡频率。分频方法采用计数器进行分频，原始方波为300kHz,分别经过30 分频、 10 分频，6 分频，得到占空比50%的方波。只用计数器74LS163 分出的方波需利用同步清零功能，当输出为0010时，通过与非门同步清零，输出3 分频的方波。再通过D 触发器 2 分频同时调节方波占空比50%。这样就是6 分频后，即得到 50kHz 的方波。其余类推。图 2 方波产生电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用图 3 分频电路2、低

7、通滤波器电路由 FFT 分解可知，方波可分解为一系列奇数的谐波组成。具体公式为：)7sin715sin513sin31(sin4)(tttthtf =1)12sin()121(4ntnnh其中 1，3，5 次谐波是方波的主要成分，3 次谐波是 1 次谐波的 3 倍频程， 5 次谐波为基波的5 倍频程，因此要提取基波而将3，5 次谐波有效滤除，这需要低通滤波器有足够的衰减速度，采用压控电压源有源二阶低通滤波电路z10kHkRkRc120331，z30kHkRkRc47101，z50kHkRkRc278. 61，低通滤波器电路图 4 3、移相电路为了将产生的10kHz 和 30kHz 正弦波信号，

8、作为基波和3 次谐波，合成一个近似方波，就需要一个移相电路，下图所示的电路即可实现波形相位的左移和右移。相位偏移计算公式 :wCR1arctan,由于波形相位差不大，因此设置正负偏移相位为45 度。RC 参数如下： 10kHz：R=1.5k? C=0.01uF30kHz：R=510? C=0.01uF 50kHz：R=300? C=0.01uF 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用 30kHz 的移相电路图 5 4、调幅调直流量电路通过调幅调直流量电路使10kHz，30kHz，50kHz 正弦波

9、信号变成双极性，同时调节正弦波幅值使得10kHz，30kHz，50kHz 正弦波信号的幅值分别为VVV2 .1 ,3 ,6。调幅调直流量电路图 65、波形合成电路由 傅 立 叶 级 数 对 方 波 予 以 分 解 可 得.)sin1.3sin31(sin4)(tnnttnAtf同样由傅立叶级数对三角波予以分解可得) 1(1sin1.5sin513sin31(sin4)(2222tnntnntttnAtf正弦波合成前通过反向比例放大电路调节正弦波的幅值： 10kHz:30kHz:50kHz=15:5:3。三角波合成前通过反向比例放大电路调节正弦波的幅值： 10kHz:30kHz:50kHz=1:

10、1/9:1/25；波形合成电路图 71）并且 30kHz 的正弦波和10kHz、50kHz 相位相差90度。根据题意， 10kHz、30kHz 的峰峰值为 6V 和 2V。反相求和运算电路：)(507830681058iiioVRRVRRVRRV三角波合成电路图 72） 6、峰峰值检测电路峰峰值检测电路图 8 五、测试方案及步骤 1、方波振荡器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用利用直流稳压电源提供 +5V 电压，供 555 定时器工作，将555 多谐振荡器的输出接示波器探头，通过示波器观察输出

11、方波，调节电位器直至输出方波频率为300kHz，并保存输出波形。 2、分频电路利用函数信号发生器模拟输出300kHz 的方波，送入分频电路的输入端，并设置1110ABCDQQQQ，示波器探头接输出端，观察示波器输出是否为10kHz 的方波，并保存波形，用类似方法分频出30kHz 和 50kHz方波。3、滤波电路利用函数信号发生器模拟输出10kHz 的方波，送入滤波电路的输入端，示波器探头接输出端，观察示波器输出是否为10kHz 的正弦波，并保存波形，用类似方法对30kHz 和 50kHz 方波进行滤波。4、移相电路利用函数信号发生器模拟输出10kHz 正弦波，送入移相电路的输入端，利用双踪示波

12、器测试输入输出波形，调节电位器，观察波形的相位变化，并保存波形。5、波形合成电路利用函数信号发生器模拟输出10kHz 和 30kHz 的正弦波，并调节幅度比为10kHz:30kHz=3:1，同时接入合成电路的输入端，输出接示波器探头，观察示波器输出波形是否为近似方波，并保存波形。合成三角波电路同理。六、测试结果记录与分析 1、方波振荡器测试波形：测试数据：表 1 方波振荡器的测试数据理论值实测值误差频率300KHz 302.1kHz 0.7% 误差分析：参数的计算选择误差 2、分频电路测试波形：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页

13、，共 8 页个人资料整理仅限学习使用测试数：表 2 分频电路的测试数据理论值实测值误差 10kHz 10.0587kHz 0.587% 30kHz 30.221kHz 0.737% 50kHz 50.5381kHz 1,0762% 3、滤波电路测试波形：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用测试数据：误差分析：数模间信号耦合的影响；滤波参数计算的误差五、移相电路略六、放大电路及合成电路测试数据：表 5 方波放大电路的测试数据七、附录附录一、测试用仪器表见表 7.1 表 7.1 测试用仪器一览表序号

14、名称规格 / 型号数量1 数字式万用表UT802 1 2 直流稳压电源YB1732A 2 3 示波器F120 1 附录二、元器件清单见表 7.2 表 7.2 元器件清单表精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 8 页个人资料整理仅限学习使用序号名称规格 / 型号数量序号名称规格 / 型号数量1 电容102 7 14 集成芯片TL082 1 2 电容103 3 15 集成芯片74LS163 3 3 电容104 5 16 集成芯片555 1 4 电容332 2 17 集成芯片74LS00 1 5 电容472 2 18 二极管IN40

15、48 2 6 电位器202 1 19 三极管9014 1 7 电位器203 1 20 场效应管3DJ6D 1 8 电位器503 1 21 电感2 9 电位器103 2 22 DIP 8 管脚11 10 电位器104 3 23 DIP 14 管脚5 11 集成芯片TL074 1 24 DIP 16 管脚3 12 集成芯片TL072 10 25 电路板环氧板若干13 集成芯片CD4013 2 26 八、参考文献1、华中科技大学电子技术课程组编，康华光主编 .电子技术基础模拟部分 .第五版 .高等教育出版社， 2002 2、华中科技大学电子技术课程组编，康华光主编 .电子技术基础数字部分 .第五版 .高等教育出版社， 20023、TL072 Datasheet, Texas Instruments, 2008 4、TL082 Datasheet, Texas Instruments, 2008 5、TL074 Datasheet, Texas Instruments, 2008 6、MSP430F543XA， Datasheet, Texas Instruments, 2018 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 8 页