2022年队信号波形合成设计方案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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,增益调剂器,方波和三角波合成电路等信号波形合 成试验电路；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 幅值,并由液晶显示结果；MSP430F5438测量正弦信号关键词 ：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

2、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重量；4、采纳 RC 移相电路调剂输出正弦波信号的相位,采纳比例放大电路调剂正弦波 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

3、采纳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、方波产生电路 方案一：采纳比较器在低频范畴10Hz-10kHz）内,对于固定振荡频率来说,该方法是一种实现简洁、成效抱负的方波振荡器；而本设计中需要方波振荡电路产生 300kHz 方波,如用该方案就会显现后沿失真的矩形波,所以不采纳该方波振荡电路；方案二：采纳 NE555 集成芯片用 NE555 集成芯片外接电阻电容产生方波信号,能 够满意设计的频率需要,且利于分频,因此挑选此方案；名师归纳总结 2、分频电路第 1 页,共 8 页由于挑选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- - - - - -

4、 -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用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洁,抗干扰性强,较好的低频性能,但是 RC 参数运算较为困难,在滤波特性上与有源滤波相比有肯定差距；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,同时仍可以动态补偿无功功率；其优点是反映动作快速,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 4、移相方案分析TI 公司的 TL074 进行滤波单元的设计；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

5、信号合成时重新实现同步；依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,采纳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；6、信号检测和显示方案分析 信号检测和显示部分采纳 MSP430 单片机,采纳高速运放协作高频检波二极管和四周阻容元件制作一个平均值检测电路,送单片机 示；四、单元电路参数运算1、方波产生及分频电路AD 转换并换算,得到幅值,并显方波发生电路采纳 555 参数 2

6、R22R W）与 C1 打算了充放电的速率,设总的充放电周期为 T,由此可得： T=0.6993 R2R W） C1 挑选 RW 电位器为 5K ,配合 1K 的电阻,调剂电位器转变振荡频率；分频方法 采纳计数器进行分频,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 分频同时调剂方波占空比 50%；这样就是 6 分频后,即得到 50kHz 的方波；其余类推；图 2 方波产生电路名师归纳总结 - -

7、- - - - -第 2 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 3 分频电路2、低通滤波器电路 由 FFT 分解可知,方波可分解为一系列奇数的谐波组成；详细公式为：ft4hsint1sin3t1sin5t1sin7t =4hn111sin2n1 t3572 n其中 1,3,5 次谐波是方波的主要成分,基波的 5 倍频程,因此要提取基波而将3 次谐波是 1 次谐波的 3 倍频程, 5 次谐波为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,采纳压控电压源有源二阶低通滤波电路 10kH zRc 33 k,R 1 120 k30kH

8、z Rc 10 k,R 1 47 k50kH z Rc .6 8 k,R 1 27 k 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,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；相位偏移运算公式 :arctan1,由于波形相位 45 度；RC 参wCR差不大,因此设置正负偏移相位为数如下： 10kHz：R=1.5k. C=0.01uF30kHz：R=510. C=0.01uF 50kHz：R=300. C=0.01uF 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 8 页精选学习

9、资料 - - - - - - - - - 30kHz 的移相电路个人资料整理仅限学习使用图 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6 V3, V1,2. V；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f t4Asint1sin3t.1sinnt.n3n同样由傅立叶级数对三角波予以分解可得ft4Asint1sin3t1sin5t.1sinntn12ntn3252n21正弦波合成前通过反向比例放大电

10、路调剂正 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剂正波形合成电路图 71）度；弦波的幅值： 10kHz:30kHz:50kHz=1:1/9:1/25；并且 30kHz 的正弦波和10kHz、 50kHz 相位相差90依据题意, 10kHz、30kHz 的峰峰值为 6V 和 2V；反相求和运算电路：V oR 8V i10R 8V i30R 8V i50R5R 6R7三角波合成电路图 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、方波振荡器名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 8 页精选学习资

11、料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用利用直流稳压电源供应 +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,通过示波器观看输出方波,调剂电位器直至输出方波频率为 并储存输出波形；300kHz, 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QDQ CQBQA1110,示波器探头接输出端,观看示波器输出是否为10kHz 的方波,并储存波形,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,观看

12、示波器输出是否为 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 的正弦波,并储存波形,用类似方法对10kHz 正弦波,送入移相电路的输入端,利用双踪示波器测试输入输出波形,调剂电位器,观看波形的相位变化,并储存波形；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,并调剂幅度比为10kHz:30kHz=3:1,同时接入合成电路的输入端,输出接示波器探头,观看示波器输出 波形是否为近似方波,并储存波形；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：频率测试数据：表 1 方波振荡器的测试数据误差理

13、论值实测值300KHz 302.1kHz 0.7% 误差分析：参数的运算挑选误差 2、分频电路名师归纳总结 测试波形：第 5 页,共 8 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 测试数：表 2 分频电路的测试数据个人资料整理仅限学习使用理论值实测值误差 10kHz 10.0587kHz 0.587% 30kHz 30.221kHz 0.737% 50kHz 50.5381kHz 1,0762% 3、滤波电路测试波形：名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用测试

14、数据：误差分析：数模间信号耦合的影响；滤波参数运算的误差五、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 元器件清单表名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 序号名称规格 / 型数量序号个人资料整理仅限学习使用数量名称规格 / 型号号1 电容102 7 14 集成芯片

15、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IN4048 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8 管脚2 103 9 电位器2 22 DIP 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 电路板环氧板如干13 集成芯片CD4013 2

16、26 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, 2002 2、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, 20023、TL072 Datasheet, Texas Instruments, 2022 4、TL082 Datasheet, Texas Instruments, 2022 5、TL074 Datasheet, Texas Instruments, 2022 6、MSP430F543XA, Datasheet, Texas Instruments, 2022 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 8 页