信号波形合成实验电路 2010年省赛

摘 要

本系统主要由方波振荡电路、分频滤波电路，移相电路，加法合成电路，峰值检测构成，测量结合低功耗MSP430芯片使得设计更为人性，方案简单可靠。方波振荡电路采用皮尔斯振荡电路，输出方波稳定；分频与滤波电路中，采用可编程逻辑器件实现多频段程控分频，同时选用低成本运放构成低通高通固定滤波网络对方波滤波，克服了开关电容滤波易引入噪声干扰的缺点；振幅不变的RC移相电路，一阶移向即可满足题目要求；加法合成电路巧妙采用开关与电位器构成信号切换，幅度调整，信号加法合成的设计。

关键词：振荡 滤波 移向 幅度

Abstract

This system mainly consists of pulse oscillator circuit, frequency and phase circuit filter circuits, additive synthesis, peak detection circuit with low consumption structure, measuring design more humanity MSP430 chips, simple and reliable. Pulse oscillator circuit adopts Pierce oscillating circuit, the output pulse stability, Frequency and filter circuit, the programmable logic devices realize more frequency band SPC, low cost op-amp constitute low-pass filter high-pass filter fixed network, overcome the other wave filter capacitor switching to introduce noise faults, The constant amplitude, phase shifting RC circuit can satisfy first-order move to the topic request, Additive synthesis circuit switch and clever USES a signal switch potentiometer, signal amplitude adjustment, the design of additive synthesis. Keyword:

信号波形合成实验电路

1 系统方案论证与比较

1.1方波振荡电路设计方案论证与选择

方案一：采用NE555构成方波振荡电路。其优点成本低，结构简单；但是电路参数匹配需要严格细调，而且此电路容易产生频率漂移。

方案二：采用皮尔斯振荡电路，通过数字门芯片与晶振构成，电路结构简单，参数匹配容易。

虽然方案一和方案二都可以完成方波振荡电路，但是从系统稳定性分析，我们选择方案二，产生6MHz的方波信号。

1.2分频与滤波电路设计方案论证与选择

方案一：采用数字门计数芯片分频和开关电容滤波。优点是电路设计采用门电路构成，计数分频稳定，同时开关电容滤波芯片可以实现可编程滤波；但是计数模块需要多个数字门计数芯片，同时验证发现经过开关电容滤波电路的信号需要对开关噪声再次滤波，系统设计布局困难，结构复杂。

方案二：采用低端的可编程逻辑芯片实现程控分频，同时对分频信号进行高通和低通滤波。通过编写简单的硬件语言即可从前级方波振荡电路轻松实现分频信号提取的功能，一阶低截止点高通滤波电路可有效滤去分频信号中的直流成分，再通过四阶低通滤波电路滤去分频信号中的多次谐波。

方案一和方案二都可以将方波信号变换为正弦波，但是方案一实现起来复杂，而且相对于可编程逻辑器件稳定性差，大量使用数字芯片成本也高，开关电容滤波器易受干扰，设计复杂性度远大于简单的有源滤波电路，我们选择方案二。

1.3移相电路设计方案论证与选择

方案一：无源移相电路。结构简单，采用普通的无源器件即可，但是信号幅度发生严重衰减。

方案二：采用有源振幅不变的RC移相电路。通过有源滤波电路和反向放大器叠加构成。

经过分析比较我们采用方案二。

1.4加法合成电路设计方案论证与选择

采用单片运放，电位器，开关构成加法合成电路。通过开关切入信号，调节电位器修改各频率信号成分，运放构成加法电路即可，电路实现简单，而且又能满足不同输入信号叠加的要求。

1.5幅度检测电路设计方案论证与选择

方案一：采用峰值检波电路。峰值检波电路可以测量低频高频的峰值信号，电路实现简单，成本低；但是测量小信号不是很理想，误差大，实现信号分档放大增加电路复杂度。

方案二：采用集成幅值检测芯片。由于测量电路为周期正弦信号，我们可以测量信号的有效值，运用数学公式进行运算测量。电路测量简单可靠，弱信号测试精度高。

方案一和方案二都可以实现一定精度的峰值检测，方案一不便于测量弱信号，我们选用方案二。

（6）总体方案描述

系统通过皮尔斯振荡电路产生稳定的方波，通过可编程逻辑器件实现多频段分频，产生10KHz，30KHz，50KHz方波，三路方波分别输入三路滤波电路，滤出10KHz，30KHz，50KHz正弦信号，后级移向电路实现电路无衰减移相位，各路信号可以实现0~π周期移相，通过单运放实现加法器，系统设计简单方便。系统设计框图如图1。

缺框图

2系统总体设计方案

3硬件系统设计

3.1理论分析与计算

3.1.1方波振荡电路参数选取

题目要求方波产生电路经过分频后输出为10KHz，30KHz,50KHz的多路方波信号，根据三个方波电路频率值设计采用150KHz整数倍率的方波振荡电路。皮尔斯振荡电路基本是由晶振，逻辑门芯片，匹配电容构成，根据当地市场可以提供的晶振，我们选取时钟频率为6MHz的无源晶振与非门构成方波振荡电路。皮尔斯振荡电路如图2-1。

3.1.2方波转正弦波滤波电路电分析

将正弦信号从方波中提取出来，我们需要对方波信号的主要成分有所了解，对普通电路产生的正值方波进行FFT分析。

通过傅式变化，任何具有周期为T的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即：

f(t)?12?a0??(an?1ncosn?t?bnsinn?t) （3-1）

其中：T为周期，?为角频率。?＝

2?T；第一项

a02为直流分量。

为了避免方波电路中直流分量对后级滤波电路，信号调理电路产生影响，我们设计一低截止点的高通滤波器，滤去直流分量，剩下信号中主要分量可用下面始子描述：

f(t)?4h?(sin?t?13sin3?t?15sin5?t?17sin7?t???) （3-2）

谐波分量为：

f(t)?4h??12n?1?sin(n??t) （3-3）

其中n=1,3,5,7……

可以发现，将周期为T的方波信号滤波输出周期为T的正弦波，需要将高次谐波分量滤去，或者是衰减至越小越好，由此需要我们设计衰减迅速，而且相位失真小的，第一次

谐波有效滤出的低通滤波器。下图为10KHz滤波电路。

V6 15V3 15V1 15C1 2.2n---R1 5kR2 25.5k+VG1+U1 TLC081V2 15R3 26kR4 90k++U2 TLC081V4 15C2 10n++U4 TLC081V5 15VF1 C5 1nC6 100p+R5 100kC3 1n

图3-1 。。。。

3.2移相电路设计

由于简单的RC移相电路，当信号移相45°时输出振幅会衰减-3dB。我们设计了振幅不

变的RC移相电路，其相频特性为：

tan?2?12?fRC （2-4）

通过改变R值可实现信号相位从0到180°的变化，三路信号的频率分别为10KHz，30KHz，50KHz，我们通过上述公式选择参数，电容分别1n，1n，680p，电位器选择0至100K欧可调，电阻电容选择能满足波形合成。图中R2为电位器。

R6 10kV2 15R1 10k-VG1+R2 100kC1 1uVF1 +U1 OPA277V1 15+

图2.5 移相电路原理图

3.3信号幅度调理与加法合成电路

方波信号经过滤波器输出后，由于滤波器参数设置不同，对有用信号衰减也不同，信号通过滤波电路以后输出幅度可调，我们需要设计一个放大电路来实现信号放大缩小，传统的同向放大器输出增益≥1，不适合做信号的缩小。为此我们采用反向放大器。 信号经过加法电路以后要输出不同形状的波形，各频段的波形信号幅度需要调节控制，而且信号合成以后要输出幅度放大缩小，也需要设计一个方向放大器。

综合考虑前面信号调理电路与加法合成电路，我们设计用电位器，开关，一片运放，实现信号输出多功能调控和加法输出功能。电路如下。

图3-

该电路设计简单，可以三路正弦信号输出，放大缩小，还有多波形合成。比如仅闭合开关S1，输出10KHz的正弦信号；闭合开关S1,S2，可以实现10KHz，30KHz加法电路。通过切换闭合S1,S2,S3，调节电位器即可实现信号多波形合成。

3.4峰值检测问题

正弦信号峰值测量，在实际中应用很为广泛，传统的峰值检测电路测频范围宽，但不适合放大弱信号，为此我们采用集成芯片AD637对正弦波进行简单的有效值测量，通过多点采集均值滤波的方法，简化设计电路，提高电路的准确性。

峰值测量电路

4 软件设计 5 系统测试

5.1 使用的仪器及型号

用表格列出

EM1715A直流稳压电源 RIGOL DS5062数字示波器 RIGOL DG1011函数发生器 EE3386B型通用计数器

5.2 功能测试

5.2.1 幅度测量（加入测试方法）

由于测量信号输出幅度可调，峰值具有一定的可调性，我们采用示波器测量峰值作为参考，测量10KHz正弦信号输出的峰值，测量数据分析如下。

表1 输入信号幅度测量

示波器测量

峰值测量

测量误差

5.3设计总结（应该同时有优缺点）

本系统可以产生10KHz，30KHz，50KHz三路正弦波信号，实现方波合成，同时可以实现多路峰值检测，幅度测量范围宽。

参考文献

[1] 陈炳和.计算机控制系统基础.北京：北京航天航空大学出版社，2001.

[2] 谢自美.电子线路设计·实验·测试（第二版）.武汉：华中理工出版社，2000. [3] 张彦斌等.凌阳十六位单片机原理及应用. 北京：北京航天航空大学出版社，2003. [4] 张菊鹏等.计算机硬件技术基础（第二版）.北京：清华大学出版社，2000. [5] 王福昌.锁相技术.武汉:华中理工大学出版社,1997.

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