内容摘要：本系统采用NE555芯片作为方波发生电路产生120kHz的方波信号，然后利用十进制计数器CD4017和双D触发器CD4013将120kHz的矩形波信号分频，得到10kHZ、30kHZ三种不同频率的方波，将方波信号经滤波处理后，得到单频的正弦信号，产生的信号波形应无明显失真，为了保证最终波形的叠加效果，使用幅度与移相调节电路对两路信号进行调整，两路信号进入加法器叠加，最终得到近似的合成波形。系统主要由四大模块构成：方波发生电路，分频滤波电路，幅度与移相调节电路和波形合成电路构成。关 键 词：方波振荡器 分频与滤波 移相电路 加法器 单片机前 言本设计的任务是使学生获得信号与系统分析方面的基本理论、基本知识和基本技能,培养学生分析问题和解决问题的能力,为深入学习通信、电子信息类专业有关课程及以后从事专业工作打下良好的基础。本设计的特点是应用的数学工具多、公式多,数学演绎复杂。如何把抽象的数学语言和具体的物理概念与实际应用联系起来,也是学习中要解决的重要问题。为了达到这一目的,课程实验是一个必不可少的环节。让学生有机会尽早接触正弦波、方波等周期信号以及调幅波、调频波等调制信号,通过多观察、多测试、多分析,理论联系实际,举一反三,融会贯通,掌握观察、测试和分析信号与系统的基本方法,培养使用基本分析工具的能力。为此我们引入信号的分解与合成来解决这样的问题。从而有了我们这次的课题 信号波形合成。学生可以通过示波器来观察试验结果是否与理论一致,观察出现的误差并分析原因。经过实验课程的不断尝试,证明实践性教学能够加强学生对相关知识的掌握和理解,而且通过实验,锻炼学生用模拟，数字电路理论分析解决实际工程问题的能力,不仅大大提高学生的动手能力,而且为后续的相关课程的学习以及毕业设计奠定了坚实的基础。1系统方案设计及论证1.1系统总体方案本系统采用NE555芯片作为方波发生电路，产生稳定的120kHz的方波信号，将信号进行分频滤波处理，得到10K、30K二种不同频率的正弦信号，为了保证最终波形的叠加效果，使用调幅移相电路对二路信号进行调整，二路信号进入加法器叠加，最终完成波形合成。如图1-1： 图1-11.2电源系统考虑到直流电流电源。我们用四个1N4007四个晶体管构成桥式整流桥。，将220V 50Hz的交流电转换为直流电。该直流稳压电源的稳压电路选用由LM7805和LM7905三端固定式集成稳压器组成稳压电路，他们能满足放大器所用直流稳压电源，其整流滤波电路采用桥式整流、电容滤波电路。该电路的特点是它们共用两组组整流、滤波电路，且有共同的公共端，可以同时输出正、负电压，使用十分方便，电压稳定性好。其原理图如图1-2： 图1-2 1.3方波合成系统1.3.1方波信号发生器 方案一：集成运放利用集成运放构成的比较器和电容的充电放电，可以实现集成运放的周期性翻转，进而输出端产生一个方波信号。方案二：NE555定时器利用NE555内部灵敏的比较器以及电容的充放电实现方波的的输出方案比较：采用方案一,用集成运放产生方波,电阻、运放会产生热噪声，使得电路的噪声增大。NE555定时器内部的比较器灵敏度比较高,振荡频受电源电压和温度变化的影响很小，实现起来也不难，因此选用该方案。 1.3.2分频模块利用CD4017B十进制计数器，以及TI公司的D触发器CD4013，分别对120kHz的方波信号进行12分频得到10kHz方波信号，进行4分频得到30kHz方波信号。1.3.3滤波模块任何一个周期性函数都可以用傅立叶级数来表示，这种用傅立叶级数展开并进行分析的方法在数学、物理、工程技术等领域都有广泛的应用。例如要消除某些电器、仪器或机械的噪声，就要分析这些噪声的主要频谱，从而找出消除噪声方法；又如要得到某种特殊的周期性电信号，可以利用傅立叶级数合成，将一系列正弦波形合成所需的电信号等。其原理为：傅里叶解析认为任意一个逐段光滑的周期函数均可分解出相应的三角级数，且其级数在每一连续点收敛于，在每一个间断点收敛于函数的左右极限的平均值。反映到电子技术领域中，就是说任意一个非正弦交流电都可以被分解成一系列频率与它成整数倍的正弦分量。也就是说我们在实际工作中所遇到的各种波形的周期波，都可以由有限或无限个不同频率的正弦波组成。一个非正弦周期波可以用一系列频率与之成整数倍的正弦波来表示。反过来说，也就是不同频率的正弦波可以合成一个非正弦周期波。这些正弦波叫做非正弦波的谐波分量，其中频率与之相同的成分称为基波或一次谐波。谐波分量的频率为基波的几倍，就称为几次谐波，其幅度将随着谐波次数的增加而减小直到无穷小。波形所含有的谐波成分，按频率可分成两种不同的谐波。一种频率为基波的1，3，5，7.倍的谐波，称为奇次谐波；另一种频率为基波的2，4，6，8倍的谐波，称为偶次谐波。有些信号中还存在一定的直流成分，可看做零频率的谐波分量，也属于偶次谐波。分解方法：傅里叶分解公式周期为T（角频率）的周期量f（t）可分解为 将正弦函数展开，还可得到另一种形式 其中称为傅里叶系数，可按下式计算 式（5.1）中的本设计采用单运放带通滤波器将方波转换成正弦波，一阶带通滤波器滤去方波中高次谐波分量，只留F基波正弦分量。用集成运放和RC网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。1.3.4幅度和相位调节模块采用RC移相电路，在R-C串联电路中，若输入电压是正弦波，则电路中各处的电压、电流都是正弦波。从相量图可以看出，以电阻电压作为输出电压时，输出电压相位超前输入电压相位一个角，如果输入电压大小不变，则当改变电源频率f或电路参数R或C时，角都将改变，而且A点的轨迹是一个半圆。同理可以分析出，以电容电压作为输出电压时，输出电压相位滞后输入电压相位一个角。因此，不论以R端或C端作输出，其输出电压较输入电压都具有移相作用，这种作用效果称阻容移相。RC移相电路主要是由电容器的电流超前电压90度这一特性，使得 RC之间的相位关系，超前或滞后，从而使相位发生变化。1.3.5加法器合成模块利用集成运算放大器实现信号的合成，在进行电压相加的同时， 仍能保证各输入电压及输出电压间有公共的接地端。由于虚地点的隔离作用，输出电压分别与各个输入电压间的比例系数仅仅取决于反馈电阻与各相应输入回路的电阻之比，而与其他各路的电阻无关。因此，参数值的调整比较方便。1.4幅值显示系统1.4.1幅值检测模块本设计采用桥式全波整流滤波的方式将正弦波转换成易测量的直流量。如下图1-3，图1-4：图1-3 经过电容滤波后的值为： 近似认为。 图1-41.4.2模数转化模块方案一： ADC0809ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，转换时间约为100us。方案二：TLV1544TLV1544是CMOS10位开关电容逐次逼近10位分辨率A/D转换器，器件片内具有11通道多路转换器，TLV1544可工作在宽电源电压范围，其转换间10us。方案三：TLC2543TLC2543是12位串行A/D转换器，可以节省I/O端口，转换时间为10us，具有线性误差。方案比较： TLV1544采用宽范围的单电源供电，芯片内部有着较高的转换速率，转换时间小于10us；在试验中我们采用IT公司提供的TLV1544，采用方案二。1.4.3显示模块方案一：LCD1602液晶显示液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。 方案二：数码管显示数码管是采用 BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较多，但是显示内容少。 方案选择：综上，我们采用方案一，以达到题目要求。2.硬件设计2.1正弦波合成设计2.1.1方波发生电路本设计采用555定时器作为方波产生芯片。利用CD4013进行二分频将其占空比调整为0.5。集成555定时器因为其内部有3个精密的5K电阻而得名。后来国内外许多公司和厂家都相继生产出双极型和CMOS型555集成电路。虽然CMOS型3个分压电阻不再是5K,但仍然延用555名称。555定时器是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成电路。该电路功能灵活、适用范围广，只要外围电路稍作配置，即可构成单稳触发器、多谐振荡器或施密特触发器，因而可在定时、检测、控制、报警等方面。CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。在本电路中，555定时器主要作为构成产生方波的多谐振荡器的器件。其电路图与工作波形如下图2-1（a）（b）所示：图2-1工作原理: 当接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当Uc上升到2VCC/3时，Uo=0，T导通，C通过R2和T放电，Uc下降。当Uc下降到VCC/3时，Uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端Uo产生了连续的矩形脉冲。其第一个暂稳态的脉冲宽度tp1，即uc从VCC/3充电上升到2VCC/3所需的时间：tp10.7(R1+R2)C第二个暂稳态的脉冲宽度tp2，即uc从2VCC/3放电下降到VCC/3所需的时间tp20.7R2C振荡周期：Ttp1tp20.7(R12R2)C根据以上公式：将R1=1k，R2为滑动变阻器，调节R2的阻值即可改变振荡周期与频率。多谐振荡器输出120kHz的频率之后，经过4013分频之后，即可得到需要的波形。2.1.2分频电路本设计采用CD4017对120kHz的矩形波进行一次分频分别得到20kHz、60kHz的矩形波，然后用CD4013进行第二次分频得到占空比为0.5的10kHz、30kHz方波信号。CD4017为十进制计数分频器，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。 CD4017有10个输出端（O0O9）和1个进位输出端O5-9。每输入10个计数脉冲，O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。CD4017有3个输入（MR、CP0和CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1O9）均为低电平。CP0和CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，