个人资料整理仅限学习使用信号波形合成实验电路摘要：本设计由六个模块构成：方波信号产生模块，正弦信号产生模块, amplitude adjustment module, waveform modules,and the sine wave amplitude measurement modules. Use crystals and CD4060 produce square, in order to improve the signal frequency stability, using 74LS161 constitute frequency circuit receive required signal frequency. Using the software configuration separate RC parameters have good by the characteristics of wavelet to other low-pass Filter to get Filter for sinusoidal, amplitude, phase adjusting method of operation amplifier comprise by addition of sine signal circuit implementation, using subtraction circuit realized triangle. Using MSP430 MCU control TLV1544 realized voltage measurement functions.Keywords：signal synthesis, filtering,TLC085,MSP430 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 12 页个人资料整理仅限学习使用目录1.方案设计与论证1 1.1 方波振荡器单元方案设计1 1.2 分频器单元方案设计2 1.3 滤波单元方案设计2 1.4 移相单元方案设计2 1.5 加法器单元设计3 1.6 正弦波幅度测量模块3 2.电路设计 3 2.1 方波振荡电路3 2.2 分频器电路 4 2.3 滤波单元电路设计4 2.4 调相单元电路5 2.5 加法器单元电路5 2.6减法器单元电路5 2.6 正弦波幅度测量模块电路6 3.系统测试 6 3.1 测试仪器 6 3.2 测试方法 6 3.3 测试数据 8 3.4 误差分析 9 4. 设计总结 9 5.参考文献 9 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 12 页个人资料整理仅限学习使用1.方案设计与论证分析题目要求可以将电路分成几个模块，振荡电路产生所需要的方波后经分频滤波产生正弦信号，调相将10kHz 方波的各次谐波对准并调节它们幅度，利用加法器进行叠加得到一个方波信号。这原理可以利用傅里叶级数分析得到。设计者认为难点在于采用各种频率方波的产生和滤波器设计。根据题目基本要求系统方案如图1 所示：图 1 系统组成框图1.1 方波振荡器单元方案设计竞赛任务中需要产生10kHz、30kHz 和 50kHz 的正弦波信号，为了方便后续分频设计，设定方波振荡电路输出频率为750kHz，设计过程中我们比较了如下几种方案：方案一：采用比较器在低频范围内 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150kHz 方波，若采用该方案则会出现后沿失真的矩形波，故本设计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，但在大赛期间实际搭建时产生的波形有失真,产生的方波信号易受干扰，信号波形不稳定毛刺较多不利于分频，因此舍弃此方案。方案三：锁相环CD4046 CD4046 是通用的CMOS 锁相环集成电路，具有电源电压范围宽 ，动态功耗小的特点。产生的方波信号频率满足设计需要，并且波形理想。故本设计采用该方法实现方波振荡电路。1.2 分频器单元方案设计在该部分电路设计时，设计者考虑了几个问题：首先，信号波形要纯净方便，频率成份清楚；其次，就是信号输出的占空比最好是50%，考虑了如下几种方法：方案一： FPGA/CPLD 可编程逻辑器件在 FPGA/CPLD 上使用 VHDL 进行分频器设计，可以实现任意分频，且信号稳定性好，考虑到与模拟设计大赛主题，没有采用该方法。方案二：脉冲计数分频采用计数器电路可方便有效地实现分频功能。在功能上能够满足需要且电路简单，因此决定采用计数器74HC161等芯片实现分频功能，但若要实现50%的占空比则电路相对较为复杂。1.3 滤波单元方案设计滤波单元电路完成的功能是将分频后的方波信号转化成相应频率的无失真的正弦信号。要充分考虑滤波器过渡带、衰减带特性。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是指使用放大器实现滤波功能。有源滤波能够滤除谐波，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 LM358 进行滤波单元的设计。1.4 移相单元方案设计通过对方波信号频谱的分析以及MATLAB 仿真可知， 6V、10kHz 的正弦波信号和 2V、30kHz 的正弦波信号在相位一致时，能够合成所需要的波形信号。由于前端对两路信号进行了滤波，造成了相位偏移，故需通过移相电路使得两路信号相位一致。本设计采用电路简单的RC 电路，设定合适的电容和变阻值,能够满足设计需精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 12 页个人资料整理仅限学习使用要。1.5 加法器单元设计该单元是将调相后的两路信号进行叠加，得到需要的波形信号。按照竞赛要求选择 TI 公司的 TLC085进行加法器的设计。1.6 正弦波幅度测量模块该题目唯一可以使用的微处理器模块在此，采用TI MSP430 超低功耗单片机，控制外部 AD 器件实现对信号采集和测量。2.电路设计本次竞赛中C 题的任务是设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波和其他信号。通过对方波信号的频谱进行分析：其中的可以看出方波信号可由相位相同的10kHz、30kHz、5010kHz等奇次正弦信号叠加而成。基于此原理进行电路设计。2.1 方波振荡电路采用 12M 晶振，管脚 10，11接电容后接地， Q4 端输出，经 16分频后生成 750K方波，频率稳定，波形良好。图 2 方波振荡电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 12 页个人资料整理仅限学习使用2.2 分频器电路采用计数器 74HC161和74HC160分别设计四个分频电路，首先将750kHz 方波进行分频得到150kHz，然后将 150kHz 方波信号分频得到10kHz、30kHz 和 50kHz 的方波信号，如图 3所示为其中的 3 分频电路。2.3 滤波单元电路设计根据正弦波具有奇次谐波特性，在设计时候特别需要考虑在10kHz 滤波器设计时候的截止特性。利用 LM358 构成的有源滤波器，其自身就是谐波源。依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。使用 Filter Solution 滤波器设计软件对硬件参数进行设定，如图4 所示为4 阶Butterworth 滤波器。图4 10KHz 滤波电路图图3 3分频器电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 12 页个人资料整理仅限学习使用2.4 调相单元电路2.5 加法器单元电路采用 TLC085 设计的加法器电路，其中电阻值根据虚短和虚断原理设定如图6所示。2.6 减法器单元电路三角波频率分析后，发现采用10kHz与30kHz幅度比为 9：1的信号想减即可达到近似三角波。图 7 减法电路图5 调相电路图6 加法器电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 12 页个人资料整理仅限学习使用2.7 正弦波幅度测量模块电路采用 A/D 转换芯片来测量正弦波的幅值。电路中由于MSP430使用的是 3.3V 供电可以测得的幅度范围比较小，因此采用了TI 公司提供的 A/D 芯片 TLV1544，通过使用单片机的 4个 I/O 端口跟 1544进行串行通信。从而实现幅度的测量和显示。3.系统测试在设计过程中存在许多信号兼容性的问题，比如单、双电源供电芯片的输入、输出信号需要解决直流偏置问题；这就要对信号进行测试分析，从而进行电路的设计和修改。在系统构建时候需要对每个单元电路分别测试，成功则才能进行组装、调试。记录各个波形相位、幅度等。3.1 测试仪器VC890D 万用表； EE1411合成函数信号发生器； TDS3032B示波器。3.2 测试方法焊接电路前，采用TI 仿真软件以及其它各种仿真软件对电路进行仿真，观察输入输出信号形状，修改电路参数焊接和制作并测试数据与仿真数据进行比对，再设计、修改和完善电路及参数。部分仿真图形分频波形仿真图8 150kHz分频得到 50kHz波形仿真图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 12 页个人资料整理仅限学习使用10kHz滤波器幅频特性调相电路输出波形仿真图加法电路输出波形仿真图图 9 低通滤波器幅频特性图 10 调相输出波形仿真图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 12 页个人资料整理仅限学习使用3.3 测试数据分频后 10kHz方波波形30kHz滤波后正弦波形叠加后波形图11 调相加法器输出波形仿真图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 12 页个人资料整理仅限学习使用3.4 误差分析得到的30kHz 正弦波信号上下对称性不理想，经分析该误差应由滤波电路实际频响特性和分频后产生的30kHz 的方波波形的占空比不是严格的1：1。A/D 测量的精度不高，程序设计仍需改进，可以考虑增加求和取平均值的方法提高测量结果的准确性。4. 设计总结首先，此次电子竞赛使我们增长了见识，熟悉了许多功能强大的模拟芯片和各种集成电路，以便于将来运用能够得心应手，也了解了许多先进的处理技术与高级的开发平台。竞赛使我们对本专业的研究领域产生了浓厚的兴趣，将动手制作一件成功且实用的科技作品视为莫大的骄傲，更是对自己能力的肯定；另一方面，竞赛培养了我们小组中三人的团队协作、互帮互助与默契精神。在电子竞赛中，我们收获了患难与共的珍贵友谊。短短的两个月的培训与竞赛生活给我们的感受要比大学三年的生活更丰富多彩。5.参考文献1 德州仪器高性能模拟产品手册. 2 王晋, 朱练军 , 刘洋, 曹清刚 . 微功耗单片机的水声数字通信系统设计J. 舰船科学技术 , 2009,(10.3 李雪. 基于 MATLAB 的 FIR 数字滤波器的研究 J.科技信息 ,2009,(21. 4 沈国治 .MAXIM有源滤波器设计软件 J.电子技术 ,1996 (6 .精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 12 页个人资料整理仅限学习使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 12 页