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信号波形合成仪（分频，滤波，移相，放大，叠加）.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.17M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    信号波形合成仪
    1 总体方案设计
    2 单元模块设计
    2.1 方波产生实现方案
    2.2 分频电路实现方案
    2.3 低通滤波实现方案
    2.4 移相电路实现方案
    2.5 加法电路实现方案
    3 电路与程序设计
    3.1 电路设计与参数计算
    3.1.1 方波产生电路设计
    3.1.2 分频电路设计
    3.1.3 低通滤波电路设计
    3.1.4 移相电路设计
    3.15 加法电路设计
    3.1.6 采样电路设计
    3.2 系统软件设计
    4 测试结果
    4.1 测试方法
    4.2 测试仪器
    4.3 测试数据
    4.4 测试结果分析
    2010 年陕西省第二届大学生德州仪器（TI）杯 模拟及模数混合电路应用设计竞赛 设计报告封面 参赛队编号 学校编号 组（队）编号 选题编号 （参赛学校填写） 1 2 0 5 C 说 明 1.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订； 2.“参赛队编号”由参赛学校填写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会印制编号填写，“组 （队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编 号填写，例如：“1213B”或“0283A”。 3.本页复印有效。
    信号波形合成仪 信号波形合成仪 摘 要 信号波形合成分为信号产生和信号合成两部分。本文主要是将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的电子线路设计。其主要是基于低功 耗单片机 MSP430 的主控器的设计。在此之上文章还分析了系统实现的理论依据及硬件实 现方案和测试结果。系统主要是经 12M 有源晶振分频产生方波信号、74LS90、74LS92 组 成分频网络、低通滤波电路，产生频率为 10KHz 和 30KHz 的正弦波信号、通过单片机采 样相应参数并且通过 LCD 输出相应参数、通过升压电路使得信号峰值分别为 6V 和 2V， 最后通过 R-C 移相网络和信号合成加法电路，输出所需要的近似方波波形。 关键字： 波形合成； 分频网络； 移相电路； 低通滤波； MSP430 1 总体方案设计 系统主要是通过有源晶振产生 12MHz 的方波信号，由分频网络产生 300KHz 基准方波 信号，通过分频网络、低通滤波电路后产生频率为 10KHz 和 30KHz 的正弦波信号，最后 通过 R-C 移相网络、信号合成加法电路，输出所需要的方波信号。系统主流程图如图 1-1。 图 1-1 系统流程图 2 单元模块设计 2.1 方波产生实现方案 方案一：采用 TI 单片机 MSP430 输出 300KHz 方波信号，这种方法比较简单，但是其 输出不稳定、不够准确，而且在频率上也不能达到要求，会影响到接下来的分频和滤波以 及整个系统的精度，因此没有采用。 1
    信号波形合成仪 方案二：采用 12M 晶振由分频电路产生 300KHz 的方波信号，这种信号比较稳定、精 确、精度高，但频偏不容易做大、不能任意改变频率，分频实现也比较容易。 理论可行性分析：晶振产生 12MHz 频率后分别通过 4 分频和 10 分频产生 300KHz 的 方波信号，这可以采用 74LS90 和 74LS161 实现。我们采用了方案二。 方案三：采用 AD9850 的 DDS 芯片产生方波信号，这种方法比较简单易行，其频率分 辨率较高、转换速度快、信号纯度高、相位可控、输出可平稳过渡且相位可保持连续变化。 是现在比较流行的一种信号产生电路，但是芯片价格较昂贵。 2.2 分频电路实现方案 方案一：采用 74LS161 十进制计数器和一些门电路作为分频网络，以实现 10 分频和 30 分频的目的，输出 30KHz 和 10KHz 的方波信号。这种方法可以实现较多种分频电路， 可以根据实际需求改变分频数，缺点是要求芯片较多电路复杂。 方案二：采用 74LS90 分频芯片和 74LS92 分频芯片以实现 10 分频和 30 分频。这种方 法比较简单可行，但是受到芯片自身特性影响较大。而且受到信号占空比的限制。我们采 用了方案二实现了分频电路。 2.3 低通滤波实现方案 方案一：采用无源滤波器。由电感 L、电容 C 及电阻 R 等无源元件组成，以对某此谐 波或其以上次谐波形成低通阻抗通路，以达到拟制高次谐波的作用；由于 SVC 的调节范围 要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电感一起并联，这样既满足无功补偿、 改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。这种电路具有投资少、效率高、结构简单及维 护方便等优点，但由于受到系统参数影响较大，只能消除特定的几次谐波典型电路。 方案二：采用有源滤波器。这种电路具有能够补偿各次谐波，还可拟制闪变，可消除 与系统阻抗发生谐波的危险。我们采用了方案二。 2.4 移相电路实现方案 方案一：采用 CD4046 或 NE564 锁相环芯片进行相位锁定，以达到对相位的调节功能。 这种电路实现简单，但是考虑到其 TTL 型的输出，对波形造成严重失真。 方案二：利用 R－C 的相位相差 90℃，通过 OPA277 TI 芯片和电阻电容组成移相电路， 通过调节电阻 R 以达到控制其相位的目的。这种实现方便，且可通过两阶 R－C 或三阶、 四阶调节 0～360℃内相位移动。我们采用了方案二。 2.5 加法电路实现方案 方案一：采用反相加法器，是一个基本的信号混合器。但是该电路会逼近运放的工作 极限，而在我们的电路中由于要求频率较低。我们采用了方案一。 方案二：采用同相加法器是可以实现的，但是信号源的阻抗将会影响电路的增益。 3 电路与程序设计 3.1 电路设计与参数计算 2
    信号波形合成仪 3.1.1 方波产生电路设计 方波产生是通过 12M 晶振经由 4 分频和 10 分频电路产生 300KHz 方波信号。 3.1.2 分频电路设计 分频电路采用 74LS90 频芯片和 74LS92 频芯片将 300KHz 方波信号实现 10 分频和 30 分频。主要理论计算如下：300KHz/10 =30KHz; 30KHz/3 =10KHz;其主要电路图如图 3-1： 3.1.3 低通滤波电路设计 图 3-1 分频电路图 滤波电路如图 3-3。选用美国 TI 公司生产的巴特沃斯四阶开关电容低通滤波器 TLC04 作为滤波电路的主要组成部分，采用施密特触发器振荡器自定时的双电源供电。TLC04 的 截止频率的稳定性只与时钟频率稳定性相关，截止频率时钟可调，其时钟一截止频率比为 50：1，因而设计截止频率为 1/1.69×RF1×CF1×50=251.8Hz，满足了振动时效和振动焊接工 艺的要求。 3.1.4 移相电路设计 图 3-2 低通滤波电路图 移相电路是用来改变试验电压与电流之间的相位，以获得不同的功率因数值的一个调 节电路，泛应用于信号处理。电路图如图 3-4 所示，它主要由运算放大器和 R、C 网络组 成，改变 XR 的数值， 0U 的相位对应于 1U 能在 0～∏之间变化，此电路的传递函数为： 3
    信号波形合成仪 (jK C U)   U  0 1 R R 1(  R R )  1 CJ   1 Cj  R X  1  j1  CRj  CR  X X 由（1）式得 CK 的模| K C (jw) |恒等于 1，当 1CwRX , 0U 滞后 1U （1） .设选定 C 后，在角 2 频率为时，调节 XR 即可得到移相后的输出。设 0U 和 1U 之间相移为，则：  arc2 tan 1 CRX 即选择一个 XR 值，即可获得一个相对应得值。因此，3 个以上 这样的基本电路就可组成 0 ～360℃ 连续可调的移相器。 3.15 加法电路设计 图 3-3 移相电路图 加 法 电 路 是 通 过 运 放 实 现 波 形 叠 加 的 ， 理 论 上 计 算 ： 由 加 法 电 路 U 0  － 1(R Ui R 1 f  2 Ui 2 R  3 Ui 3 R ) U i1  U i2  U （ i3 ） , 取 1 R  R 2  R 3  R = Rf ， 上 式 可 简 化 为 0U = － 3.1.6 采样电路设计 图 3-4 加法电路图 为了通过单片采集较高的频率的信号，我们采用了如图 3-5 所示电路，利用电容电压 4
    的充放电时间和二极管的单向导通原理将波峰值降低，以达到采样的目的。 信号波形合成仪 图 3-5 信号采集电路图 3.2 系统软件设计 系统主软件流程图如图 3-6 所示 图 3-6 系统主流程图 4 测试结果 4.1 测试方法 (1) 测试方波产生测试点 300KHz 的方波信号，观察其输出频率和幅值是否有失真。 (2) 测试经分频滤波后的信号波形是否有失真，查看幅度峰峰值是否分别为 6V 和 2V 频率为 10kHz 和 30kHz 正弦波信号。 5
    信号波形合成仪 (3) 测试最终合成波形为一个近似方波，波形幅值为 5V，合成波形的形状如要求所示。 4.2 测试仪器 表4.1 测试仪器设备清单 编号 1 2 名称 示波器 新型数字万用表 4.3 测试数据 表4.2 测试数据表 型号 XJ4328 型 UT39 系列 误差 指标频率值 实测频率值 误差 (KHz) (KHz) 300KHz 测试点 参数 指标峰-峰 值（V） 实测峰-峰 （V） 测试一（方波） 测试二（分频 后） 测试三（结果） 6 2 5 3.04 5.985 1.982 5.175 0.25% 0.90% 3.5% 表4.3 采样数据表 实际幅值（V） 2.03 30KHz 显示幅值（V） 2.00 1.95 1.98 10 30 10 1.96 1.99 9.995 0.05% 29.954 0.15% 10.012 0.12% 2.05 2.01 2.00 2.04 2% 5.99 6.02 误差 1.47% 1.54% 1.53% 1.95% 实际幅值（V） 6.05 10KHz 显示幅值（V） 6.02 6.10 6.15 6.00 5.99 5.91 5.95 误差 0.50% 0.82% 0.17% 0.68% 0.50% 4.4 测试结果分析 从测试数据看来,本作品已经基本达到题目要求,而个别指标未达到题目要求，并且存 在一些误差,经过分析得出几点产生误差的原因： （1） 电源供电纹波较大引入的误差； （2） 测量仪器本身的测量误差； （3） 各集成芯片工作时温度升高引起的误差； （4） 各节点不够牢固，而引起的波形振荡； 6
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