第1页 / 共10页
第2页 / 共10页
第3页 / 共10页
第4页 / 共10页
第5页 / 共10页
第6页 / 共10页
第7页 / 共10页
第8页 / 共10页
信号波形合成实验电路报告(终结版).doc
信号波形合成实验电路设计报告
【摘要】： 本系统采用 16 位超低功耗单片机 MSP430F169 作为控制核心，整个电路由方波振荡
电路、分频与滤波电路、信号调理电路、移相电路、信号叠加电路、真有效值检测电路、AD 采样
电路等电路构成，实现了信号波形合成实验电路。其中方波振荡电路产生 10kHz 方波信号，经过
由 LTC1562 构成的八阶巴特沃斯带通滤波器，产生具有确定相位关系的 10kHz 基波信号及 30kHz
和 50KHz 的谐波信号。三路正弦信号经过信号调理电路和移相器，最后合成近似的方波和三角波。
本系统实现了由基波、三次谐波、五次谐波合成近似的方波和三角波，并且能对各个正弦信号幅
度进行测量显示并打印输出测量结果，测量误差小于 1%。，完全满足题目基本和发挥要求。
【关键词】： MSP430F169、方波振荡电路、信号波形合成、方波和三角波
一、 系统方案论证与比较
要实现满足题目要求的正弦信号的产生，近似方波和三角波的合成。需要解决以下几个方
面的问题：一是方波振荡电路输出占空比为 50%的方波；二是对方波各次谐波的正确选频；
三是合成方波或三角波之前需保证各次谐波之间幅度和相位关系正确；四是对正弦信号幅度进
行精确测量。
1、方波振荡电路
方案一：采用多谐振荡器输出方波。利用 555 定时器或比较器都能很容易地实现多谐振
荡器。此方案实现电路简单，输出方波频率容易控制，但输出波形失真度较大，占空比不好
控制，难以保证输出占空比为 50%的方波。
方案二：采用有源晶振分频得到 10kHz 的方波。晶振输出方波频率稳定度高，但占空比
不为 50%，无法满足题目要求。
方案三：采用 DDS 直接频率合成或微控制器产生方波。此方案简单易行，输出波形稳定，
频率精度高。
方案四：利用文氏电桥振荡电路产生频率为 10kHz 的正弦波，再经过过零比较器便可输
出方波。此方案电路较为复杂，但频率和占空比都能较好地控制，输出波形稳定，频率精度
高。
由于题目要求方波不能使用 DDS 和微控制器产生，最终选择方案四。
2、分频与滤波电路
方案一：采用无源滤波器构成选频网络。高 Q 值无源带通滤波器具有很好的选频特性，
能将各次谐波准确地选择出来，但电路调试过程复杂，难以匹配各元件参数。
方案二：采用 TI 的有源集成滤波芯片 UAF42。通过调整 UAF42 外接电阻值可以改变带通
中心频率，精度高，但由于 UAF42 是二阶滤波，过渡带不够陡峭，选频特性差。
方案三：选用高阶有源集成滤波器。LTC1562 是凌特公司的单片有源集成 RC 滤波器。
利用 LTC1562 构成八阶巴特沃斯带通滤波器，外围电路只用匹配电阻、电容，电路简单，并
且选频特性良好。
为能准确提取 10kHz、30kHz、50kHz 正弦信号，本设计选择方案三 。
3、移相电路
方案一：采用无源 RLC 网络对信号进行移相处理。该方案实现电路简单，但相位调试复
杂，并且无源网络具有选频特性，对信号有衰减作用。
方案二：采用全通滤波器。全通滤波器对信号的幅度没有影响，但会改变输出信号的相位。
通过调节电路中的电阻参数可以改变输出信号与输入信号的相位差。该方案能够很好地实现信
号的移相。
综上所述，最终选择方案二作移相处理。
4、幅度测量电路
方案一：运用运放构成峰值电压检测电路。该电路检波后信号的纹波较大，不能精确地
测量信号的幅度，并且受电路中电容充放电时间的影响，检波后的直流信号不能即时跟踪交
流信号的幅度变化。
1
方案二：运用 AD637 进行有效值检测。AD637 是高精密宽带真有效值测量芯片，能精确
地将正弦信号转换成有效值大小的直流信号。应用时只需在芯片的外围添加适当的电阻、电容
即可实现正弦波有效值的测量。此方案外围电路简单，输出纹波较小、稳定度和精确度较高。
为精确测量信号幅度，故系统选用方案二。
5、系统总体方案
经过以上的方案比较与论证，最终确定整个系统的设计方案，系统总体框图如图 1.1 所示。
图 1.1 系统总体框图
二、 理论分析与参数计算
1、 文氏电桥振荡器理论分析
文氏电桥振荡电路如图 2.1 所示。文氏电桥振荡电路是由 RC 构成的桥臂与纯电阻构成的
桥臂组成的电桥电路，正反馈电路用于频率选择，负反馈电路用于振幅控制。整个环路增益为
T(jf)=
3
j
1
R2/R1
/
(
f
f
f
0
0
， 其中 C1=C2=C，R3=R4=R，f0=1/2RC。 这是一个带通函数，因为它
/
f
)
在高频和低频处均趋于零。它的峰峰值出现在 f=f0 处，其增益为 T(jf)=
，所以当 T(jf)>1
即 R2/R1>2 时，电路将会振荡输出频率为 f0 的正弦信号，由于正反馈的作用，最后正弦波形将
会削顶。由于需要的是方波信号，可以直接将削顶的正弦信号经过比较器得到方波，故省去了
文氏电桥的稳幅电路。
1
R2/R1
3
图 2.1 文氏电桥振荡电路图
图 2.2 移相电路图
-15V
input
Rx
R1
4
7
1
3
2
+15V
R2
5
6
8
U1
output
2
5
8
2
3
4
6
7
1
+
5
V
-
5
V
C
2
C
1
R
3
R
4
R
2
R
1
G
N
D
G
N
D
V
o
V
p
2、 移相器理论分析
移相器主要由运放和 R、C 网络组成如图 2.2 所示，其中
R ，改变 xR 的阻值，输出电
1 R
2
压 oU 的 相 位 对 应 于 iU
能 在 0 ～ 之 间 变 化 。 此 电 路 的 传 递 函 数 为
K
c
(
jw
)
U
U
o
i
R
2
R
1
1(
R
2
R
1
).
R
x
1
cj
1
cj
1
1
x
CRj
CRj
x
（公式 1）
由公式（1）可知移相器系统在 1/RxC 有一个零点，在-1/RxC 有一个极点，
( jwKc
)
的模值恒
等于 1，当 w xR C=1， oU 滞后 iU π/2。选定 C 后，在角频率为ω时，调节 xR 即可得到移相后的
输出。
3、分频理论分析
根据傅里叶分析，方波信号表示为
A
max
1)
5
1)
3
5sin(
[sin(
tw
1
3sin(
tw
1
4)(
tf
tw
1
)
.......
1
k
sin(
tkw
1
)
...](
)
为奇数k
（公式 2）
由题可知方波频率为 10kHz，则一次、三次、五次谐波频率为 10kHz、30kHz、50kHz。根据
方波各谐波之间的幅度关系，基波峰峰值为 6V，三次谐波峰峰值为 2V，五次谐波峰峰值为 1.2V。
且三次以上谐波与基波初相相同。由公式（2）得 4Amax/=3,可得到合成方波幅值 Amax=2.56V，峰
峰值为 5.12V。三角波信号表示为
)(
tf
8
A
max
2
[sin(
tw
1
1)
9
3
sin(
tw
1
)
1
25
5
sin(
tw
1
)
.......
1
2
k
)1(
2
k
sin(
tkw
1
)
...](
)
为奇数k
（公式 3）
则若合成三角波，由题得基波峰峰值为 6V，三次谐波峰峰值为 667mv 且与基波初相相位差为 180°，
五次谐波峰峰值为 240mv 且与基波初相相同。由公式（3）得 8Amax/ 2=3,则合成三角波幅值
maxA =4.37V。
三、 单元电路设计与实现
1、 硬件电路设计
（1）方波振荡电路
方波振荡器如图 3.1 所示，方波振荡电路由文氏电桥振荡器和滞回比较器够成，文氏电桥
振荡电路选用 TI 的低噪声高精密运放 OPA277，产生频率为 10kHz 的正弦波，再经过比较器
便可以输出 10kHz 的方波。由于将输出的正弦波直接经过 LM311 比较器后输出的方波占空比
不为 50%，因而将输出的正弦信号叠加一直流偏置来改变比较输出方波的占空比，直流偏置
3
电压通过电阻分压得到，调节滑动变阻器 R9 可以将占空比调整到 50%。
（2）分频与滤波电路
图 3.1 方波振荡器电路图
分频与滤波电路采用 LTC1562 接成八阶巴特沃斯带通滤波器实现 。LTC1562 的中心频率从
10kHz 至 150kHz 可调，精度为 0.5%，其带宽、Q 值及增益均可用电阻进行调节，且不需要时钟。
根据题目要求，采用 LTC1562 分别实现中心频率为 10KHz、30KHz、50Khz 的带通滤波器，进行选
频滤波，最后输出 10KHz、30KHz、50Khz 正弦信号。 中心频率 10KHz 带通滤波器电路图如图 3.2
所示 。中心频率为 30KHz 和 50KHz 带通滤波器电路图见附图 1。
（3）移相电路
C6
图 3.2 10KHz 带通滤波器电路图
47pF
VOUT1
恒幅移相电路选用 TI 的低噪声、低电压精密运放 OPA211，通过调节电位器 R3 便可以
改变输出信号的相位，相位可调范围为 0°到 180°，两个移相电路串联可以实现 0°到 360°
的相位调节。经测试三路信号的相位差均在 180°之内，故每路信号只需一个移相电路。
0.1uF
0.1uF
470K
200K
R18
R20
R21
R19
R22
1M
1M
C4
R16
680K
1M
-5V
LTC1562
INV A
V1A
V2A
SHDN
V+
V2B
V1B
INV B
2
8
7
6
5
4
3
2
1
INV D
V1D
V2D
AGND
V-
V2C
V1C
INV C
9
10
11
12
13
14
15
16
+5V
1M
1M
R17
470K
R15
R14
30K
VIN1
10K选频
R13
470K
470K
R12
图 3.3 移相电路图
0.01uF
C1
4
-15V
（4）幅度测量电路
由于系统对正弦信号幅度进行测量，先将正弦信号转换为与正弦信号幅度成比例的直流信号，
5
再用 ADC 采集得到的直流信号便可以实现正弦信号的幅度测量。这里选用高精密宽带真有效值测
input
1K
Res Adj2
2K
10K
R3
R4
R2
1
3
2
7
10K
R1
output
6
8
OPA211AM
U1
+15V
4
5
8
2
3
4
6
7
1
U
1
O
P
A
2
7
7
+
5
V
-
5
V
5
6
0
p
F
C
2
5
6
0
p
F
C
1
2
2
K
R
7
2
2
K
R
8
2
2
K
R
1
1
0
K
R
4
G
N
D
G
N
D
1
2
3
4
5
6
7
8
U
3
L
M
3
1
1
D
+
5
V
-
5
V
1
.
2
K
R
3
9
.
1
K
R
1
0
1
K
R
6
G
N
D
5
8
2
3
4
6
7
1
U
2
O
P
A
2
7
7
1
0
K
R
2
1
0
K
R
5
+
5
V
-
5
V
1
0
K
R
9
R
e
s
T
a
p
+
5
V
-
5
V
V
o
u
t
1
0
K
R
1
1
1
0
K
R
1
2
0
.
1
u
F
C
3
0
.
1
u
F
C
4
0
.
1
u
F
C
5
0
.
1
u
F
C
6
0
.
1
u
F
C
7
0
.
1
u
F
C
8
G
N
D
G
N
D
G
N
D
G
N
D
G
N
D
G
N
D
量芯片 AD637 对正弦信号进行有效值转换，并由 TI 公司的 16BIT 串行 A/D 转换器 ADS8341 和精密
基准源 REF5030 共同构成数据采集系统，其中 REF5030 为低温漂、高精度、低噪声基准源。幅度
测量电路如图 3.4 所示。
（5）信号叠加电路
图 3.4 幅度测量电路图
信号叠加电路选用 TI 公司的高精密、低噪声运放 OPA227 做加法电路。将产生的具有一定幅
度和相位关系的三路正弦信号进行叠加，产生近似方波或三角波。信号叠加电路图见附图 2。
2、软件设计
本系统采用 16 位超低功耗单片机 MSP430F169 作为控制核心，系统软件通过按键控制继电
器的切换，对 10KHz、30KHz、50Khz 正弦信号进行选通并测量其幅度。并通过按键来切换输出合
成信号的类型。系统软件框图如图 3.5 所示。
图 3.5 系统软件框图
5
B
u
f
f
I
N
1
N
C
2
C
O
M
3
O
F
F
S
E
T
4
C
S
5
D
E
N
I
N
6
d
B
O
U
T
7
C
a
v
1
0
V
o
u
t
1
1
-
V
s
1
2
+
V
s
1
3
N
C
1
4
V
i
n
1
5
B
u
f
f
O
U
T
1
6
N
C
8
N
C
9
U
2
A
D
6
3
7
6
8
0
k
R
1
5
0
k
R
2
+
1
5
-
1
5
+
1
5
-
1
5
0
.
1
u
F
C
4
0
.
1
u
F
C
3
4
.
7
u
F
i
n
+
V
C
C
1
C
H
0
2
C
H
2
3
C
H
3
4
C
H
4
5
C
O
M
6
S
H
D
N
7
V
r
e
f
8
+
V
C
C
9
G
N
D
1
0
G
N
D
1
1
D
O
U
T
1
2
B
U
S
Y
1
3
D
I
N
1
4
C
S
1
5
D
C
L
K
1
6
A
D
S
8
3
4
1
5
8
2
3
4
6
7
1
U
1
O
P
A
2
7
7
+
5
V
+
5
V
M
C
U
M
C
U
M
C
U
M
C
U
I
N
2
T
E
M
P
3
G
N
D
4
T
R
I
M
5
O
U
T
6
N
C
7
N
C
8
N
C
1
R
E
F
5
0
3
0
+
5
V
1
u
F
1
u
F
1
0
k
R
5
1
0
0
K
R
4
0
.
1
u
F
C
1
2
.
2
u
F
C
7
5
0
R
3
-
5
V
-
5
V
M
C
U
+
5
V
四、 测试方案与测试结果
1、 测试方案及测试条件
（1）测试仪器：
4 位半数字万用表 VICTOR8155
60M 数字示波器 DS5062M
（2）信号频率与幅度的测试方案
用示波器测量所产生的正弦信号的频率，用 4 位半数字万用表测量正弦信号的幅度，同时
用自制的测量电路测量信号的幅度。
2、 测试结果与分析
（1） 正弦信号频率测量结果如表一
（表一）
频率测量
幅度测量
测量值(kHz) 误差 理论值/ 峰
实际值/峰
测量值/峰
误差
10kHz 方波
10kHz 正弦波
30kHz 正弦波
50kHz 正弦波
10.02
10.04
29.94
49.98
（2） 波形合成结果
0.2%
0.4%
0.2%
0.04%
峰值(V)
峰值(V)
峰值(V)
6
2
1.2
5.950
2.036
1.190
5.996
2.032
1.192
0.77%
0.19%
0.16%
10kHz 正弦信号与 30kHz 的正弦信号合成的波形与题目中的波形一致，10kHz、30kHz
和 50kHz 正弦信号合成的波形与实际方波更加接近。三角波合成电路产生的波形与实际三角
波很接近。测试结果见附图 3。
五、 小结
本设计完成了信号波形合成实验电路基本要求和发挥要求，能够对正弦信号进行正确选频，
并且能由谐波正确合成方波和三角波。最后能对正弦波幅度进行精确测量，并且采用自制电源给
系统供电，系统稳定可靠，完全满足题目要求。
六、参考文献
【1】 阎石.数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2005
【2】 孙肖子，邓建国等.电子设计指南.北京：高等教育出版社，2006
【3】 陈尚松，郭庆等.电子测量与仪器.北京：电子工业出版社，2009
【4】 华成英，童诗白等.模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2006
附图 1：方波振荡电路与滤波电路原理图
6
附图 2：信号调理电路、横幅移相电路和信号叠加电路图
7
5
8
2
3
4
6
7
1
U
1
O
P
A
2
7
7
+
5
V
-
5
V
5
6
0
p
F
C
2
5
6
0
p
F
C
1
2
2
K
R
1
2
2
K
R
5
2
2
K
R
4
1
0
K
R
2
G
N
D
G
N
D
1
2
3
4
5
6
7
8
U
3
L
M
3
1
1
D
+
5
V
-
5
V
1
.
2
K
R
7
9
.
1
K
R
6
1
K
R
3
5
8
2
3
4
6
7
1
U
2
O
P
A
2
7
7
1
0
K
R
9
1
0
K
R
8
+
5
V
-
5
V
1
0
K
R
4
5
R
e
s
T
a
p
+
5
V
-
5
V
1
0
K
R
4
3
1
0
K
R
4
4
0
.
1
u
F
C
3
0
.
1
u
F
C
4
0
.
1
u
F
C
7
0
.
1
u
F
C
8
0
.
1
u
F
C
5
0
.
1
u
F
C
6
G
N
D
G
N
D
G
N
D
G
N
D
G
N
D
G
N
D
I
N
V
B
1
V
1
B
2
V
2
B
3
V
+
4
S
H
D
N
5
V
2
A
6
V
1
A
7
I
N
V
A
8
I
N
V
C
1
6
V
1
C
1
5
V
2
C
1
4
V
-
1
3
A
G
N
D
1
2
V
2
D
1
1
V
1
D
1
0
I
N
V
D
9
2
L
T
C
1
5
6
2
5
1
K
R
2
6
9
1
K
R
3
7
9
1
K
R
1
5
1
5
0
K
R
1
6
1
5
0
K
R
3
6
0
.
1
u
F
C
1
0
0
.
1
u
F
C
1
6
1
0
0
K
R
3
3
1
0
0
K
R
2
9
6
8
K
R
3
0
2
0
0
K
R
2
0
2
0
0
K
R
2
1
3
3
0
K
R
1
1
0
.
1
u
F
C
1
3
-
5
V
+
5
V
3
0
k
H
z
_
o
u
t
I
N
V
B
1
V
1
B
2
V
2
B
3
V
+
4
S
H
D
N
5
V
2
A
6
V
1
A
7
I
N
V
A
8
I
N
V
C
1
6
V
1
C
1
5
V
2
C
1
4
V
-
1
3
A
G
N
D
1
2
V
2
D
1
1
V
1
D
1
0
I
N
V
D
9
1
L
T
C
1
5
6
2
4
7
0
K
R
2
5
6
8
0
K
R
3
5
4
7
0
K
R
1
3
1
M
R
1
4
1
M
R
3
4
0
.
1
u
F
C
9
0
.
1
u
F
C
1
5
4
7
0
K
R
2
8
1
M
R
3
1
4
7
0
K
R
3
2
1
M
R
1
7
2
0
0
K
R
1
8
1
M
R
1
0
4
7
p
F
C
1
2
-
5
V
+
5
V
1
0
k
H
z
_
o
u
t
I
N
V
B
1
V
1
B
2
V
2
B
3
V
+
4
S
H
D
N
5
V
2
A
6
V
1
A
7
I
N
V
A
8
I
N
V
C
1
6
V
1
C
1
5
V
2
C
1
4
V
-
1
3
A
G
N
D
1
2
V
2
D
1
1
V
1
D
1
0
I
N
V
D
9
3
L
T
C
1
5
6
2
6
8
K
R
2
7
3
3
K
R
4
2
6
8
K
R
1
9
5
1
K
R
2
2
1
5
0
K
R
4
1
0
.
1
u
F
C
1
1
0
.
1
u
F
C
1
7
9
1
K
R
3
8
3
3
K
R
3
9
6
8
K
R
4
0
5
1
K
R
2
3
2
0
0
K
R
2
4
2
0
0
K
R
1
2
1
0
0
p
F
C
1
4
-
5
V
+
5
V
5
0
k
H
z
_
o
u
t
3
0
K
1
0
K
选
频
3
0
K
选
频
5
0
K
选
频
1
0
K
H
z
正
弦
信
号
3
0
K
H
z
正
弦
信
号
5
0
K
H
z
正
弦
信
号
方
波
振
荡
电
路
滤
波
电
路
相关推荐
2023年江西萍乡中考道德与法治真题及答案.doc
2012年重庆南川中考生物真题及答案.doc
2013年江西师范大学地理学综合及文艺理论基础考研真题.doc
2020年四川甘孜小升初语文真题及答案I卷.doc
2020年注册岩土工程师专业基础考试真题及答案.doc
2023-2024学年福建省厦门市九年级上学期数学月考试题及答案.doc
2021-2022学年辽宁省沈阳市大东区九年级上学期语文期末试题及答案.doc
2022-2023学年北京东城区初三第一学期物理期末试卷及答案.doc
2018上半年江西教师资格初中地理学科知识与教学能力真题及答案.doc
2012年河北国家公务员申论考试真题及答案-省级.doc
2020-2021学年江苏省扬州市江都区邵樊片九年级上学期数学第一次质量检测试题及答案.doc
2022下半年黑龙江教师资格证中学综合素质真题及答案.doc
