2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛-设计报告.pdf-资料库

全国大学生电子设计竞赛 2010 年 TI 杯模拟电子系统专题邀请赛设计报告题目：信号波形合成实验电路（C题）学校：学院指导老师：参赛队员姓名：日期： 2010 年 08 月 24 日

全国大学生电子设计竞赛 2010 年 TI 杯模拟电子系统专题邀请赛 2010 年TI杯模拟电子系统专题邀请赛试题信号波形合成实验电路（C 题）一、课题的任务和要求课题任务是对一个特定频率的方波进行变换产生多个不同频率的正弦信号，再将这些正弦信号合成为近似方波和近似三角波。课题要求是首先设计制作一个特定频率的方波发生器，并在这个方波上进行必要的信号转换，分别产生 10KHz、30KHz 和 50KHz 的正弦波，然后对这三个正弦波进行频率合成，合成后的目标信号为 10KHz 近似方波和近似三角波。另外设计一个正弦信号幅度测量电路，以测量出产生的 10KHz、30KHz 和 50KHz 正弦波的的幅度值。课题还给出了参考的实现方法，见下图。图 1 电路示意图图 1 课题参考实现方案二、实现方案的分析 1．基本方波发生器方案的分析方波的产生方法很多，如用运算放大器非线性产生、用反向器及触发器产生、也可用模数混合时基电路 ICL7555 产生等。本例采用第一种方案，最符合题意要求。 2．波形变换电路方案的分析从某方波中提取特定频率的正弦波方案很多，如用窄带滤波器直接从方波中提取所需的基波或谐波；用锁相方法进行分频或倍频产生所需频率；用数字分频方案，从较高频率的方波或矩形波中通过分频获得所需频率方波并进行变换获得正弦波。本课题采用第三种方案。 3．移相方案分析在方波——正弦波转换中，难免会产生附加相移，通过移相来抵消附加相依，以便信号合成时重新实现同步。根据微分电路实现相位超前、积分电路实现相位滞后的理论，因此，采用微伏和积分来实现移相。 4．信号合成方案分析方波信号经过波形变换和移相后，其输出幅度将有不同程度的衰减，合成前需要将各成分的信号幅度调整到规定比例，才能合成为新的合成信号。本课题采用反向比利运算电路实 1

全国大学生电子设计竞赛 2010 年 TI 杯模拟电子系统专题邀请赛现幅度调整，采用反向加法运算实现信号合成。 5．信号检测和显示方案分析信号检测和显示部分采用 MSP430 单片机，由于信号最高频率仅 50KHz，采用高速运放 TLC083I 配合高频检波二极管和周围阻容元件制作一个平均值检测电路，送单片机的 10 位 AD 转换并换算，得到其幅值，送显示器 LCD1602 控制显示。三、总体方案的设计与实现 1．方波发生器电路的设计与实现本课题的方波发生器部分采用运算放大器设计，作为运算放大器非线性应用的最典型实例之一，通过制作后实测的效果看，所产生的频率稳定可靠。图中，R1 和 R2 用于改变滞回系数，（R3+ RW1）与 C5 决定了充放电的速率，充电周期为 T1，放电周期为 T2，且这里的 T1=T2，设总的充放电周期为 T，由此可得： T1=T2=（R3+RW1）×C5×Ln（1+2R1/R2） T =T1+T2；T=2T1 T=2×（R3+RW1）×C5×Ln（1+2R1/R2）由于 R1=R2；所以 T=2×（R3+RW1）×C5×Ln（1+2R1/R2） =2.2×（R3+RW1）×C5 若所选频率 f=300KHz=300000Hz，并且 C5=1000P，则 T=1/f=1/300000Hz（S） =3.333333×10－6（S） VDD 4 R2 4K7 U1A TL083I 1 1 1 C6 104 3 2 R1 4K7 GND C5 1000P R3 330 VEE RW1 2K f osc 则 2.2×（R3+RW1）×C5=3.333333×10－6 （R3+RW1）=（3.333333×10－6）/（2.2×1000×10－12）=1500（Ω）=1.5（KΩ）选择 RW 电位器为 2KΩ，配合 330Ω的电阻，调节电位器改变振荡频率。图 2 模拟电路 300KHz 方波电路 2．分频电路的设计与分析分频电路实现将某方波通过分频产生 10KHz、30 KHz 和 50 KHz 的新的方波。根据题意要求，在某特定频率的方波上要产生几个其他频率方波，可按照这些频率的最小公倍数×2 为原则，题目要求的三个频率为 10KHz、30KHz 和 50KHz，其公倍数为 150KHz，再乘以 2，则上述方波发生器为 300KHz。验证一下：300KHz 频率 30 分频得 10KHz，10 分频 30KHz，6 分频 50KHz。采用十进制计数分配器 CD4017 配合 D 触发器 CD4013 实现分频为上述 3 个频率的方波， CD4017 默认 10 分频，下图中二极管正极连接位置决定分频系数。对于 CD4013，所起的作用是将由 CD4017 分频后非 50%占空比调节为 50%。设计电路见图 3 所示，300KHz 输入信号送 CD4017 的 CLK（14pin），输出信号从 CD4013 的 Q 端送出。 2

全国大学生电子设计竞赛 2010 年 TI 杯模拟电子系统专题邀请赛 VDD 6 1 + V 14 13 15 CLK ENA RST VEE R5 100K VEE 12 D2 4148 CO U2 4017 - V 8 VEE Q0 3 Q1 2 Q2 4 Q3 7 Q4 10 Q5 1 Q6 5 Q7 6 Q8 9 Q9 11 VDD 6 4 1 S + V U5A 4013 V R - 4 7 VEE D5 CK3 Q 1 Q 2 图 3 分频器电路该图中由于 D2 接 CD4017 的 Q3，因此实现将 300KHz 3 分频，为 300KHz/3=100KHz 再经后级 CD4013 进行 2 分频，获得了 100KHz/2=50KHz 的频率。对于 30KHz 和 10KHz 的分析计算方法相同，不再细述。 3．方波——三角波变换电路方波——三角波变换电路采用由运算放大器组成的有源积分电路实现，见图 4 所示。 GND R9 3.6K 5 6 U1B TL083I 7 R10 3.6K C14 0.01U R11 200K 图 4 方波——三角波变换电路 4．三角波——正弦波变换电路三角波——正弦波变换电路采用单级 RC 无源积分电路实现，见图 5 所示。 R18 1K GND C17 0.01U 5．移相电路图 5 三角波——正弦波变换电路 3

全国大学生电子设计竞赛 2010 年 TI 杯模拟电子系统专题邀请赛在上述变换电路中曾出现过 RC 积分电路的应用，则会产生一定的相移，为了使合成波形达到相位要求，必须实现三路波形同步，这里的移相电路便实现这个功能，见图 6 所示。其中图 6（a）实现滞后相移 90 o；图 6（b）实现超前相移 90 o。 ui 20K 1K 2K 1000P 20K uo ui 1K 1000P 2K uo （a）滞后移相（b）超前移相图 6 移相电路根据需要，后续电路可接入超前移相的或滞后移相的移相器。 6．比例运算和和合成电路的分析和计算课题要求合成后的波形类同于方波和三角波，则三个频率分量要满足傅立叶变换系数的要求，这里就需要系数矫正电路，即比例运算电路，通过比例调节后加到一个加法器组成的叠加电路中，实现所要达到的相应的波形。设计的电路见图 7 所示。 10KHz GND 30KHz GND 50KHz GND 6 5 6 5 6 5 7 7 7 1 1 4 2 3 1 ZONGHE GND 图 7 比例运算和和叠加电路在进行信号合成前，各波形（10KHz 的基波、30KHz 的三次谐波、50KHz 的五次谐波）的幅度和相位都要进行按规定调节好，以下探讨信号叠加前各波形之间的相位和关系。 1）方波由傅立叶级数对方波予以分解可得 sin1 f n A 4 n π 3sin ++ ... t ϖ (sin t ω + t )( = 1 3 tn ϖ + ...) 4

全国大学生电子设计竞赛 2010 年 TI 杯模拟电子系统专题邀请赛可见各级谐波的系数比为 1:1 3 1: 5 。合成方波时，据题意， kHz 10 正弦波的峰峰值为 6V， 30 正弦波的峰峰值为 2V， kHz 50 正弦波的峰峰值应为 1.2V。另外，这些谐波要求初相位 kHz 相同，由式可知，初相位均为零。各自所需幅值可通过调节三个放大器的放大量获得，初相可通过上一节对相位调节电路的调节来获得。 2）三角波同样由傅立叶级数对方波予以分解可得 f t )( = A 4 n π (sin t ω − 1 2 3 3sin t ϖ + 1 2 5 5sin t ϖ ++ ... 1 2 n sin tn ϖ − 1 )1 + 2 ( n sin( n + t )1 ϖ ...) 可见前三级各级谐波的系数比为 1:1 − 9 1: 25 。合成三角波时，据题意， kHz 10 正弦波的峰峰值为 6V， kHz 30 正弦波的峰峰值为 0.67V， kHz 50 正弦波的峰峰值应为 0.24V。另外，这些谐波中每隔一个相位取反。各自所需幅值可通过调节三个放大器的放大量获得，初相可通过上一节对相位调节电路的调节来获得。 6．单片机的监测电路和检测显示流程单片机的任务就是测量某路的正弦波的幅值和送显示，其组成部分有精密检波电路、平滑滤波电路、单片机 MSP430F2274 最小系统和 LCD1602 字符液晶显示器等几个部分组成，见图 8 所示。被测信号 10KHz、 30 KHz、 50 KHz、正弦信号精密检波电路平滑滤波电路 MSP430F2274 单 AD 片转机换 D-BUS C-BUS LCD 液晶显示器该部分精密检波电路采用平均值全波精密检波方案，实现将 10KHz、30 KHz、50 KHz 图 8 单片机检测和显示系统框图各个正弦波被测信号转换为脉动全波直流电，其电路图和波形图如图 9 所示。图 9 全波精密整流电路及输入输出波形 5 ui uo

全国大学生电子设计竞赛 2010 年 TI 杯模拟电子系统专题邀请赛上图中的脉动直流电还不能直接送单片机检测，可加一 RC 平滑滤波电路后为平滑直流电，如图 10 所示。 uo 0 ui uo 整个项目的程序编制尤为简单，如下框图所示。（a）RC 平滑滤波电路（b）滤波后的波形图 10 RC 平滑滤波电路和波形约平均值 t 图 14 程序流程图四、整机指标及系统测试 1．整机指标 1）电源供电：双 DC8V±2V，60mA 6

全国大学生电子设计竞赛 2010 年 TI 杯模拟电子系统专题邀请赛 2）使用环境：温度-20O C——+80 O C；湿度 0——95%RH 3）外观尺寸 420×360×75 4）MCU 检测系统的检测误差：小于等于 2% 2．系统测试 1）目标为方波系统时分解后的各信号测试分离的正弦波幅度（VP —P）：10KHz 为 6.03V；30KHz 为 2.01V；50KHz 为 1.18V 分离的正弦波失真度：10KHz 为 20%；30KHz 为 16%；50KHz 为 9% 2）目标为三角波系统时分解后的各信号测试分离的正弦波幅度（VP —P）：10KHz 为 6.03V；30KHz 为 0.63V；50KHz 为 0.26V 分离的正弦波失真度：10KHz 为 20%；30KHz 为 14%；50KHz 为 21% 3）合成后的方波：（10KHz+30KHz）失真度 22%，幅值：5.08V （10KHz+30KHz+50KHz）失真度 17%，幅值：4.93V 4）合成后的三角波：（10KHz+30KHz+50KHz）失真度 15%，幅值：7V 7

资料库

2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛-设计报告.pdf

相关推荐

行业

热门标签

最新资料