信号波形合成器

信号波形合成器的设计与总体报告 ——幻影凌风 摘要 该系统基于多个正弦波来合成方波及三角波等非正弦周期信号的电路。使用 555 电路构成基准的方波振荡信号，以 74LS160、74LS90 等实现前置分频形成 10KHz、 30kHz、50kHz的方波信号，利用积分电路和 RC选频网络将方波转换为正弦波， 以 NE5534 低噪声运放实现各个信号的放大、衰减和加法功能，同时使用 NE5534 构成的移相电路实现信号的相位同步。二极管峰值包络检波电路获得正弦信号的 幅度，以 MSP430 作为微控制器对正弦信号进行采样，并且采用段式液晶实时显 示测量信号的幅度值。本设计能产生波形很好的 10KHz、30KHz和 50KHZ 正弦波， 且各个波形幅度可调相位可调，合成出的波形与 Matlab 仿真一样，波形纯净； 对幅度的采样较为精确。 本设计采用的“TI”芯片有：MSP430 NE555 NE5534 NE5532 ADS1255 TL431 LM1117 OPA227 OPA2227 THS4503 一、 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计与论证 1、振荡电路 要产生多个不同频率的正弦信号可以有很多方法：分立元件、集成芯片，包 括单片机或 FPGA等都可以产生。因为题目 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 用 10KHz、30KHz、50KHz 三种频 率的波来合成，幅度一定且具有确定的相位关系。因此采用的振荡电路是我们首 先要考虑的问题。 方案一 采用晶体振荡电路。晶振构成的振荡电路品质优良，产生的信号频 率精确，无需考虑额外配件和匹配问题。但晶体振荡器的频率一般很高，而且不 能调节，因此对后级分频电路要求很高。就本题而言，所要求的 30KHz都需要多 次分频，电路复杂、元件多、成本高。 方案二 采用压控精密函数发生器 MAX038，能精密的产生正弦波、方波、三 角波、锯齿波，频率范围从 0.1Hz～20MHz，最高可达 40MHz，各种波形的输出幅 度均为 2V，但是由于现在这种芯片的产量很少，且同样的波形在低频段不失真， 高频段失真度大，输出频率也需要通过调整外部元件，因而元件分散性太大，高 频失真大，抗干扰能力差。 方案三 采用 NE555构成多谐振荡器，通过调整外部元件参数可改变输出频 率，频率可连续变化但只能输出方波，要输出正弦波和三角波还需要通过一系列 波形转换电路。 综上，出于电路简单，稳定性好的特点，我们振荡电路采用 555构成多谐振 荡器，通过分频与滤波后形成三个所需信号。 2、分频滤波电路 由于采用了 555构成的多谐振荡器产生方波，而输出限制在一个固定频率， 当 555外围参数固定，则输出频率固定。 方案一 振荡器产生 10KHz 的方波，然后滤出三次谐波 30KHz 及五次谐波 50KHz.由信号分解可知，这样可以实现获取三种频率且幅度成一定比例的正弦波 信号。但经过试验发现，在 10KHz 方波中滤出基波频率较为简单且波形较好但滤 出的三次谐波和五次谐波波形出现了较大失真。 方案二 分频实质上就是一个计数过程，需要得到的频率是通过对输入频率 的计数实现的。首先 555输出 300KHz 的信号，这里分频可以用 FPGA实现，也可 以用分频芯片实现。但是因为很多信号分频后占空比不是一半，则每个分频最后 都为二分频。 综上，后级分频电路可选的芯片很多，10Khz 是三十分频即先三分频再十分 频：我们采用的是 74LS160 构成三分频，然后通过 74LS90构成十分频，分频出 来恰好为 10KHz 占空比为一半的方波。30KHz 就直接用 74LS90 十分频，50KHz 是六分频即先用 74LS160 三分频再用 D触发器二分频。 3、波形转换电路 因为分频后是方波，所以要经过波形转换电路。 方案一 低通滤波。构造一个低通滤波器，方波通过低通滤波器滤掉高频分 量，剩下的频率合成为一个正弦波。 方案二 方波先转为三角波再转为正弦波。 由于低通滤波器对参数要求很高，所以我们采用先转换为三角波在转换为正 弦波。 4、其他 题目要求输出要求有一定相位关系，所以移相电路是必须的。因为最后要合 成方波和三角波所以需要两个加法器。幅值的测量我们选择了峰值检波，然后通 过 AD给 MSP430 单片机，单片机进行显示。 二、电路设计 1、总体设计 根据题目的要求，该信号波形合成既要实现方波的合成又要实现三角波的合 成，而且参与合成的波具有一定的相位关系。本系统以 555 振荡器为基础，产生 的 300KHz方波通过后级分频形成 10KHz、30KHz、50KHz的方波，通过波形转 换形成三种频率的正弦波，再通过移相电路进入加法器。幅值的测量放到移相电 路之后，合成电路之前，通过峰值检波后送入 AD 再送给单片机处理。 系统总体框图见附录图 1. 2、方波产生模块 如附录图 2是由一个 555电路构成的多谐振荡电路。它的振荡周期为 22321 C)2RR)(2(lnT  tt 故：频率 223 C2RRln2 1 f ））（（   由于频率为 300KHz，则 -6 223 104.8C2RR  ）（ 当 1nFC2  ，则 48002RR 23  .取定 120R 2 ，则  4560R 3 ，我们将 3R 接 为 5K 的滑动变阻器便于调节。 3、分频模块 由于我们要分别产生 10KHz、30KHz、50KHz的三种频率，所以我们要采用分 频电路。而计数器分频后有些波形占空比不是 2 1 ，所以当占空比不是 2 1 时，我们 最后分频都需要用 D触发器来二分频。 对于 10KHz，我们先三分频再十分频。三分频我们用 74LS160 构成，74LS160 管脚图及真值表如附录图 3所示。QA QB QC QD 分别代表从低位到高位，使能端 /CLR表示异步清零，/LD表示同步置数。若为异步清零则需要增加一个状态。计 数从 0开始，当计到 2时给一个置数端/LD一个信号随后又返回 0，此时输出就 是 CLK的三分频。具体原理图见附录图 4.十分频我们用 74LS90 完成，输出波形 占空比刚好为二分之一。具体原理图见附录图 5. 对于 30KHZ，我们直接采用十分频即 74LS90 电路。原理图如附录 5. 对于 50KHz，可以先三分频在二分频，三分频可以和 10KHz 复用，二分频电 路可用 D 触发器，将 D 触发器/Q 端和 D 端接在一起构成了 T 触发器。具体原理 图见附录图 6. 4、波形转换模块及选频模块 这里先将方波——三角波——正弦波。方波——三角波采用由运算放大器组 成的有源积分电路实现，见附录图 7 所示。三角波——正弦波变换电路采用单级 RC 无源积分电路实现，见附录图 8 所示。 5、移相模块 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，且相位可调。见附录图 9.其中（a）实现滞后移相 90 o，（b）实现超前 相移 90 o。 6、波形合成模块 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 附录图 10 所示，其中（a）为方波合成电路，（b）为三角波合成电路。 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 ...)sin 1 ...3sin 3 1 (sin 4 )(  tn n tt n A tf   可见各级谐波的系数比为 5 1 : 3 1 :1 。合成方波时，据题意， kHz10 正弦波的峰 峰值为 6V， kHz30 正弦波的峰峰值为 2V， kHz50 正弦波的峰峰值应为 1.2V。另 外，这些谐波要求初相位相同，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 ...)5sin 5 1 3sin 3 1 (sin 4 )( 22  ttt n A tf   可见前三级各级谐波的系数比为 25 1 : 9 1 :1  。合成三角波时，据题意， kHz10 正弦波的峰峰值为 6V， kHz30 正弦波的峰峰值为 0.67V， kHz50 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。 三、软件设计 MSP430 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 有检波电路、AD 转换、单片机 MSP430F149 最小系统和 LCD12864 液晶显示器 等几个部分组成。 ADC 将峰值检波电路的输出采样，量化后送给 MSP430 单片机。 开始 5次采样是否结束 接收数据 数字滤波 显示 结束 AD采样 单片机初始化 液晶初始化 AD初始化 四、测试方法与测试结果 1、测试仪器 合成函数信号发生器：NDY EE1410 数字示波器：RIGOL DS1052E 直流四路稳压电源：DH1723-1 数字万用表 2、测试方法 调节移相电路，使三个波形同相送入加法器，用示波器观察其合成输出 3、测试结果 输出信号记录： 理论 实际 频率 峰峰值 频率 峰峰值 10KHz 6Vpp 10KHz 6.04Vpp 30KHz 2Vpp 30KHz 2.00Vpp 50KHz 1.2Vpp 50KHz 1.20Vpp 方波合成： 三角波合成： 五、改进 1、由于 555 振荡电路产生的方波信号为直流，而通过波形转换后若要有波形输 出则必须输出交流信号。所以我们利用滑动变阻器将直流信号拉低为交流。 2、AD若要精确采样则检波电路越精确越好，这里我们测量精度达到 5%的误差， 若要更精确，则要更好地检波电路。 附录 振荡器 分频电路 300KHz 方波 10KHz方波 30KHz方波 50KHz方波 方波/正弦波 转换电路 方波/正弦波 转换电路 方波/正弦波 转换电路 移相电路 移相电路 移相电路 加法器 示波器 输 出 峰值检波A/D单片机LCD 10KHz 30KHz 50KHz 图 1.系统总体框图见附录 图 2 方波产生电路 图 3 74LS160 引脚图及真值表 图 4 74LS160 三分频原理图 图 5 74LS90 十分频原理图 图 6 六分频图 5 6 7 U1B TL083I C14 0 .01U R11 200K R10 3 .6K R9 3.6K GND 图 7 方波——三角波 R18 1K C17 0 .01U GND 图 8 三角波——正弦波 （a）滞后移相 （b）超前移相 图 9 移相电路 （a） 方波合成电路 （b） 三角波合成电路 图 10 波形合成电路