06队----信号波形合成设计报告.docVIP

信号波形合成 摘要 本电路实现了基于多个正弦波合成方波与三角波等非正弦周期信号的电路。使用TL082电路构成基准的300KHz的方波振荡信号，以74LS163、CD4013实现前置分频形成10KHz、30kHz、50kHz的方波信号，利用有源低通滤波器获得其正弦基波分量，以TL072实现各个信号的放大、衰减和加法功能，同时使用有源RC移相电路实现信号的相位调节；使用峰值检测电路获得正弦信号的幅度，以MSP430F5438作为微控制器对正弦信号进行采样，并且采用点阵液晶实时显示测量信号的幅度值。 关键词：方波振荡 方波分频及滤波 移相 信号合成 峰值检测MSP430F5438 一、方案论证 1、系统分析和整体设计 根据题目要求，通过方波振荡电路产生方波信号，经分频后得到各路需要的信号，因此方波振荡电路产生的信号频率应为各路信号频率的公倍数。由于需要的信号频率为10KHz，30KHz和50KHz，其最小公倍数为150KHz，若使用偶数分频，则应产生f=300KHZ的方波,分别经过6分频、10分频和30分频得到10KHz、30KHz、50KHz的方波，然后经过滤波器得到相应的正弦信号；用放大电路弥补分频滤波过程中的衰减，并将幅度调节至合成所需的比例关系。由傅里叶变换可以证明方波可表示为： 三角波可表示为： 所以频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ、70KHZ……对应幅值比为的正弦波可合成方波，频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ、70kHZ……对应幅值为的正弦波可合成三角波。同时，各分量对应的相位关系也由三角函数的形式及前面的符号所决定。因此，还需要通过移相使各频率的信号相位关系符合方波及三角波的合成要求，然后将对应幅度不同频率的正弦波形通过加法电路叠加成近似方波和三角波。同时，通过峰值检测电路检测各路正弦信号的幅度，并通过MSP430单片机内置的AD对电压幅值进行采样及显示。整个系统的原理框图如图1.1所示。 图1.1 系统方框图 2、单元电路方案设计、比较与论证： 2.1方波振荡电路方案 本系统中的方波振荡电路是后续各级信号产生的基础，对频率准确度和稳定度的要求较高。 方案一：555定时器组成的多谐振荡器，直接调节至300KHz左右的对称方波。此方案成本低廉，实现方便， 但其稳定性受到外部元件的影响，在振荡频率较高时频率稳定度不够。 方案二：使用运算放大器非线性产生，该电路结构简单，性能稳定，主要的限制因素在于比较器的速度。结合适当的RC参数，可以达到300KHZ的振荡频率。 因此。本系统采用方案二，此电路结构简单，产生的方波稳定性较好。 2.2分频电路设计方案 方案一：用锁相方法进行分频或倍频产生所需频率。 方案二：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。 本课题采用方案二。 2.3滤波电路设计方案 本系统中需要得到的正弦波均来自于对应方波信号的基频，因此只需使用低通滤波器，并将截止频率设置为高于基波频率并低于谐波频率即可。 直接采用TI 运放TL072及电阻、电容元件组成二阶巴特沃思低通滤波器进行有源滤波。 2.4移相电路设计方案 移相电路对分频滤波后的各路正弦信号进行相位移动，使它们的相位关系满足信号合成的需要。 方案一：采用无源RC移相网络。该方案电路简单，可以实现移相的目的，但是通过相移网络后信号有衰减，而且在调节相移的同时，信号的幅度也会发生变化，需要在后级再加入放大器进行补偿，增加了系统的复杂性。 方案二：采用有源RC移相电路，通过合理的设计，可以实现信号的幅度增益恒定为1，相位可调的效果。因此，本系统中采用方案二进行移相电路的设计。 2.5信号合成设计方案 方波信号经过分频、滤波后，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，合成为新的合成信号。本课题采用反向比利运算电路实现幅度调整，采用反向加法运算实现信号合成。 二、参数分析及计算 1、方波振荡电路 方波振荡电路如图2.1所示：图中，R1和R2用于改变滞回系数，（R3+R4）与C1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+R4）×C1×Ln（1+2R1/R2） T =T1+T2；T=2T1；T=2×（R3+R4）×C1×Ln（1+2R1/R2） 由于R1=R2；所以T=2×（R3+R4）×C1×Ln（1+2R1/R2）=2.2×（R3+R4）×C1 若所选频率f=300KHz=300000Hz，并且C1=1000P，则T=1/f=1/300000Hz（S）=3.333333×10－6（S）；则2.2×（R3+R4）×C1=3.333333×10－6（R3+R4）