第六组---信号波形合成实验电路设计.docVIP

信号波形合成实验电路设计 指导老师：邵建设 队员及年级：方辉（08级），卫鹏（08级），谭诗梦（08级） 学校及院系：黄冈师范学院物理科学与技术学院 摘要：本设计通过产生不同频率和幅值的正弦信号，并将这些信号合成为近似的方波和三角波，构成了信号波形合成实验电路。本系统主要由8个部分构成：由MAX038构成的方波振荡电路；主要由集成计数器74LS90和作为D触发器的CD4013构成的分频电路；使用OPA842构成的窄带通滤波电路；由双运放构成的移相电路；加法器合成电路；三角波合成电路；使用AD637构成的真有效值检测电路；单片机控制电路。在本设计中，方波振荡电路可产生不同频率的方波，经过分频电路和隔直电容以后成为双极性方波。再经过滤波和放大以后得到了所需的各次谐波，其经过移相电路之后初相位相同，即可通过加法器合成为近似的方波和三角波。各次谐波有效值可检测并由单片机控制对幅度进行显示。系统工作稳定，基本达到了题目的所有要求。 关键字：方波振荡电路；分频；移相；真有效值；信号合成。 一、方案设计与论证 1.1 方案设计 1.1.1 方波振荡电路设计方案 方案一：用555定时器构成的多谐振荡器产生单极性方波（脉冲）。可将电路设计为占空比为50%的单极性方波，该电路灵活方便，低功耗，输入阻抗高，输出驱动电流大。但其回差电压过大，产生波形的频率不够精确，易失真。故不采用此方案。 方案二：用信号源产生双极性方波。采用低温漂、低失真、高线性单片压控函数发生器集成电路MAX038设计，能精密地产生三角波、方波、正弦波信号；频率范围从0．1Hz～20MHz，最高可达40MHz；占空比调节范围宽，最大调节范围10％～90％，利用控制端FADJ、DADJ实现频率微调和占空比调节，互不影响；波形失真小，占空比调节时非线性度低于2％。从频率范围，频率精确度，对芯片及波形的控制性能，都能达到要求。故采用此方案。 1.1.2 分频电路设计方案 方案一：利用数字电路设计分频电路。通过计数器计数来实现，由待分频的时钟边沿触发集成计数器计数，当计数器到规定值时，输出时钟进行翻转，并给计数器一个复位信号，使得下一个时钟从零开始计数。以此循环下去。这种方法可以实现任意的整数分频电路。 方案二：使用编程方法实现分频电路。其原理与利用集成计数器相同，实现起来也十分简单，但分频得到的时钟可能会出现毛刺或不稳定的因素，适用于时钟要求不高的基本设计，且对于整数分频可以很容易地用计数器来实现，故不采用此方案。 1.1.3 滤波电路设计方案 由分频电路产生的单极性方波需要经过窄带通滤波电路形成正弦波。其带通的范围很窄，要与各次谐波的频率接近。 方案一：使用由LC网络组成的无源高阶巴特沃斯滤波器。其通带内相应最为平坦，衰减特性和相位特性都很好，对器件的要求也不高。但其在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点。 方案二：采用二阶有源带通滤波电路实现。其原理是将带通滤波器的技术指标分成低通滤波器和高通滤波器两个独立的技术指标，分别设计出低通和高通网络，再串联即得带通滤波电路。用集成运放和RC网络组成的二阶有源滤波电路器的滤波效果更好，幅频相应更接近理想特性，此外，它还具有一定的增益。故选此方案。 1.1.4 移相电路设计方案 方案一：利用RC移相电路。RC移相电路主要是由电容的电流超前电压90度这一特性。RC滞后移相电路是电阻在前面，电容在后面。输入信号从电阻进入，输出信号是从电容上输出，其与电容并联，电压相等，所以输出电路的电压也滞后电流。同理，RC超前移相电路是电容器在前面，电阻在后面。可通过改变RC的值来改变移相的度数，相移在0°—90°之间变化。使用RC移相电路输出波形受输入波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等。 方案二：使用双运放做移相电路。此电路主要也运用了电容的电流超前电压90度这一特性。但其不是单纯的无源电路而是结合了集成运放的有源电路，其体积小、性能稳定图1 方波合成波形 1.2.2 三角波信号的合成与分解 由公式可得，三角波由一系列正弦波合成。基波和各阶谐波振幅比为，振幅比为1:3:5:7:…，它们的初相位相同。此处我们将产生的原各次谐波经过相应的幅值和相位的改变，将基波的幅度放大为原来的1.5倍即4.5V，将三次谐波的幅度缩小为原来的1/4即0.25V，并将相位移动180°，将五次谐波的幅度缩小为原来的3/10即0.18V，将各次谐波合成，即，就会形成近似于频率为11KHZ，峰峰值为10V的三角波。 系统实现 2.1 系统原理框图 +5V 300KHZ +2.5V 10KHZ