C信号波形合成实验电路报告.doc

信号波形合成实验电路 摘要：本设计首先从理论上进行了方案的论证，在确定方案的同时，进行了详细的理论分析与计算，给出了系统设计框图和具体的电路设计与相关程序设计方法。使用555、TLV2463、TLC084I、OPA842、LM224以及MSP430F5438等芯片，综合应用数字电路和模拟电路，经测试，完成了谐波信号的产生与合成的竞赛所有基本要求，以及三角波合成，正弦信号幅度实时测量与显示等全部的提高要求。 关键词:傅里叶变换 方波发生器 低通滤波 移相模块 方案的选择 根据设计要求，有多种可选的方案，主要是产生谐波所需信号的不同： 方案一：利用单片机直接产生方波，然后滤波得到相关的正弦波， 再利用移相合成电路合成，此方法的优点产生的波稳定，不会有失真现象；缺点峰值由单片机本身决定，不易控制。 方案二：利用模拟电路产生方波。此方法采用RC振荡产生方波，优点：容易改变幅度、频率，缺点：方波的频率和波形不易平衡，并且模拟电路的抗干扰能力弱，波形容易失真。 方案三：利用数字电路产生方波。此方法占空比易调，方波比较稳定。流程如图1 综合考虑，我们选用方案三。 系统设计 2.1系统结构 本系统主要分为方波振荡与分频模块、滤波模块、移相模块、信号合成模块以及正弦信号幅度实时测量与显示模块五个部分组成。 其结构如图2 各模块功能描述： 方波振荡与分频模块：采用555、74LS160等芯片搭建数字电路产生10kHz、30kHz、50kHz的方波信号。流程图见图1 滤波模块：滤波采用低功耗运算放大器TLV2463搭建二阶巴特沃斯低通滤波器实现。用三条通路分别实现10kHz基波、30kHz三次谐波、50kHz五次谐波以最小的衰减通过，滤波效果满足设计要求。 移相模块：利用移相电路实现三次谐波、五次谐波与基波信号的匹配，为合成方波信号奠定相位基础。 信号合成模块：用OPA842宽带低失真单位增益稳定的电压反馈运算放大器实现信号的幅度调整以及混合电路。用OPA842运算放大器实现正弦信号合成，调节三条通路的电位器保证频率为10kHz、30kHz、50kHz的正弦波以1::的幅值比例进入OPA842同相输入端，合成方波。在方波电路后加积分电路实现三角波输出。 正弦信号幅度实时测量与显示模块：采用MSP430F5438作为微控制器。 通过软件设计主要实现各个正弦信号的幅度测量以及数字显示功能。为了减少功耗，并降低数字系统对模拟信号的干扰，控制数据设置完成之后，将MSP430F5438设置为低功耗模式。 2.2 方波三角波信号合成原理 数学基础： 任何具有周期为T的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即： 其中：T为周期，为角频率。＝；第一项为直流分量。 所谓周期性函数的傅里叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有ｎ阶谐波的迭加。 取方波函数 此方波为奇函数，它没有常数项。数学上可以证明此方波可表示为： = 同样，取三角波函数： 数学上可以证明此三角波可表示为： = 由上式可知，方波由一系列正弦波(奇函数)合成，这一系列正弦波振幅比为1:::，它们的初相位为同相；合成三角波的正弦波振幅之比为1：::。 在作品中，我们用不同截止频率的低通滤波器分离出基波（10kHz）、三次谐波（30kHz）、五次谐波（50kHz），并且用一个大电容滤去其直流分量，然后移相到相位一致，调节电路参数以1::幅值比例合成正弦波，以1：:幅值比例合成三角波。 2.3主要设计指标： 主方波信号：60khz 谐波信号：基波 10khz 正弦 3次 30khz正弦 5次 50khz正弦 合成输出 近似方波 合成输出 近似三角 系统的具体实现与理论分析 3.1 方波信号发生与分频电路 见方案选择部分。 3.2 滤波电路（见图三） 理论计算：R1=R2=R； C1=C2=C； Q=Peaking Factor（Butterworth Q=0.707） f_3dB= R3= 调节R1、R2的值，使得三条通路的滤波截止频率分别在15kHz、35kHz、55kHz左右，使得频率为10kHz、30kHz、50kHz的正弦波以最小的衰减通过，频率为相对应为30kHz、50kHz、70kHz的部分衰减到5%以下。 3.3移相电路（见图4） 原理：定义fi为移相的输入频率,Vo1为U1的输出电压，Vo3为U3的输出电压,R6=R7=R,C3=C4=C. 当fc==fi,Vo1滞后45°，Vo3超前45°， 令：Vi= Vo=