信号波形合成实验电路（C题）
摘 要
该设计从方波中分离出基波信号再将不同频率的正弦信号合成方波和三角波。以6M晶振作为振荡源得到基准方波信号，用数字计数器分频得到占空比50%的10K、30K和50K方波信号，经过有源滤波后得到相应的基波正弦信号，后通过幅度及相位调整用加法电路合成方波和三角波。该设计同时使用了峰值检波电路并用C8051F020单片机采样后在LCD显示屏上显示各路正弦信号峰值。该设计各项数据指标比较精确，合成波形对称美观无失真符合理论计算的结果。
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1 系统方案
1.1 方案比较与选择 方波发生器
方案一：采用555定时器。用555定时器实现多谐振荡器，简单易行，振荡频率和输出脉冲占空比可调。
方案二：采用6M晶振。对6M晶振进行分频实现方波振荡电路。晶振产生的方波频率精确。因此选用方案二。 滤波器
方案一：采用无源滤波电路。但电路中电感的参数不好设置，且电感的标称值与实际值有时相差较大。
方案二：采用有源滤波电路。电路形式较为固定，只用更改电容参数，即可改变滤波器的截止频率。因此选用方案二。 峰值检测电路
方案一：简单二极管电容型。由二极管和电容组成，此电路简单但不稳定。
方案二：含运放峰值检测电路。由运放构成的电压跟随器和二极管电容构成，经实测此电路稳定且性能较优，因此选用方案二。
1.2 方案描述
由6M晶振经20分频产生300KHz的方波。采用74LS161和74S74对电路进行30、10、6分频得到频率为10KHz、30KHz、50KHz的方波。经滤波电路得频率为10KHz、30KHz、50KHz的正弦波。对滤波后10KHz、30KHz、的正弦波进行调幅放大，以达到题目要求的产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为6V和2V。各频率的信号经移相器和调幅电路，保持各个正弦波之间的相位和幅度满足方波或三角波的准确关系。最后送入加法器得到合成波。利用峰值检波电路和单片机实现对正弦信号的幅度进行测量及数字显示的功能。系统框图如图1所示。
幅度测量 及显示 方波 方 加调移波分滤 法 幅 相 产频 波 三角波 生
图1 系统总体框图
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2 理论分析与计算
2.1 分频
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，则方波发生器产生的频率为300KHz。
要得到300KHz的方波，采用对6MHz的晶振进行20分频。此处20分频采用的是二—五—十进制异步计数器74LS390，其内部含有两个同样的计数器。
将300KHz进行30、10、6分频分别得到需要的10KHz、30KHz和50KHz。为使最分频后的方波占空比为50%，采用先进行15、5、3分频后再2分频的方法实现。其中15、5、3分频利用4为二进制同步计数器74LS161，采用置数法实现任意模值分频。2分频采用D触发器（74S74）实现，D触发器特性方程为：
Qn?1?D （1）
将D端与Qn相连，即为2分频。
2.2 调幅与移相
由信号与系统的知识，方波可表示为：
4h111f(t)?(sin?t?sin3?t?sin5?t?sin7?t???) （2）
?357三角波可表示为：
8h111 f(t)?2(sin?t?2sin3?t?2sin5?t?2sin7?t???) （3）
?357 由上述两式可知，保持各个正弦波之间的相位和幅度的准确关系是准确合成方波和三角波的关键，为此，需要为各个频率的正弦波设计调幅电路和移相电路以调节大小和相位关系。
3 电路与程序设计
3.1 电路设计
本题目对硬件电路的要求比较严格，并且有数字与模拟部分的融合，具体模块为:方波产生电路、分频电路、滤波电路、调幅电路、放大电路、移相电路、峰值检波电路和加法器电路，下面分模块介绍电路的作用。 3.1.1方波产生电路
方波产生电路采用6M晶体振荡器做振荡源，然后采用74LS390分频得到300KHz的方波输出，具体电路如图2。
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图2 300KHz方波产生电路
3.1.2分频电路
分频电路采用74LS161和74LS74作为核心芯片，以74LS161做计数器，先将300KHz的方波分频成20KHz、60KHz和100KHz的波形在经过D触发器二分频得到需要的50%占空比的10KHz、30KHz、50KHz的方波。计数器采用同步置数，这样可以有效避免引入与非门电路而造成竞争冒险。得到50KHz方波电路图如图3。
图3 50KHz分频
3.1.3 滤波电路
滤波采用四阶有源巴特沃斯滤波器分三路分别对10KHz、30KHz和50KHz的方波滤波，得到相应的基波频率的正弦波，在设计滤波器的时候尽量使三次谐波的幅度相对于基波的幅度很小可以忽略，故对滤波器的截止频率没有严格的要求。本题设计的滤波器能够很好的得到相应的正弦波并且无失真，为了不在后级的放大电路中引入直流,在滤波器后面再加隔直电路，其中得到50KHz的滤波器电路如图4所示。
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图4 50KHz滤波电路
3.1.4 调幅电路
为了能够得到相应比例的正弦信号需要对不同频率的信号做幅度调整，如图反相放大电路能够满足要求，放大倍数
RA?-Rf （4）
调节电位器即可达到不同幅度的电压值输出。
图5 调幅电路
3.1.5 移相电路
移相电路采用两阶全通滤波器可以实现示。
-?~?的相位变化，具体电路如图6所
图 6 移相电路
3.1.6 加法电路
将三路正弦信号叠加合成方波和三角波，采用如下经典求和电路实现。
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