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信号波形合成实验电路
摘 要：本设计由六个模块构成：方波信号产生模块，正弦信号产生模块<滤波模块），幅度调节模块，波形叠加模块，以及正弦波幅值测量。利用晶振和CD4060产生方波，以提高信号的频率稳定度，采用74LS161构成分频电路得到所需要的信号频率。使用Filter Solution软件设置RC参数实现具有较好截止特性的低通滤波器对方波进行滤波，以得到所需正弦信号，幅度、相位调节后用运算法放大器构成加法电路实现正弦信号的合成，采用减法电路实现三角波。采用MSP430单片机控制TLV1544实现了电压测量功能。 关键词：信号合成，滤波，TLC085,MSP430
Abstract： This design consists of six blocks: pulse signal generated module, sine signal generated module (filter module>, amplitude adjustment module, waveform modules,and the sine wave amplitude measurement modules. Use crystals and CD4060 produce square, in order to improve the signal frequency stability, using 74LS161 constitute frequency circuit receive required signal frequency. Using the software configuration separate RC parameters have good by the characteristics of wavelet to other low-pass Filter to get Filter for sinusoidal, amplitude, phase adjusting method of operation amplifier comprise by addition of sine signal circuit implementation, using subtraction circuit realized triangle. Using MSP430 MCU control TLV1544 realized voltage measurement functions. Keywords：signal synthesis, filtering,TLC085,MSP430
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目录
1.方案设计与论证1
1.1 方波振荡器单元方案设计1 1.2 分频器单元方案设计2 1.3 滤波单元方案设计2 1.4 移相单元方案设计2 1.5 加法器单元设计3 1.6 正弦波幅度测量模块3 2.电路设计3
2.1 方波振荡电路3 2.2 分频器电路4
2.3 滤波单元电路设计4 2.4 调相单元电路5 2.5 加法器单元电路5 2.6减法器单元电路5
2.6 正弦波幅度测量模块电路6 3.系统测试6
3.1 测试仪器6 3.2 测试方法6 3.3 测试数据8 3.4 误差分析9 4. 设计总结9 5.参考文献9
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1.方案设计与论证
分析题目要求可以将电路分成几个模块，振荡电路产生所需要的方波后经分频滤波产生正弦信号，调相将10kHz方波的各次谐波对准并调节它们幅度，利用加法器进行叠加得到一个方波信号。这原理可以利用傅里叶级数分析得到。设计者认为难点在于采用各种频率方波的产生和滤波器设计。 根据题目基本要求系统方案如图1所示：
图1 系统组成框图
方波
1.1 方波振荡器单元方案设计
竞赛任务中需要产生10kHz、30kHz和50kHz的正弦波信号，为了方便后续分频设计，设定方波振荡电路输出频率为750kHz，设计过程中我们比较了如下几种方案： 方案一：采用比较器
在低频范围内<10Hz-10kHz）内，对于固定振荡频率来说，该方法是一种实现简单、效果理想的方波振荡器。而本设计中需要方波振荡电路产生150kHz方波，若采用该方案则会出现后沿失真的矩形波，故本设计不采用该方波振荡电路。 方案二：采用NE555集成芯片
用NE555集成芯片外接电阻电容产生方波信号，能够满足设计的频率需要，但在大赛期间实际搭建时产生的波形有失真,产生的方波信号易受干扰，信号波形不稳定毛刺较多不利于分频，因此舍弃此方案。 方案三：锁相环CD4046
CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，具有电源电压范围宽<为3V－
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18V），输入阻抗高(约100MΩ>，动态功耗小的特点。产生的方波信号频率满足设计需要，并且波形理想。故本设计采用该方法实现方波振荡电路。 1.2 分频器单元方案设计
在该部分电路设计时，设计者考虑了几个问题：首先，信号波形要纯净方便，频率成份清楚；其次，就是信号输出的占空比最好是50%，考虑了如下几种方法： 方案一：FPGA/CPLD可编程逻辑器件
在FPGA/CPLD上使用 VHDL 进行分频器设计，可以实现任意分频，且信号稳定性好，考虑到与模拟设计大赛主题，没有采用该方法。 方案二：脉冲计数分频
采用计数器电路可方便有效地实现分频功能。在功能上能够满足需要且电路简单，因此决定采用计数器74HC161等芯片实现分频功能，但若要实现50%的占空比则电路相对较为复杂。 1.3 滤波单元方案设计
滤波单元电路完成的功能是将分频后的方波信号转化成相应频率的无失真的正弦信号。要充分考虑滤波器过渡带、衰减带特性。 方案一：无源滤波
RC无源滤波器具有电路简单，抗干扰性强，较好的低频性能，但是RC参数计算较为困难，在滤波特性上与有源滤波相比有一定差距。 方案二：有源滤波器
有源滤波电路是指使用放大器实现滤波功能。有源滤波能够滤除谐波，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。并且考虑到竞赛的要求，选用了TI公司的LM358进行滤波单元的设计。 1.4 移相单元方案设计
通过对方波信号频谱的分析以及MATLAB仿真可知，6V、10kHz的正弦波信号和2V、30kHz的正弦波信号在相位一致时，能够合成所需要的波形信号。由于前端对两路信号进行了滤波，造成了相位偏移，故需通过移相电路使得两路信号相位一致。本设计采用电路简单的RC电路，设定合适的电容和变阻值,能够满足设计需
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要。 1.5 加法器单元设计
该单元是将调相后的两路信号进行叠加，得到需要的波形信号。按照竞赛要求选择TI公司的TLC085进行加法器的设计。 1.6正弦波幅度测量模块
该题目唯一可以使用的微处理器模块在此，采用TI MSP430超低功耗单片机，控制外部AD器件实现对信号采集和测量。 2.电路设计
本次竞赛中C题的任务是设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波和其他信号。 通过对方波信号的频谱进行分析：
其中的
可以看出方波信号可由相位相同的10kHz、30kHz、5010kHz等奇次正弦信号叠加而成。基于此原理进行电路设计。 2.1 方波振荡电路
采用12M晶振，管脚10，11接电容后接地，Q4端输出，经16分频后生成750K方波，频率稳定，波形良好。 图 2 方波振荡电路