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信号波形合成实验电路 摘 要：本系统采用74HC4060芯片作为方波发生电路的主要芯片，配合24M的晶振，产生1.5M稳定的方波信号，将信号通过CPLD分频处理，得到10K、30K、50K三种不同频率的方波，将信号通过低通滤波器后，得到单频的正弦信号，为了保证最终波形的叠加效果，使用幅度与移相调节电路对三路信号进行调整，三路信号进入加法器叠加，最终得到近似的合成波形。系统主要由四大模块构成：方波发生电路，分频滤波电路，幅度与移相调节电路和波形合成电路构成。 一、系统总体方案 本系统以74HC4060与24M晶振构成方波发生器，产生1.5M稳定的方波信号，将信号进行分频滤波处理，得到10K、30K、50K三种不同频率的正弦信号，为了保证最终波形的叠加效果，使用调幅移相电路对三路信号进行调整，三路信号进入加法器叠加，最终完成波形合成。 二、理论分析 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。数学上可以证明方波可表示为： （1） A=4h/，h为方波信号峰值。 已知基波峰峰值要求为6V，故A=3 ，所以3次谐波对应的幅值为1V，5次 谐波对应的幅值为0.6V。 当基波与3次谐波，5次谐波信号叠加时根据公式（1）可得到近似方波，在 matlab中仿真图如图1，可清晰的观察到方波信号合成的原理。 同样，对于三角波可以表示为： （2） 其中B=8h/，h为三角波信号峰值。 已知基波峰峰值为6V，故B=3 ，所以3次谐波对应的幅值为1/3V，5次谐 波对应的幅值为3/25V。 当基波与3次谐波，5次谐波信号叠加时根据公式（2）可得到近似三角波。 在matlab中仿真图如图2，可观察到方波信号合成的原理。 三、方案论证与比较 1.方波发生电路 方案一：采用反向输入的滞回比较器，RC电路和稳压管产生方波，它是一种产生固定的低频频率方波信号较好的振荡电路，且灵敏度较低，不适用于高频电路。 方案二：采用NE555构成单稳态触发器产生方波信号，它是通过电容的充放电产生暂稳态构成方波，但随着暂稳态宽度的增加，它的精度和稳定度也将下降。 方案三：用74HC4060由一振荡器和 14 级二进制串行计数位组成的方波发生器，在振荡器晶振为24M时可产生一个频率为1.5M的方波信号且无明显失真。 方案比较：题目要求能分频得到10K，30K，甚至50K的分频信号，为了满足要求，生成的方波信号频率要尽量高、失真小，而且最好是要求的3个分频信号的公倍数，方案一、二都不能满足要求，故采用方案三。 2.分频滤波电路 A、分频电路 方案一：利用分立元件实现分频功能，即采用74LS160计数器产生分频，但因其所需器件多且电路制作复杂，故不选。 方案二：用CPLD实现状态机原理编程，在输入1.5MHz方波后可以使产生的三路信号做到很好的同步，又可以实现相位的调整，故选方案二。 B、滤波电路 方案一：采用TLC04ID 巴特沃斯四阶低通开关电容滤波器芯片，虽然它的滤波性能稳定且抑制波纹干扰能力强，但其截至频率范围为0.1~40kHz,不满足电路要求的50kHz，且实验时产生的波形失真较大，故不选。 方案二：采用集成运放进行有源滤波器的设计，能够前后级之间互相独立地设计，确定各级滤波器的截止频率，准确地实现了题目所要求的10K,30K,和50K。且相对于无源滤波参数的设计变得简单，故选方案二。 四、电路设计 1.方波产生模块 利用74HC4060和24M晶振可实现高频方波信号输出，74HC4060由14个主从触 发器和一个振荡器组成，每个触发器的输入供给下一级触发器，每个触发器的输 出信号频率为前一级的一半，本电路采用输出，根据公式 ， （3） 图1 方波产生电路 2.分频滤波模块 分频模块是1.5M的方波作为输入，通过Verilog HDL编程，进行分频，同时控制相移，分别输出10KHz、30KHz、50KHz的方波，为后级电路提供信号。 滤波模块使用了TI公司提供的Filter Pro Desktop软件设计出的滤波电路，采用了Multiple-Feedback模型，它是无限增益多路反馈四阶二级低通滤波电路，相对于同相输入电路，增加了RC环节，可以使滤波器的过渡带变窄，衰减斜率的值增大,最终得到所需的正弦波。10K,30K,50K的电路原理图相同，通过调节阻值实现不同的滤波功能。整个电路以NE5532为核心，NE5532是高性能运算放大器，具有非常低噪声，高输出驱动能力，高单位增益和最大输出摆幅带宽，低失真，高摆率，输入保护二极管和输出短路保护的特点。电路如图2所示： 图2 滤波电路 3.幅度与相位调节电