信号波形合成电路研究报告TI杯电子设计竞赛.docVIP

信号波形合成实验 摘要：本系统利用方波产生电路，产生频率为300KHz的方波，经过分频、滤波处理，得到10KHz、30KHz、50KHz三种正弦波并分别作为基波，三次谐波、五次谐波进行移相、叠加，最终得到一个近似方波信号。该系统主要模块为：方波产生模块，分频模块，滤波模块，移相模块和叠加模块。其中分频功能是利用DEO板实现，分频性能突出；滤波模块采用集成运放OP07CP，选频性能良好；同时使用有源RC移相电路，实现信号的相位调节；叠加之前，为了使产生的信号波形无明显失真，利用单片机对各个正弦信号的幅度进行测量和数字显示 关键字：振荡 方波 分频 滤波 移相 理论分析 理论上，任何信号都是由各种不同频率、幅度和初相的正弦波迭加而成的。对周期信号由它的傅里叶级数展开式可知，各次谐波为基波频率的整数倍。 方波按傅里叶级数展开为： 通过一个选频网络可以将信所包含的某一频率成份提取出来。将被测方波信号分别加到其基波和各次奇谐波频率的一系列有源带通滤波器电路上。从每一有源带通滤波器的输出端可以用示波器观察到相应频率的正弦波。本实验所用的信号是Hz的方波，而用作选频网络的种带通滤波器的输出频率分别是Hz、Hz、Hz。在理想情况下，偶次谐波应该无输出信号，始终为零电理想情况下奇次谐波中一、三、五次谐波的幅度比应为1：1/3：1/5。 三角波按傅里叶级数展开为： 由此可知，将移相之后正弦波的幅值调整为1：1/9：/25，其中，三次谐波的相位与基波、五次谐波相差180度。将所得正弦波送到加法器三个信号输入端进行叠加，即可得到所需三角波。 方案设计 2.1系统方案 总体方案如图2.1所示： 图2.1 总体方案框架图 2.2方波产生方案 本系统中的方波振荡电路是后续各级信号产生的基础，对频率准确度和稳定度的要求较高。 方案一：555定时器组成的多谐振荡器，直接调节至300KHz左右的对称方波。此方案成本低廉，实现方便； 方案二：使用运放与比较器加上rc选频电路产生方波，电路简单，稳定性也比较高，但对运放要求较高。 综合考虑，选用方案一容易实现，且效果较好。 2.3分频电路方案 方案一：用74ls161计数器与cd4013两D触发器集成芯片组合集成电路。74ls161不仅可用于计数，还能用于分频。通过改变引脚接法，来改变其进制。cd4013不仅能二分频，还能对波形整形，使方波的占空比为50%。通过两种芯片的级联和简单的外围电路，就能得到精准的分频信号。 方案二：选用DE0，通过Verilog HDL编程，对前级产生的方波分频。 为得到较为稳定的三种方波，选用方案二。 2.4滤波电路方案 方案一：采用无源RC低通滤波器。但是其工作频率随负载变化波动较大 方案二：采用四阶巴特沃斯带通滤波器。这是最常见的滤波电路，该滤波器的幅频响应在通带中具有最大平坦度，且电路简单易操作。 综和比较后，选择方案二。 3.电路设计 3.1方波产生 利用ne555产生300khz方波，加上反相器减少波动输出，555电路如下. 图3.1 方波产生电路 电路接通后，电源经R1与RV1对电容充电，当Uc大于0.66VCC时，电容通过RV1放电，充放电时间同为Tw=0.683（R1+RV1）C1，则T=2Tw，且占空比为50%，要产生300KHz方波，使用200pF电容，经计算电阻约需120K，用100K加30K可调电阻调整频率到300KHz。 3.2 分频 为了使300KHz的方波分频后得到较为稳定的三种方波，利用FPGA来实现比较理想。分别实现6分频，10分频和30分频，即得50KHz，30KHz，10KHz。 3.3 滤波 根据TI 公司的滤波器设计软件FilterPro进行设计，采用运放OP07CP搭建4阶有源低通滤波电路，从三分频后的方波信号中滤出10kH，30KHz和50KHz的正弦波。下图为10KHz的滤波电路 图3.3 10KHz滤波电路及参数 3.4 放大 由于在测试过程中，直接采用一个反向比例放大器得到的正弦波噪声干扰很大，而且很不稳定，在移相电路的参考下，采用采用如下设计能达到比较理想的效果： 用两个运放TL081CP，前一级是正反馈电路，然后再来放大，第二级电压增益为：，R1阻值是10K，R2是电位器，电阻值范围0~100K，这样可以通过调节R2的值来改变增益，最大放大倍数为10，电路满足设计要求。 图3.4 信号放大电路 3.5 移相 在R-C串联电路中，输出电压相位引前输入电压相位一个φ角，如果输入电压大小不变，则当改变电源频率f或电路参数R或C时，φ角都将改变。因此，不论以R端或C端作输出，其输出电压较输入电压都具有移相作用， 根据设计的方案，采用有