信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路（C題）摘要：本設(shè)計(jì)采用CPLD可編程邏輯器件經(jīng)過(guò)分頻計(jì)數(shù)產(chǎn)生相互關(guān)系固定的10KHz，30KHz，50KHz方波，然后分別通過(guò)巴特沃斯低通濾波器（50KHz使用的是帶通濾波器）把三種方波的基波提取出來(lái)，產(chǎn)生相位關(guān)系確定的10KHz，30KHz，50KHz正弦波；利用全通濾波電路作為移相器，把三種正弦波相位差調(diào)為0，以備下面的方波與三角波合成；根據(jù)方波與三角波的傅里葉級(jí)數(shù)展開關(guān)系分別制作兩個(gè)加法器用以合成方波和三角波；關(guān)鍵字：信號(hào)合成；有源濾波；傅里葉級(jí)數(shù)一系統(tǒng)方案1.1系統(tǒng)方案比較1.1.1方波振蕩電路及濾波電路方案論證方案一：用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生10KHz方波，或者用MSP430單片機(jī)自帶定時(shí)器產(chǎn)生10KHz方波，然后用帶通濾波電路把10KHz方波中的10KHz基波和各次諧波（30KHz，50KHz）提取出來(lái)，這樣提取出來(lái)的正弦波相位關(guān)系確定，適合于方波、三角波的合成；但是應(yīng)用帶通濾波電路把三次、五次諧波提取出來(lái)需要窄帶帶寬的帶通濾波器，這樣就需要高Q值的帶通濾波器，這是不易實(shí)現(xiàn)的；并且相同的窄帶帶寬，諧波次數(shù)越高，Q值越大，例如帶寬=1KHz，基波10KHz正弦波需要Q==10，30KHz三次諧波Q=30，50KHz五次諧波需要Q=50。方案二：用多個(gè)555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生分別10KHz，30KHz，50KHz的方波，然后用低通濾波電路分別把各自的基波提取出來(lái)，產(chǎn)生10KHz，30KHz，50KHz正弦波，但是這樣的正弦波相位關(guān)系不確定，不能用于合成方波三角波。方案三：CPLD可編程邏輯器分別產(chǎn)生10KHz，30KHz，50KHz方波，并且三種方波之間存在明確的相位關(guān)系，然后用巴特沃斯低通濾波器將10KHZ與30KHZ的基波提取出來(lái)，即產(chǎn)生10KHZ，30KHZ的正弦波，又因?yàn)樗x用的巴特沃斯低通濾波器TLC04的截止頻率達(dá)不到50KHZ，所以50KHZ正弦波的提取采用了帶通濾波器。這樣就可以產(chǎn)生出三種正弦波，在經(jīng)過(guò)移相電路將三種波形的相位差調(diào)節(jié)為0度，在通過(guò)運(yùn)算放大電路使其幅度達(dá)到所需的要求，然后再將這三種有明確相位關(guān)系的正弦波通過(guò)加法器相加，即可得到所需的方波了。1.1.2移相電路方案論證方案一：用RC構(gòu)成一級(jí)移相電路，該電路優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是在調(diào)節(jié)相位時(shí)，移相角度不大于90度，而且波形幅度的幅度發(fā)生變化，特別是移相角度不大于90度不能滿足實(shí)際需要。方案二：用RC構(gòu)成多級(jí)移相電路，該電路結(jié)構(gòu)符合相位移位的需求，可以在0-180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相移，但是波形會(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減。方案三：利用全通濾波電路來(lái)構(gòu)成移相電路，該電路可以在0-180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相位，且幅度基本不變化。1.1.3測(cè)量電路方案論證方案一：外部ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊加微控制器，如51系列單片機(jī)和外部模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809即可完成幅值的測(cè)量。方案二：選用自帶ADC的MSP430F149單片機(jī)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。MSP430F149超低功耗，16位控制器，自帶ADC12位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，采樣精度高。1.2系統(tǒng)方案選擇及描述結(jié)合實(shí)際需要，本系統(tǒng)采用CPLD可編程邏輯器件經(jīng)過(guò)分頻計(jì)數(shù)產(chǎn)生相互關(guān)系固定的10KHz，30KHz，50KHz方波，然后分別通過(guò)巴特沃斯低通濾波器或帶通濾波器把三種方波的基波提取出來(lái)，產(chǎn)生相位關(guān)系確定的10KHz，30KHz，50KHz正弦波；利用全通濾波電路作為移相器，把三種正弦波相位差調(diào)為0，根據(jù)方波與三角波的傅里葉級(jí)數(shù)展開關(guān)系分別制作兩個(gè)加法器合成方波和三角波；采用MSP430F149單片機(jī)及其自帶的ADC進(jìn)行正弦波的幅值測(cè)量和LCD液晶顯示；本設(shè)計(jì)還增加了無(wú)限射頻模塊用于無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)框圖如下：圖1系統(tǒng)框圖二理論分析與計(jì)算2.1巴特沃斯低通濾波器外部時(shí)鐘信號(hào)頻率計(jì)算本設(shè)計(jì)采用TI的TLC04巴特沃斯低通濾波器用于10KHz和30KHz方波濾波，產(chǎn)生正弦波，TLC04為四階結(jié)構(gòu)，具有較高Q值。采樣外部時(shí)鐘方式，截止頻率可達(dá)40KHz。其外部時(shí)鐘與截止頻率關(guān)系為，10KHz方波的截止頻率設(shè)置為，時(shí)鐘為，30KHz方波的截止頻率設(shè)置為,時(shí)鐘為。2.2帶通濾波器參數(shù)計(jì)算帶通濾波器采用無(wú)限增益多路反饋二階帶通濾波器，中心頻率為50KHz，帶寬為2KHz，品質(zhì)因數(shù)。2.3移相網(wǎng)絡(luò)理論分析2.3.1RC一級(jí)移相電路圖2RC一級(jí)移相電路如圖為RC滯后型移相網(wǎng)絡(luò)，，，其中。即調(diào)節(jié)R或C，可以使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生0-90°的相移。2.3.2二階全通濾波電路圖3二階全通濾波電路，，其中。由此可以看出，二階全通濾波電路可以產(chǎn)生0-180°相移。2.4方波的傅里葉級(jí)數(shù)展開及其加法器參數(shù)設(shè)置任何具有周期為T的波函數(shù)f(t)都可以表示為三角函數(shù)所構(gòu)成的級(jí)數(shù)之和，即：其中：T為周期，為角頻率。＝；第一項(xiàng)為直流分量。圖4方波方波可表示為：=也就是基波，三次諧波，五次諧波的振幅比為，在進(jìn)入加法器之前，我們已經(jīng)把它們峰峰值分別調(diào)整為6V，2V，1.2V，因此產(chǎn)生方波的加法器比率設(shè)置為1:1:1。圖5方波合成加法器2.5三角波的傅里葉級(jí)數(shù)展開及其加法器參數(shù)設(shè)置圖6三角波三角波也可以表示為：=也就是基波，三次諧波，五次諧波的振幅比為，在進(jìn)入加法器之前，我們已經(jīng)把它們峰峰值分別調(diào)整為6V，2V，1.2V，因此產(chǎn)生方波的加法器比率設(shè)置為，也即基波和五次諧波同相端輸入，三次諧波反向端輸入如圖。圖7三角波合成加法器三電路與程序設(shè)計(jì)3.1方波產(chǎn)生電路模塊CPLD可編程邏輯器件主要用于產(chǎn)生10KHZ、30KHZ、50KHZ的方波，如圖64腳為10KHz方波輸出引腳，60腳為30KHz方波輸出引腳，58腳為50KHz方波輸出引腳，56腳為6000KHz方波輸出引腳，用于驅(qū)動(dòng)10KHz巴特沃斯低通器；54腳為1.5MHz方波輸出引腳，用于驅(qū)動(dòng)30KHz巴特沃斯低通器。圖8方波產(chǎn)生電路模塊3.2濾波器模塊設(shè)計(jì)圖9低通濾波器10KHz低通濾波器采用TI的四階巴特沃斯濾波器TLC04,它的截止頻率易于調(diào)節(jié)，僅需改變輸入時(shí)鐘FilterIN即調(diào)節(jié)。為使輸入波形不產(chǎn)生衰減和失真，通常將截止頻率設(shè)為略高于所需頻率，在10KHz方波濾波時(shí)截止頻率設(shè)為12K。30KHz方波時(shí)截止頻率為30KHz.圖10帶通濾波器50KHz帶通濾波器為二階結(jié)構(gòu)，為了得到較高的Q值，C5和C6都取為220pF。為使增益保持為1，取R19=2R11,。為了微調(diào)中心頻率，將R12用1K可調(diào)電位器代替。3.3移相電路模塊設(shè)計(jì)圖11移相電路移相網(wǎng)絡(luò)采用一階全通濾波器，為使放大倍數(shù)為1，電阻采用10K，電容采用10n..通過(guò)調(diào)節(jié)R4的大小就可調(diào)節(jié)信號(hào)的相位。3.4波形合成的加法器設(shè)計(jì)參見2.4,2.5方波、三角波的傅里葉級(jí)數(shù)展開及其加法器參數(shù)設(shè)置3.5測(cè)量電路及液晶顯示模塊設(shè)計(jì)圖12測(cè)量電路及液晶顯示模塊設(shè)計(jì)四測(cè)試結(jié)果4.1正弦波振幅測(cè)量10KHz正弦波12345示波器觀察值V5.916