信号波形合成实验电路

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1、信号波形合成实验电路（C题）摘要该系统由晶体振荡电路产生6MHz的方波，经CPLD分频及有源滤波器滤波得10KHz的基波、30KHz的3次谐波和50KHz的5次谐波,再经运放构成的移相网络使其有合适的初始相位，最后将三路信号送入加法器输出即得近似方波、三角波。系统采用真有效值转换器件LTC1968，通过模拟开关切换通道测量各个正弦信号及叠加后波形的有效值，A/D采样后由MSP430F2618单片机转换为峰峰值并在液晶屏上显示。关键词：有源滤波；有效值转换；数控分频1方案比较及论证1.1分频电路选择方案一：采用芯

2、片厂家集成的锁相环资源，该方法较为简单，电路比较复杂，调试难度高，而且频率稳定度不高。方案二：采用CMOS器件设计一个基于类扭环计数器的分频电路，该方案电路复杂，参数调整困难。方案三：采用可编程逻辑器件CPLD设计一个分频器。该方案电路简单，设计灵活，参数修改方便，成本较低，故采用此方案。1.2滤波器方案选择为了从方波中提取出正弦波，对以下几种方案进行了比较。方案一：利用开关电容滤波器LTC1264，可轻松实现10KHz、30KHz、50KHz的带通滤波。电路简单，Q值高，可软件控制，缺点是开关电容滤波器有开关

3、噪声和重叠误差。方案二：有源滤波器，其通带内的信号无能量损耗，还可放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，易构成高阶滤波器，有现成的设计软件fiterpro，设计简单。故选用方案二。1.3移相电路选择方案一：实验仪表常用移相电路由两级运算放大器构成，前级微分电路实现超前移相，后极积分电路实现后滞移相。但因其电路复杂，噪声大不予采用。方案二：运放构成的移相电路。该电路通过运放同向端的电阻、电容分压实现相位可变，再通过反向端的反馈网络以及电阻匹配，达到输出电压的有效值恒定，明显减小了负载受电源电压波动的影响，

4、相位角可直接由滑动变阻器调节，因此本设计采用此方案。1.4有效值检波电路选择方案一：采用峰值检波测量。该检波电路检出峰值后经A/D转换再由单片机转换为有效值。电路简单，但对于小信号检波误差大，线性度不好且电路较复杂，故不予采用。方案二：采用真有效值转换器件测量，通过模拟开关切换通道进行测量。此方案电路简单、精度高。本系统采用LTC1968，电路简单可靠。82.总体方案描述2.1总体思路该系统由晶体振荡电路产生6MHz的方波，经CPLD分频及四阶有源滤波器滤波得10KHz，30KHZ，50KHZ的有效正弦信号，三

5、路信号经放大后峰峰值依次为6V、2V、1.2V,三路信号有稳定的相位关系，经移相网络使其初始相位相同，最后将三路信号叠加输出即得近似方波，三角波的产生与此类似，只是峰峰值和相位略有不同。2.1系统结构框图系统结构框图如下所示。图1系统结构框图3．理论分析与计算3.1近似方波的产生正弦波是波形的基本组成，任何非正弦波都可视为是基波和无数不同频率的谐波分量组成。从而得到近似方波的方案如下图2所示。图2由基波、3次谐波、5次谐波叠加得近似方波方波的傅里叶级数如公式1所示：(1)由此式可得10KHz、30KHz、50K

6、Hz对应的电压峰峰值依次为6V、2V、1.2V。3.2近似三角波的产生三角波产生的原理与此类似。它们的不同之处在于三角波的傅里叶级数展开式为：(2)8从而易得10KHz、30KHz、50KHz对应的电压峰峰值依次为6V、V、V，并且3次谐波与基波相位相差180°，5次谐波与基波同相。3.3有源滤波器对于方波信号，为了得到基波分量，需要滤掉3次以上的高次谐波分量，然后交流耦合即可，故滤波器可选为低通滤波器，电路简单且容易实现。考虑到滤波器的幅度平方函数具有如下形式：(3)上式中，N为滤波器的阶数，N越大，通带和阻

7、带的近似性越好，如下图3所示。图3滤波器幅度平方函数特性经计算知当，选用4阶滤波，30KHZ处的波形已衰减为-40dB，同时为获得陡峭的衰减特性，选择了4阶有源切比雪夫低通滤波器。利用TI公司提供的FilterPro软件可以十分容易的设计出截止频率为10KHz、30KHz、50KHz相应的滤波器。3.4移相电路在后图所示移相电路中，由运放的虚短和虚断知节点2.3处电压相同设为U1，则有(4)流经R1、R2的电流也相同图4运放构成的移相电路(5)联立两式可得：8(6)输出电压与输入电压相位关系为：(7)其中相位随

8、R0的改变而改变，经计算当ω=10K时，该电路可实现0°~180°的相移，ω=30K时，该电路可实现0°~40°的相移，ω=50K时，该电路可实现0°~22°的相移。4.电路与程序设计4.1方波振荡电路用反相器74HC04和晶振做晶体振荡电路实现方波时钟信号输出的功能，时钟信号为CMOS电平输出，频率等于晶振的并联谐振频率6MHz。电路设计如附录一图a所示。4.2有源滤波器利用Filt