信号波形合成实验电路设计和制作

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1、信号波形合成实验电路设计和制作　　摘要：任何电信号都是由不同频率、幅值、初相的正弦波叠加而成的。本方案设计了一个信号波形的合成电路，通过方波振荡器产生的一定频率的方波，经分频，滤波后得到按傅里叶级数展开的基波和3次、5次谐波，经移相后将其中的基波与多次谐波相叠加后模拟合成方波。本方案采用了大量TI公司的芯片例如CD4046、CD4018、MSP430F149、OPA820等。关键词：CD4046CD4018MSP430F149OPA820基波谐波方波1方案设计1.1系统分析系统设计框图如图1所示。图1系统分析该系统主要由方波振荡电路、分频滤波电路、移相电路、加法电路及幅值测量显示

2、电路组成。由方波振荡电路产生150KHZ方波，经分频分别得到10KHZ、30KHZ和50KHZ的方波，通过滤波得到10KHZ、30KHZ和50KHZ正弦波。正弦波经移相后由加法电路叠加生成合成信号，同时由幅值测量显示电路显示对应正弦波的幅值。1.2系统设计与理论计算5振荡电路振荡电路如图2所示。该模块主要由锁相环CD4046构成的电路来实现。要产生频率为10kHz和30kHz，幅度为6V和2V的正弦波信号，则输入信号幅度必须大于6V，锁相环锁定在30KHZ附近。图2振荡电路CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其锁相环采用的是RC型压控振荡器。当9脚输入端输入5V电源时，电

3、路即起基本方波振荡器的作用。振荡器的充、放电电容C1接在6脚与7脚之间，调节电阻R2的阻值即可调整振荡器振荡频率，振荡方波从4脚输出。f0=1/8*C1*（（V1-VGS）R1+（VDD-2*VTP）R2）其中V1是9脚的输入电压，VGS是锁相环内部MOS管的栅-源极压降，VTP是栅极的开启阈值电压，VDD是工作电压。当C1=103Pf，R1=100k时，振荡频率变化范围为80-150KHZ。分频电路CD4018是一个高电压型可预置1/N计数分频器，固定可编程2，3，4，5，6，7，8，9，10分频。包括5级约翰逊计数器，提供时钟，复位，数据，预置允许，特点是额定电压达20V，全

4、静态工作，标准化对称输出特性，5V电压，10V和15V参数级别。5分频电路如图3所示。5图35分频电路图4滤波电路滤波电路本模块采用TI公司UAF42有源滤波器。UAF42是具有高集成度，特点是通用性强，可根据需要设计成低通，高通，带通和带阻滤波器，具有高精度频率和高Q值，片内集成有1000pF±5%的电容。本设计三路正弦波都采用低通滤波，电路相似，参数不尽相同。其中10K正弦波滤波电路如图4所示。当采用如图4电路时，为低通滤波器，此时有f=/2π，ω2=R2/R1RF1RF2C1C2，其中f为滤波器截止频率。根据UAF42内部电路可知：R1=R2=50KΩ，C1=C2=1000

5、PF，同时外部电路满足RF1=RF2=R5+R6=R7+R8，所以ω与f就与R5，R6，R7，R8有关，调节R6、R7来满足要求。滤波器品质因数Q=（1+R4（RG+RQ）/RGRQ）/（1+R2/R1）*（R2RF1C1/R1RF2C2）1/2，其中RG为增益控制电阻，RQ为品质因数调节电阻，RG=R3，RQ=R4，UAF42内部R4=50KΩ，于是Q就与图中的R3，R4有关，调节R4来满足要求。移相电路图5移相电路5移相电路如图5所示，由两级运放组成，本设计中采用LF353，第一级运放与C17、R23构成有源微分网络，第二级运放与R24、C19组成有源积分网络。当输入正弦交流

6、信号时，第一级运放输出超前相位信号，第二级运放输出一滞后相位信号，通过调节R24可使输出信号与输入信号相位发生变化。加法电路加法电路如图6所示，本设计采用同相输入加法电路。输出Uo=（1+R25/R27）（U1+U2+U3）。当R25=R27时，Uo=2（U1+U2+U3），此时实现输入信号叠加。图6加法电路图7峰值检波电路幅值检测显示电路该电路由峰值检波电路和显示电路组成。①峰值检波电路如图7所示，峰值检波电路由二极管，电解电容，和一个大电阻组成。②峰值显示电路本电路由TI公司MSP430F149单片机及相应电路组成，电路如图8所示。图8MSP430F149幅值测量显示电路5其

7、中MSP430F149是TI公司16位超低功耗单片机。由2个16位定时器、8路快速12位A/D转换器、2个通用串行同步/异步通信信号接口和18个I/O引脚等构成的微控制器。其特点是电源电压范围为1.8V-3.6V，超低功耗，内部集成看门狗定时器。通过F149单片机的P1.0、P1.1和P1.2口分别进行AD采样，得到10KHZ、30KHZ和50KHZ正弦波的幅值，通过按键SW1、SW2、SW3切换在12864液晶上显示各自峰值。2测试结果在测试阶段，我们对得到的正弦波进行了频率、