数字波形合成器概论

电子技术课程设计课题名称：数字波形合成器的设计

1.实验目的

1.1 掌握数字波形合成器的基本设计方法和整体电路实现；

1.2 熟悉各功能模块单元电路的具体设计方法和工作原理（脉冲发生器、分频器、

数字模拟转换以及低通滤波器）。

1.3 进一步熟悉电子电路的设计方法。

1.4 进一步熟悉电路设计过程中EDA方法以及各种电子器件的使用方法。

2. 实验要求

2.1 设计一个具有高频率稳定度和高相位稳定度的两相正弦信号源。

2.2 两相正弦信号频率 f=400Hz。

2.3 两相信号 A、 B 之间相位差 90°。

2.4 幅值=5V±0.2V。

3. 实验仪器、主要元器件

3.1 振荡电路:NE555*1；电阻 1kΩ*1,15kΩ电位器*1 ；电容 0.01uF*2

3.2 分频器： CD4013 双 D触发器*3

3.3 两路正弦加权 DAC：电阻 1MΩ*4、 370kΩ*4、 270kΩ*4、 135kΩ*2、 68kΩ*2；

uA741*2

3.4两路 LPF: 电阻 91k*4；电容 2200pF*2、 8800pF*2；uA741*2

3.5 其它必要设备或元器件：直流稳压电源；导线若干；示波器；万用表；镊子；剥线钳；

面包板；

4. 课题分析及方案论证

4.1 课题分析

在某些场合对于信号的频率、相位以及失真度要求较高。例如，在精密陀螺测试中，对于 400Hz 三相正弦电源的这些参数要求就很严格。如果这些指标不满足，将会使陀螺角动量变化，电动机升温，产生干扰力矩，从而影响电动机的正常工作和测试。

课题的实现方案有多种，采用石英晶体振荡器、分频器、 D/A 转换器构成的数字波形合成方案，是实现高频率和相位稳定性的一种较好方案，由于采用了具有较高频率稳定性的石英晶体和数字合成技术，因此使系统精度高，功能强，成本低，体积小，容易实现技术指标的要求。

4.2 方案论证

数字波形的合成原理简单，从理论上说，这个方法可以合成任意波形，这里要合成正弦波。假设要合成的正弦波频率为 f、幅值为Vm，首先把它的一个周期分为 N 等分，用具有N 个阶梯的正弦波来逼近所要求的正弦波,N 越大，其逼近程度越好，但同时电路实现也越复杂。所以要综合考虑这两方面的因素。根据技术指标的要求，合理选择N值。

数字波形合成器的首要任务就是合成这种阶梯波，然后通过 LPF 把其中的高次谐波分量滤除，就获得了所需正弦波。脉冲发生器的振荡频率 F 与正弦波的频率 f 的关系为F=Nf。

其中， N 为分频器的分频系数（或称计数器的有效状态）。可见分频器的输出频率与正弦波的频率相等，都是f=F/N 。

分频器的 N 个有效状态与正弦波的N等分对应，也就是与阶梯波的 N 个阶梯对应，

设分频器的 N 个有效状态为 m0、 m1、 m2······m N-1,它们与正弦阶梯的对应关系可人为指定，m0对应-sin90°， m1对应-sin30°，···，以此类推。只要把上述状态变量经正弦加权的 D/A 转换器，即各状态输出去控制它所对应的权电阻（该权电阻值等于该状态所对应的正弦值），这样 DAC 的输出就是所要求的阶梯正弦波。

当要求输出多路正弦波，并要求其相位差为Φ角时，由于计数器的 N 个状态对应阶梯正弦波的 N 个阶梯,所以计数器的每两个相临状态在相位上相差 360° / N ,若要求两路正弦波输出信号相差Φ角,则要求两路阶梯波对应的阶梯错开 M 个计数状态。即Φ = M ·360°/ N。

例如:若要求两路正弦波输出信号相差 90 度,当取 N 等于 12 时,则 M 等于3 ,即两路阶梯波对应的阶梯应错开 3 个计数状态。

综上所述：要输入 w 路正弦信号，必须有 w 个正弦加权 D/A 转换器，其权电阻解码网络中各权电阻与参考电路相同，电压源的接通受计数器的各有效状态输出控制。

4.3 方案实现

4.3.1 振荡器

为了获得4.8Khz的时钟频率，不采用石英振荡器时。使用集成555定时器改成多谐振

荡电器。多谐振荡器是具有两个赞稳态的振荡电路，它不需要外加信号，就能产生一

定重复频率和一定脉宽的矩形波脉冲信号。

当提供给触发器频率稳定的方波时可以更可靠的产生合格的波形。为此采用占空比可

调的多谐振荡器。电路图如图4.3.1 。

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图4.3.1 占空比可调的多谐振荡电路

f=1

；当实际电路工作时，可通过调节R2电位器使输出波形频率为4.8Khz.

(R1+2R2)C ln2

；当波形频率为4.8Khz时占空比为50%左右，能够满足要求。

同时占空比q=R1+R2

R1+2R2

4.3.3 N 分频器。

采用6位扭环形计数器， N=12，用 3 片 CD4013 实现。原理图如图4.3.3所示。

以 Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、Q6 作为状态输出变量，那么在计数器12 个有效状态

循环周期中有如下特点：在前半周期中，每次状态转换后 Q1~Q6依次增加“1”；而后

半周期依次减少“1”。若把每一个“ 1”作为阶梯波的台阶，即每增加一个“1”时

模拟电压输出量上升一个台阶，每减少一个“1”时下降相应的一个台阶，这就是权

电阻增量方式的设想。当然，各个台阶的幅度都不相等，只要使幅度对应于各台阶间

阶梯正弦波的增量值即可。

可见 N=12 的阶梯正弦波在本方案中增量权电阻解码网络只需要 6 个增量权电阻。以

Q1~Q6 作为状态变量的阶梯波。 e1~e6 位各阶梯正弦增量值。

图4.3.3 6位扭环形计数器

当要求两路正弦波输出相位差 90°时，计数器的两个相邻状态间相差 360°/N=30°，应错开 M=3 个计数器状态。若第一路输出采用 Q1~ Q6，则第二路输出的第一个状

态应为 Q4，而其后的 5 个状态变量依次为 Q5、 Q6、 -Q1、 -Q2、 -Q3。

可见，选用不同输出端子序列去控制权电阻 D/A 转换器就可以实现各路输出信号间

相位差的要求。

4.3.4 正弦加权 DAC

以 A 相 DAC 为例。R1~R6 为权电阻解码网络， Q1~Q6 为 A 相阶梯正弦波 DAC 的控

制变量序列。根据波形合成原理，对应扭环形计数器的一个计数循环周期， DAC 输出

端 Vo 应输出一个周期的阶梯正弦波。

Vo=-RfVREF(d1/R1+d2/R2+d3/R3+d4/R4+d5/R5+d6/R6)-RfVEE/R0式中， d1~d6 为 A 相控制变量序列代码，即 Q1~Q6 的二进制值。

图4.3.4正弦加权 DAC电路