信号波形合成器

4 、波形转换模块及选频模块
这里先将方波——三角波——正弦波。 方波——三角波采用由运算放大器组 成的有源积分电路实现，见附录图 7 所示。三角波——正弦波变换电路采用单级 RC 无源积分电路实现，见附录图 8 所示。
5 、移相模块
在上述变换电路中曾出现过 RC 积分电路的应用，则会产生一定的相移，为 了使合成波形达到相位要求，必须实现三路波形同步，这里的移相电路便实现这 个功能，且相位可调。见附录图 9.其中（a）实现滞后移相 90 o ， （b）实现超前 相移 90 o 。
6 、波形合成模块
课题要求合成后的波形类同于方波和三角波，则三个频率分量要满足傅立叶 变换系数的要求，这里就需要系数矫正电路，即比例运算电路，通过比例调节后 加到一个加法器组成的叠加电路中，实现所要达到的相应的波形。设计的电路见 附录图 10 所示，其中（a）为方波合成电路， （b）为三角波合成电路。 在进行信号合成前，各波形（10KHz 的基波、30KHz 的三次谐波、50KHz 的五次谐波）的幅度和相位都要进行按规定调节好，以下探讨信号叠加前各波形 之间的相位和关系。 （1）方波 由傅立叶级数对方波予以分解可得
三、软件设计
MSP430 单片机的任务就是测量某路的正弦波的幅值和送显示，其组成部分 有检波电路、AD 转换、单片机 MSP430F149 最小系统和 LCD12864 液晶显示器 等几个部分组成。
ADC 将峰值检波电路的输出采样，量化后送给 MSP430 单片机。
开始
单片机初始化 液晶初始化 AD初始化
f (t )
4A 1 1 (sin t 2 sin 3t 2 sin 5t ...) n 3 5
1 1 10 kHz 可见前三级各级谐波的系数比为 1 : : 。合成三角波时，据题意， 9 25
正弦波的峰峰值为 6V，30kHz 正弦波的峰峰值为 0.67V，50kHz 正弦波的峰峰值 应为 0.24V。另外，这些谐波中每隔一个相位取反。各自所需幅值可通过调节三 个放大器的放大量获得，初相可通过上一节对相位调节电路的调节来获得。
角波、锯齿波，频率范围从 0.1Hz～20MHz，最高可达 40MHz，各种波形的输出幅 度均为 2V，但是由于现在这种芯片的产量很少，且同样的波形在低频段不失真， 高频段失真度大，输出频率也需要通过调整外部元件，因而元件分散性太大，高 频失真大，抗干扰能力差。
方案三 采用 NE555 构成多谐振荡器， 通过调整外部元件参数可改变输出频
本 设 计 采 用的 “ TI ”芯 片 有： MSP430
NE555
NE5534
NE5532
ADS1255 TL431 LM1117 OPA227 OPA2227 THS4503 一、 方案设计与论证 1 、振荡电路
要产生多个不同频率的正弦信号可以有很多方法：分立元件、集成芯片，包 括单片机或 FPGA 等都可以产生。因为题目要求用 10KHz、 30KHz、50KHz 三种频 率的波来合成，幅度一定且具有确定的相位关系。因此采用的振荡电路是我们首 先要考虑的问题。
图 3 74LS160 引脚图及真值表
图 4 74LS160 三分频原理图
图 5 74LS90 十分频原理图
图 6 六分频图
GND R9 3 .6 K R1 0 3 .6 K 5 6 C1 4 0 .0 1 U U1 B TL0 8 3 I 7
R1 1 2 00 K
图 7 方波——三角波
R1 8 1K C1 7 0 .0 1 U GND
理论 频率 10KHz 30KHz 50KHz
方波合成：
实际 峰峰值 6Vpp 2Vpp 1.2Vpp 频率 10KHz 30KHz 50KHz 峰峰值 6.04Vpp 2.00Vpp 1.20Vpp
三角波合成：
五、改进
1、由于 555 振荡电路产生的方波信号为直流，而通过波形转换后若要有波形输 出则必须输出交流信号。所以我们利用滑动变阻器将直流信号拉低为交流。 2、AD 若要精确采样则检波电路越精确越好，这里我们测量精度达到 5%的误差， 若要更精确，则要更好地检波电路。
二、电路设计 1 、总体设计
根据题目的要求，该信号波形合成既要实现方波的合成又要实现三角波的合 成，而且参与合成的波具有一定的相位关系。本系统以 555 振荡器为基础，产生 的 300KHz 方波通过后级分频形成 10KHz、30KHz、50KHz 的方波，通过波形转 换形成三种频率的正弦波，再通过移相电路进入加法器。幅值的测量放到移相电 路之后，合成电路之前，通过峰值检波后送入 AD 再送给单片机处理。
3 、分频模块
由于我们要分别产生 10KHz、30KHz、50KHz 的三种频率，所以我们要采用分 1 1 频电路。而计数器分频后有些波形占空比不是 ，所以当占空比不是 时，我们 2 2 最后分频都需要用 D 触发器来二分频。 对于 10KHz，我们先三分频再十分频。三分频我们用 74LS160 构成，74LS160 管脚图及真值表如附录图 3 所示。QA QB QC QD 分别代表从低位到高位，使能端 /CLR 表示异步清零，/LD 表示同步置数。若为异步清零则需要增加一个状态。计 数从 0 开始，当计到 2 时给一个置数端/LD 一个信号随后又返回 0，此时输出就 是 CLK 的三分频。具体原理图见附录图 4.十分频我们用 74LS90 完成，输出波形 占空比刚好为二分之一。具体原理图见附录图 5. 对于 30KHZ，我们直接采用十分频即 74LS90 电路。原理图如附录 5. 对于 50KHz，可以先三分频在二分频，三分频可以和 10KHz 复用，二分频电 路可用 D 触发器，将 D 触发器/Q 端和 D 端接在一起构成了 T 触发器。具体原理 图见附录图 6.
4A 1 1 f (t ) (sin t sin 3t ... sin nt ...) n 3 n
1 1 1: : 可见各级谐波的系数比为 3 5 。合成方波时，据题意，10 kHz 正弦波的峰
峰值为 6V， 30kHz 正弦波的峰峰值为 2V，50kHz 正弦波的峰峰值应为 1.2V。另 外，这些谐波要求初相位相同，由式可知，初相位均为零。各自所需幅值可通过 调节三个放大器的放大量获得，初相可通过上一节对相位调节电路的调节来获 得。 （2）三角波 同样由傅立叶级数对方波予以分解可得
系统总体框图见附录图 1.
2 、方波产生模块
如附录图 2 是由一个 555 电路构成的多谐振荡电路。它的振荡周期为
T t1 t 2 (ln 2)( R 3 2R 2 )C 2
故：频率
1 f （ln2）（ R 3 2R 2）C 2
由于频率为 300KHz，则 （R 3 2R 2）C 2 4.8 10 -6 当 C 2 1nF ，则 R 3 2R 2 48 0 0 .取定 R 2 120 ，则 R 3 4 5 6 0 ，我们将 R 3 接 为 5K 的滑动变阻器便于调节。
AD采样
接收数据
5次采样是否结束
数字滤波 显示
结束
四、测试方法与测试结果 1、测试仪器
合成函数信号发生器：NDY EE1410 数字示波器：RIGOL DS1052E 直流四路稳压电源：DH1723-1 数字万用表
2、测试方法
调节移相电路，使三个波形同相送入加法器，用示波器观察其合成输出
3、测试结果 输出信号记录：
方案一 振荡器产生 10KHz 的方波，然后滤出三次谐波 30KHz 及五次谐波
50KHz.由信号分解可知， 这样可以实现获取三种频率且幅度成一定比例的正弦波 信号。但经过试验发现，在 10KHz 方波中滤出基波频率较为简单且波形较好但滤 出的三次谐波和五次谐波波形出现了较大失真。
方案二 分频实质上就是一个计数过程，需要得到的频率是通过对输பைடு நூலகம்频率
图 8 三角波——正弦波
（ a ）滞后移相 图 9 移相电路
（ b ）超前移相
（a） 方波合成电路
（b） 三角波合成电路 图 10 波形合成电路
信号波形合成器的设计与总体报告
——幻影凌风
摘要
该系统基于多个正弦波来合成方波及三角波等非正弦周期信号的电路。使用 555 电路构成基准的方波振荡信号， 以 74LS160、 74LS90 等实现前置分频形成 10KHz、 30kHz、50kHz 的方波信号，利用积分电路和 RC 选频网络将方波转换为正弦波， 以 NE5534 低噪声运放实现各个信号的放大、衰减和加法功能，同时使用 NE5534 构成的移相电路实现信号的相位同步。 二极管峰值包络检波电路获得正弦信号的 幅度，以 MSP430 作为微控制器对正弦信号进行采样，并且采用段式液晶实时显 示测量信号的幅度值。本设计能产生波形很好的 10KHz、30KHz 和 50KHZ 正弦波， 且各个波形幅度可调相位可调，合成出的波形与 Matlab 仿真一样，波形纯净； 对幅度的采样较为精确。
附录
10KHz方波
方波/正弦波 10KHz 转换电路 方波/正弦波 30KHz 转换电路 方波/正弦波 50KHz 转换电路
移相电路
输 出
30KHz方波 振荡器 300KHz 方波 分频电路 50KHz方波
移相电路
加法器
示波器
移相电路
LCD
单片机
A/ D
峰值检波
图 1. 系统总体框图见附录
图 2 方波产生电路
的计数实现的。首先 555 输出 300KHz 的信号，这里分频可以用 FPGA 实现，也可 以用分频芯片实现。但是因为很多信号分频后占空比不是一半，则每个分频最后 都为二分频。 综上，后级分频电路可选的芯片很多，10Khz 是三十分频即先三分频再十分 频：我们采用的是 74LS160 构成三分频，然后通过 74LS90 构成十分频，分频出 来恰好为 10KHz 占空比为一半的方波。30KHz 就直接用 74LS90 十分频，50KHz 是六分频即先用 74LS160 三分频再用 D 触发器二分频。