信号波形合成实验电路设计

_____________________________________________________________________________ 设计报告

信号波形合成实验电路

2016-1-17

设计报告

信号波形合成实验电路

摘要：利用NE555产生10kHz的基准方波信号，用CPLD EPM1270对方波信号进行分频，分别产生10KHZ,30KHz,50KHz的方波信号，以及500KHz，1.5MHz的时钟信号（用于巴特沃斯低通滤波器的时钟信号），并完成数据转换控制及LCD显示驱动；用TI的TLC04ID四阶巴特沃斯低通滤波器对10KHz,30KHz方波进行低通滤波，产生相应的正弦波信号，而50KHz的正弦波信号，用二阶有源带通滤波器对50KHz的方波进行处理来获得；采用有源RC网络对正弦波进行移相，调整电阻R可实现对10KHZ，30KHz，50KHz的正弦波信号约101度范围的移相；采用运放求和电路对10KHZ，30KHz，50KHz的正弦波信号进行相加，实现近似方波、三角波的合成。另外，用AD563将正弦交流电压转换成直流电压，用

TI的ADC TLC549进行电压幅度检测，测量误差在5%以内。完成了该题目的基本要求和发挥部分的全部内容。共用TI公司五种IC。

关键词：波形合成滤波器移相网络电压测量

一、系统方案论证

根据题目要求，设计制作一个电路，将产生的频率为6MHz方波信号，经分频滤波后得到10KHz、30KHz、50KHz频率的正弦信号，然后将这些信号再合成为近似方波信号和近似三角波信号，并制作数字显示电表，检测并显示各正弦波信号的幅值。

1．方波振荡器方案比较

方案1：555电路产生方波信号

方案2：运放电路产生方波信号

方案3：用门电路及石英晶体产生方波信号。

其中，方案1、2所产生的方波信号频率不高，频率稳定性较差，而方案3产生的方波信号频率稳定度高，也可产生较高频率（MHz以上）信号，故采用方案3产生方波信号。2．分频电路方案比较

方案1：采用选频电路提取方波的谐波信号，分别得到基波、三次谐波和五次谐波频率信号。

缺点：对选频电路的指标要求高，电路不易实现，得到的谐波信号也不稳定。

方案2：采用CPLD进行分频

优点：电路实现简单，也易于得到各频率点的方波信号。

本设计选用方案2。

3．滤波电路方案比较

方案1：用LC或有源方法，采用低通或带通方式，将方波的基频信号提取出来；

方案2：采用TI专用芯片TLC04组成四阶巴特沃斯低通滤波器实现。

电路实现简单，但该芯片的最高截止频率只有30KHz，无法实现50KHz信号的滤波。

本设计，结合方案1、方案2，10KHz，30KHz的低通滤波采用TI专用芯片TLC04来实现，而50KHz的正弦波信号提取却采用二阶有源带通滤波来实现。

4．移相电路方案比较

可采用无源或有源RC网络进行移相。

本设计采用有源移相方式。理论上，可实现0—180度的相移。另外，可结合实际的相移需要，在大相移范围要求时，用CPLD实现，小范围（0-90度）移相可用有源RC网络来调整。

5．电压检测及显示电路方案比较

方案1：采用高速A/D进行交流电压检测，并用LCD显示；

方案2：采用专用电路AD563进行交流电压变换为有效值直流电压，并用ADC 进行电压检测，最后LCD或用四位数码管进行电压显示。

相比之下，方案1要求ADC的转换速率要求较高，数据处理量较大，一般要结合MCU才能实现。本设计，结合以上两方案的优点，先用AD563进行交流电压变换为直流电压，再用TI的ADC TLC549进行电压检测，并用CPLD完成测量数据转换、控制及LCD显示驱动，由1602 LCD进行电压显示，得到所测正弦波电压的峰值。

1所示。

图1 信号波形合成实验电路组成框图

二、 理论分析与计算

1． 方波、三角波信号的傅里叶级数表达式

方波、三角波的傅里叶级数展开式分别为： 方波：U(t)=

4Um π

(sin ωt+13 sin3ωt+15 sin5ωt+1

7 sin7ωt+…) 三角波：U(t)=

8Um π2

(sin ωt - 1

9

sin3ωt+1

25

sin5ωt-…)

若基波为10KHz ，幅度为6Vpp 的正弦波信号，则合成近似方波所需的30KHz,50KHz 的正弦波信号幅度分别应为2Vpp ，1.2Vpp ；同理，合成近似三角波所需的各信号幅度分别应为0.67Vpp ，0.24Vpp ，且各信号均为同相信号。 2． 有源二阶带通滤波器参数分析与计算

常用的巴特沃斯有源滤波器的形式主要有压控电压源二阶带通滤波器和无限增益多路负反馈二阶带通滤波器，其组成原理图分别如图2、图3所示。其中，压控电压源二阶带通滤波器的带宽与 中心频率点的电压增益有关，带宽越窄，电压增益越大。如若带宽为中心频率的10%，则中心点的电压增益为29。本设计中，带通滤波器的输入电压约1.2Vpp ，为防止输出饱和，放大量不宜过大；再则，压控电压源二阶带通滤波器的控干扰能力也不如无限增益多路负反馈二阶带通滤波器，故本设计采用无限增益多路负反馈二阶带通滤波器。

u o u o 图 2 压控电压源二阶带通滤波器 图3 无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波器

在图3中，电路的传输函数：

⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛+++

-

=

213232111121)(R R R C s C R s s C

R s A u 2

2o

o

o

uo

s Q

s s

Q

A ωωω++

= （1）

上式中：21ωωω⋅=

o 为带通滤波器的中心角频率。1ω、2ω分别为带通滤波器

的高、低截止角频率。

中心角频率： ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=

21

2

3111R R C R o ω （2） 通带中心角频率o ω处的电压放大倍数： 1

3

2R R A uo -

= （3）

3

2

CR Q

=

ω （4） 品质因数： f

f BW

Q ∆=

=

ω 时）0(ω<

10)(100===

μμ，则 R 1=55.73K Ω≈56 K Ω，R 3=222.92 K Ω≈220 K Ω，

R 2=1.16K Ω≈1.1K Ω 3. 移相电路分析与计算

图4是移相电路的原理图。类似于差分放大电路，