数字波形合成器

电子技术课程设计实验报告

数字波形合成器

一、实验背景

在某些场合，对于信号的频率，相位及其失真度要求较高。例如，在精密陀螺测试中，对于400Hz 三相正弦交流电源的这些参数要求就很严格，它要求频率稳定度△f/f≤0.0001，相位误差小于等于3度，正弦信号非线性失真系数小于1%等。如果这些指标不满足，将会使陀螺角动量变动，电动机升温，产生干扰力矩，从而影响陀螺马达的正常工作和测试。本课题要求采用数字合成技术，通过使用晶体振荡器，分频器及D/A 转换器等数字波形合成方案，输出高频率相位稳定度高的波形。

二、实验目的

1.进一步学习电子电路系统的设计方法和实验方法；

2.进一步掌握Multisim 仿真设计工具;

3.着重培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

三、实验要求

1.设计具有高频率稳定度和高相位稳定度的两相正弦信号源；

2.两相正弦信号频率f=400Hz ；

3.两相信号A 、B 之间相位差90度；

4.幅值Vm=5V ±0.2V 。

四、设计原理

设要合成的正弦波频率为0f 幅值为m U 。首先将它的一个周期分为N 等分，用具有N 个阶梯的阶梯波来逼近所要求的正弦波，如图1所示。可见N 越大，其逼近程度越好，失真也越小。

图1 阶梯正弦波

数字波形合成器主要就是合成这种阶梯波形，然后通过低通滤波器滤除高次谐波分量从而获得所需的正弦波。图2为正弦阶梯波合成器的原理框图。其中脉冲发成器的振荡频率F 与正弦波的频率f 之间的关系为

Nf F = 即，N F f = 式中，N 为分频器的分频系数，也称计数器的有效状态数。

计数器的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。用上述N 个状态变量,分别控制正弦波加权D/A 转换器的权电阻（该权电阻值等于该状态所对应当正弦值），就可以得到阶梯正弦波。当要求输出相位差为φ的两路正弦波时，两路阶梯波对应的阶梯应错开M 个计数器的状态，即

N

M πϕ2= 式中，M /2π为计数器两个相邻状态之间的相位差。

五、实验实现

1.振荡器

把石英晶体与对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来就组成图3所示的石英晶体多谐振荡器。

图3 晶体振荡器

由石英晶体的电抗频率特性可知：当外加电压的频率为

f时它的阻抗最小，

所以把它加入多谐振荡器的正反馈环路中以后，频率为

f的电压信号最容易通

过它，并在电路中形成正反馈，而其他频率信号经过石英晶体时被衰减。因此振荡器的频率也必然为

f.由此可见，石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英

晶体的固有谐振频率，而与外接电阻，电容无关。石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。它的频率稳定度可达10e-10—10e-11,可以满足设计要求。

2. N分频器

采用6个D触发器构成6位扭环形计数器，实现12分频。此时每一位Q输出都是400HZ，如图4 所示

图4 6位扭环形计数器

计数器一共提供了12路输出，这12路输出每相邻两路相差30度。其时序图及增量式阶梯正弦波图如图5所示。

图5 6位扭环形计数器时序图及增量式阶梯正弦波合成原理

要求输出的正弦波相差︒90，即隔开3个︒30。因此第一路的输出状

态变量为1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q ,第二路4Q 5Q 6Q 1Q 2Q 3Q 。

3.正弦加权DAC

由电阻网、受数字控制的模拟开关、基准源R V 三部分构成。

图6 A 相正弦加权DAC

解码网的特点

每位一个电阻，称为位电阻，n 位需n 个电阻；取值上（电阻），按二进制整数代码权的规律取值：R ⋅02、R ⋅12、…、R n ⋅-12，例如n=8，R=15K ，则位电阻依次为：K 1520⨯、K 1521⨯、…、K 1527⨯；

4.二阶低通滤波器(LPF)

低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。如图7(a)所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC 滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C 接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图7（b ）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。

(a)电路图 (b)频率特性

图7 二阶低通滤波器

电路性能参数

1

f uP R R 1A += 二阶低通滤波器的通带增益。 RC

2π1f O = 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 uP

A 31Q -= 品质因数，影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。 六、总体电路及仿真结果

合成两相频率为400 赫兹、相位差为90 度、幅值为5 伏的正弦波信号电路如图5所示。波形发生器可以采用频率稳定性好的石英晶体震荡电路。这里N 进制计数/分频器采用六位扭环型计数器,U1～U6为6个带有异步置位、复位端的D 型触发器。六位扭环型计数器共有12个状态(N = 12) ,每两个相邻状态间在相位上相差30度。数字波形合成器仿真电路图如图8所示。

图8 数字波形合成器仿真电路图仿真结果如图9所示。

图9 仿真结果

七、调试与结果分析

1.滤波电路中没有合适的电阻值，采用电阻的串联完成。

2.uA741芯片是有误差的，尤其是2片输出的幅值并不是严格相近，当然这和外围电路并不完全一样有一定关系。在这时可以稍微调节反馈电阻，使其增加，将输入增大一些，输出的幅值改变很明显；反复调节直到电压达到5V±0.2V。

3.实验过程中，电阻值很难与理论值选用一致，只能使用大小相近的，这就导致了很多问题，其中波形失真是最为突出的一个。在调试时，最好采用最为相似的组合。

八、实验心得

首先，使我对每个元器件的原理及性能有了更深入的理解和认识，较好的掌握了数字波形合成器的设计、组装与调试方法，进一步掌握了其工作原理。其次，加深了我对理论知识的理解，进一步将在书本上面所学到的只是运用到实际的项目之中，做到了书本与实践的相结合。同时，进一步学习了数电知识与电子电路系统的设计方法和实验方法。最后，复习了Multisim仿真设计工具，提升了独立分析问题和解决问题的能力；为以后从事电子系统设计和开发应用打好基础。

九、参考文献

[1] 李庆常,王美玲.数字电子技术基础[M].机械工业出版社,2013.

[2] 张玉璞,李庆常.电子技术课程设计[M].北京理工大学出版社,1996.

[3] 张玉平.通用电路模拟技术[M].机械工业出版社,1999.

[4] 郝鸿安.模拟集成电路应用集锦[M].上海科学技术出版社,1984.

[5] 王远.模拟电子技术第二版[M].机械工业出版社,1999.