电子信息工程毕业设计论文

毕业设计（论文）

方波信号波形合成电路

专业年级 2007电子信息工程

学号 20072321

姓名周兴平

指导教师张秀平

评阅人

2011年6月

中国常州

河海大学

本科毕业设计（论文）任务书

（理工科类）

Ⅰ、毕业设计（论文）题目：

方波信号波形合成电路

Ⅱ、毕业设计（论文）工作内容（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明）：设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波。电路示意图如图所示。

基本要求：1、方波振荡器的信号经分频与滤波处理，同时产生频率为10kHz和30kHz的正弦波信号，这2种信号应具有确定的相位关系；

2、产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为6V和2V；

3、制作一个由移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的10kHz和30kHz 的正弦波信号作为基波和3次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为5V。

4、再产生50KHz的正弦信号作为5次谐波，参与信号合成，使合成的波形更接近于方波；

5、设计制作一个能对各个正弦信号的幅度进行测量和数字显示的电路，测量误差不大于正负5%。

6、总结毕业设计内容，撰写毕业设计论文。

Ⅲ、进度安排：

第一阶段（10年下13周——15周）：搜集相关资料，复习掌握相关的理论知识。第二阶段（16周——20周）：方波产生电路设计、调试。

第三阶段（11年上1周——8周）：谐波产生电路设计、调试，方波合成。

第四阶段（9周——13周）：正弦波幅度测量和显示电路设计。

第五阶段（14周——）：撰写毕业设计论文，答辩。

Ⅳ、主要参考资料：

[1]、郑君里等《信号与系统》（上）[M].高等教育出版社，2005.

[2]、康华光.《电子技术基础》（模拟部分）[M].高等教育出版社,2003.

[3]、胡汉才.《单片机原理及系统设计》.清华大学出版社，2002.

[4]、https://www.360docs.net/doc/9e2433689.html,.

指导教师：张秀平，2010 年11 月28 日学生姓名：周兴平，专业年级：07级电子信息工程系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）：

系负责人签字：，2010 年12 月8 日

摘要

课题任务是对一个特定频率的方波进行变换产生多个不同频率的弦信号，再将这些正弦信号合成为近似方波。首先设计制作一个特定频率的方波发生器，并在这个方波上进行必要的信号转换，分别产生10KHz、30KHz 和50KHz 的正弦波，然后对这三个正弦波进行频率合成，合成后的目标信号为10KHz近似方波。

本课题的理论基础是傅里叶级数。法国数学家傅里叶发现，任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示（选择正弦函数与余弦函数作为基函数是因为它们是正交的），后世称为傅里叶级数一种特殊的三角级数。假设{a0, a1, a2, a3, ..., an, ...}和{b1, b2, b3, ..., bn, ...}是一组无穷的常数。这些常数被称为傅里叶系数。x是一个变量。普通的傅里叶级数可以表示为：

F(x) = a0/2 + a1 cos x + b1 sin x + a2 cos 2x + b2 sin 2x + ...+ an cos nx + bn sin nx + ...

一些波形比较简单，比如单纯的正弦波，但是这些只是理论上的。在实际生活中，大多数波形都包含谐波频率（最小频率或基波频率的倍数）的能量。谐波频率能量相较于基波频率能量的比例是依赖于波形的。傅里叶级数将这种波形数学的定义为相对于时间的位移函数（通常为振幅、频率或相位）。[1]

随着傅里叶级数中计算的项的增加，级数会越来越近似于定义复杂信号波形的精确函数。计算机能够计算出傅里叶级数的成百上千甚至数百万个项。

本课题就是基于此原理，取基波、三次谐波及五次谐波进行合成。当然谐波之间要满足一定相位及幅值比例关系，所以用同一振荡器产生信号，再进行分频及移相等处理。

关键词：方波振荡器；傅里叶级数；分频；滤波；移相电路

Abstract

Mission is to issue a specific frequency square wave to transform strings produce multiple signals of different frequencies, then the synthesis of these sine square wave signal. First, to design a specific frequency square wave generator, and in this square wave signal on the need for conversion, were generated 10KHz, 30KHz and 50KHz sine wave, then a frequency of the three sine wave synthesis, synthesis of the target after 10KHz square wave signal.

The project is based on Fourier series theory. French mathematician Fourier discovered that any periodic function can be used sine and cosine functions to represent the infinite series form (select the sine function and cosine function as basis functions because they are orthogonal), later known as the Fourier A special series of triangular series. Suppose {a0, a1, a2, a3, ..., an, ...} and {b1, b2, b3, ..., bn, ...} is a set of infinite constant. These constants are called Fourier coefficients. x is a variable. Ordinary Fourier series can be expressed as:

F(x) = a0/2 + a1 cos x + b1 sin x + a2 cos 2x + b2 sin 2x + ...+ an cos nx + bn sin nx + ...

Some relatively simple waveforms, such as pure sine wave, but these are only theoretical. In real life, most of the waveforms contain harmonic frequency (minimum frequency or a multiple of the fundamental frequency) energy. Harmonic frequency energy compared to the ratio of the fundamental frequency energy is dependent on the waveform. Fourier series mathematical definition of this kind of waveform relative to the displacement function of time (usually amplitude, frequency or phase).

Calculated as the Fourier series of items increasing, the series will be more similar to the definition of the precise function of complex signal waveforms. Computer can calculate the Fourier series of hundreds of thousands or even millions of entries.

This topic is based on this principle, take fundamental, third harmonic and fifth harmonic synthesis. Of course, between the harmonic phase and amplitude to meet certain proportional relationship, so with the same oscillator signal, then the frequency and the shift is equal treatment.

Keywords: Square wave oscillator; Fourier series; frequency; filter; phase-shifting circuit

目录

第一章系统方案比较 (1)

一、方波振荡电路及滤波电路方案论证 (1)

二、移相电路方案论证 (1)

第二章 555定时器设计 (3)

一、555芯片介绍 (3)

二、振荡器设计 (3)

第三章分频电路的设计与分析 (4)

一、CD4017介绍 (4)

二、CD4013介绍 (5)

三、分频电路设计 (6)

第四章滤波电路 (7)

一、滤波技术简介 (7)

二、NE5532芯片介绍 (10)

三、滤波电路设计 (11)

第五章移相电路 (13)

一、移相技术简介 (14)

二、移相电路设计 (15)

第六章放大及加法电路 (16)

第七章总结与展望 (18)

致谢 (19)

参考文献 (19)

附录一 (20)

附录二 (20)

附录三 (23)

第一章 系统方案比较

一 、方波振荡电路及滤波电路方案论证

方案一：用555定时器构成多谐振荡器产生300KHz 方波，或者用MSP430单片机自带定时器产生300KHz 方波，然后通过数字分频电路分出10KHz ，30KHz 及50KHz 方波，再通过滤波提取相应的正弦波，这样提取出来的正弦波相位关系确定，适合于方波、三角波的合成。

方案二：用多个555定时器构成的多谐振荡器产生分别10KHz ，30KHz ，50KHz 的方波，然后用低通滤波电路分别把各自的基波提取出来，产生10KHz ，30KHz ，50KHz 正弦波，但是这样的正弦波相位关系不确定，不能用于合成方波三角波。

方案三：CPLD 可编程逻辑器分别产生10KHz ，30KHz ，50KHz 方波，并且三种方波之间存在明确的相位关系，然后用巴特沃斯低通滤波器将10KHz 与30KHz 的基波提取出来，即产生10KHz ，30KHz 的正弦波，又因为所选用的巴特沃斯低通滤波器TLC04的截止频率达不到50KHz ，所以50KHZ 正弦波的提取采用了带通滤波器。这样就可以产生出三种正弦波，在经过移相电路将三种波形的相位差调节为0度，在通过运算放大电路使其幅度达到所需的要求，然后再将这三种有明确相位关系的正弦波通过加法器相加，即可得到所需的方波了。

由于555定时器多谐振荡器构造简单，频率稳定，所以选择方案一。

二、移相电路方案论证

方案一：用RC 构成一级移相电路，该电路优点是电路结构简单，缺点是在调节相位时，移相角度不大于90度，而且波形幅度的幅度发生变化，特别是移相角度不大于90度不能满足实际需要。

RC 一级移相电路

图1 RC 一级移相电路

如图为RC 滞后型移相网络，θ<==

?

?

?

?

*||1

2A v v A ，0

1

2

f f

tg --=

<π

θ，其中RC

f π21

0=

。即调节R 或C ，可以使网络产生0-90°的相移。[2]

方案二：用RC 构成多级移相电路，该电路结构符合相位移位的需求，可以在0-180°范围内调节相移，但是波形会发生严重衰减。

方案三：利用全通滤波电路来构成移相电路，该电路可以在0-180°范围内调节相位，且幅度基本不变化。

图2 二阶全通滤波电路

jwRC jwRC A u +--=?

11，012,1||f f

tg A -?-==πθ，其中RC f π210=。

由此可以看出，二阶全通滤波电路可以产生0-180°相移。[2]

方案四：在分频电路末端使用CD4013D 触发器对方波进行移相然后再进行滤波生成正弦波。

RC 移相电路构造简单但生成波形会有较大失真。全通滤波电路可以进行在0-180°范围内调节相位，波形失真较小且幅度基本不变化，但构造复杂。经考虑选择方案三。

最终总方案流程图如下：

图3

第二章555定时器设计

一、555芯片介绍

1．可产生精确的时间延迟和振荡，内部有3个5kΩ的电阻分压器，故称555。

2．电源电压电流范围宽，双极型：5～16V；CMOS：3～18V。

3．可以提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平。

4．可输出一定的功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等。

5．应用：脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制、家用电气与电子玩具等领域。

6．TTL单定时器型号的最后3位数字为555，双定时器的为556；CMOS单定时器的最后4位数为7555，双定时器的为7556。它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。

555定时器的集成电路外形、引脚、内部结构如图4所示。[6]

(a) 外引线排列图(b) 内部结构图

GND：接地端TR：低触发端 OUT：输出端R：复位端

：电源端CO：控制电压端 TH：高触发端 D：放电端 V

CC

图4 555定时器外引线排列及内部结构图

二、振荡器设计

选择采用NE555多谐振荡器。利用深度正反馈，通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止，从而自激产生方波。根据设计的需要，我最终选择如图5所示占空比及频率可调振荡电路，电阻选择3.3K欧姆电位器，电容使用1000pF。

图5 555振荡器电路

第三章分频电路的设计与分析

一、CD4017介绍

十进制计数／分频器CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。

CD4017有10个输出端（O0～O9）和1个进位输出端～O5-9。每输入10个计数脉冲，～O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。

CD4017有3个输入（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1～O9）均为低电平。CP0和～CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CPl端输入。设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。

由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。[6]

图 6

二、CD4013介绍

在电子技术中，N/2(N为奇数)分频电路有着重要的应用，对一个特定的输入频率，要经N/2分频后才能得到所需要的输出，这就要求电路具有N/2的非整数倍的分频功能。CD4013是双D触发器，在以CD4013为主组成的若干个二分频电路的基础上，加上异或门等反馈控制，即可很方便地组成N/2分频电路。

上面介绍的N/2分频电路仅限于N≤7，当N≥7时，可根据分频N值的大小，相应增加二分频级数，并恰当引接反馈信号走线，便可得到N≥7的分频电路。

N/2分频电路的特性如下：

1.电路工作原理是，在第n个周期，末级两分频器的输出为高电平时，输入时钟脉冲的上升沿使分频电路工作；在第n＋1个周期，末级两分频器的输出为低电平时，输入时钟脉冲的下降沿使分频电路工作。

2.电路采用的是异步触发形式，各触发器的初始状态不会影响到分频的功能。如果要求初始状态为“0”状态，可以将D触发器的复位端R引出，接至复位控制电路。

3.输入信号fi的最高工作频率fimax除受到CMOS元件fM的限制外，还受到D触发器、反馈门翻转延迟和电容C滤波频率特性的影响，所以应尽可能提高fi的值。一般情况下，最高工作频率fimax在几百千赫以下。

CD4013引脚图如下：[6]

三、分频电路设计

根据题意要求，分频电路实现将300KHz方波通过分频产生 10KHz、30 KHz 和 50 KHz的新的方波。

在某特定频率的方波上要产生几个其他频率方波，可按照这些频率的最小公倍数×2 为原则，题目要求的三个频率为 10KHz、 30KHz和 50KHz，其公倍数为 150KHz，再乘以 2，则上述方波发生器为 300KHz。验证一下：300KHz频率 30 分频得 10KHz，10 分频 30KHz，6 分频 50KHz。采用十进制计数分配器CD4017配合 D触发器CD4013实现分频为上述3个频率的方波，CD4017 默认 10 分频，下图中二极管正极连接位置决定分频系数。对于 CD4013，所起的作用是将由CD4017 分频后非 50%占空比调节为 50%。设计电路见图所示，300KHz输入信号送 CD4017 的 CLK（14pin），输出信号从 CD4013 的 Q 端送出。

具体电路如图所示：

图8 50KHz分频电路

该图中由于 D2 接 CD4017 的 Q3，因此实现将 300KHz 3分频，为300KHz/3=100KHz 再经后级 CD4013 进行 2 分频，获得了 100KHz/2=50KHz 的频率。对于 30KHz和 10KHz的分析计算方法相同，不再细述。

第四章滤波电路

一、滤波技术简介

滤波技术是通信和工程测试领域的重要环节，滤波网络的理论逼近问题，早在上个世纪的三四十年代就已解决，但滤波器的综合技术，由于其网络元件参数的实际选择和调试的困难，一直没有长足的发展。近年来虽然有开关电容式专用集成滤波芯片问世，但价格不菲，电路噪声也不尽人意。因此对RC有源滤波器优化综合技术的研究，在信号处理和实时工控等领域，仍有积极的实际意义。所谓优化综合，指的是实现电路较简洁；或是网络参数易确定，调试方便；或是滤波器有确定的截止频率解析式，有较好的精度。 [10]

滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种：

①无源滤波器:

由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成

②有源滤波器:

一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，

由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。

从功能来上有源滤波器分为：

低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、

带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、

全通滤波器（APF）。

其中前四种滤波器间互有联系，LPF与HPF间互为对偶关系。当LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率时，将LPF与HPF相串联，就构成了BPF，而LPF与HPF并联，就构成BEF。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数AVP、通带截止频率fP及阻尼系数Q等。[12]

工作原理：

二阶有源滤波器是一种信号检测及传递系统中常用的基本电路, 也是高阶虑波器的基本组成单元。常用二阶有源低通滤波器的电路型式有压控电压源型、无限增益多路反馈型和双二次型。

二阶滤波，是实现高阶滤波网络的积木块。Butterworth 滤波网络，又称“最平坦幅频特性” 滤波网络。式(1)是二阶Butterworth归一化滤波网络的传递函

数：

式中ζ——系统阻尼系数

——系统固有角频率

ω

当时，称为最佳阻尼系数，此时系统的幅频特性也最为平坦。显然，二阶Butterworth传递函数是取得最佳阻尼系数的传递函数。

可求得其传递函数为：

电路阻尼系数：

电路阻尼系数是一个重要的参数，传递函数的两个极点均由阻尼系数ζ所表征，它对系统在整个频域内能否稳定工作起着决定性的作用。阻尼系数ζ越小，在s平面内越靠近虚轴，系统越不稳定。因此我们的任务是既要使阻尼系数取得0.707的最佳值，又要使阻容参数选择和调试方便，同时还要保证截止频率f

0有较规范的解析式。[13]

RC有源滤波器的共同特点是电路简洁，有简洁明了的频率解析式，网络参数调试方便，且有较好的精度，同时均通过实验验证，性能稳定，电路噪声小，已在多种场合得以应用。[14]

二、NE5532芯片介绍

NE5532芯片构成滤波电路。

NE5532功能特点简介:

NE5532/SE5532/SA5532/NE5532A/SE5532A/SA5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。如果噪音非常最重要的，因此建议使用5532A版，因为它能保证噪声电压指标。[14]

NE5532特点：

?小信号带宽：10MHZ

?输出驱动能力：600Ω，10V有效值

?输入噪声电压：5nV/√Hz(典型值)

?直流电压增益：50000

?交流电压增益：2200-10KHZ

?功率带宽： 140KHZ

?转换速率： 9V/μs

?大的电源电压范围：±3V-±20V

?单位增益补偿

NE5532引脚图：

图9 NE5532 8脚引脚

NE5532内部原理图:

图10 5532内部电路图

三、滤波电路设计

为了便于计算，我电容都使用1000pF。对于10KHz分量，电阻使用10K欧姆。

具体电路如下图：

图11

它由两节RC 滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率f ＞＞f0时（f0 为截止频率），电路的每级RC 电路的相移趋于-90o，两级RC 电路的移相到-180o，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。[16]

传输函数为： )()()(i o s V s V s A =

2

F F

)

()-(31sCR sCR A A V V ++= 令 F 0V A A = 称为通带增益

F

31

V A Q -=

称为等效品质因数 RC

1

c =

ω 称为特征角频率 则

2c

n

2

2

c 0)(ω

ωω++

=

s Q

s A s A

上式为二节低通滤波电路传递函数的典型表达式

注： 时，即当 3 03 F F <>-V V A A 滤波电路才能稳定工作。 对于50KHz 和 30KHz 的分析计算方法相同，不再细述。

第五章 移相电路

一、移相技术简介

线性时不变网络在正弦信号激励下，其响应电压、电流是与激励信号同频率

的正弦量，响应与频率的关系，即为频率特性。它可用相量形式的网络函数来表示。在电气工程与电子工程中，往往需要在某确定频率正弦激励信号作用下，获得有一定幅值、输出电压相对于输入电压的相位差在一定范围内连续可调的响应（输出）信号。这可通过调节电路元件参数来实现，通常是采用RC 移相网络来实现的

最简单的模拟电路移相是RC 移相和LC 移相，我们一般采用RC 移相电路。

图12 用相量图表示了简单串联电路中电阻和电容两端的电压U R 、U C 和输入电压U 的关系，值得注意的是：相量法的适用范围是正弦信号的稳态响应，并且在R 、C 的值都已固定的情况下，由于X c 的值是频率的函数，因此，同一电路对于不同频率正弦信号的相量图表示并不相同。在这里，同样的移相电路对不同频率信号的移相角度是不会相同的，设计中一定要针对特定的频率进行。[18]

我们一般将RC 与运放联系起来组成有源的移相电路，图13是个典型的可调移相电路，它实际上就是图1中两个移相电路的选择叠加：在图12两个移相电路之后各自增加了一个跟随器，然后用一个电位器和一个加法器进行选择相加。

C

u u o

u i

u o

U I 图12 简单的RC 移相

图13 典型的有源RC 移相电路

如果用相量法来表示输出量和输入量的关系，我们可以得到图2电路的两个方程：

()()2

222222222211111C R RC

j C R U U j H C R RC j U U j H i

i

ωωωωωωω++=

=+-=

=

这里我们可以将以上方程称为用相量形式表示的传递函数或传递方程。 以上两个传递方程实际上就是图1两个电路的传递方程，它们表示出了输出信号和输入信号之间的关系，从相位来看，如果把输入信号看成是在横轴正向的单位为1的信号，则传递方程的实部对应着输出信号所处的横坐标，虚部则对应输出信号所处的纵坐标，由于以上传递方程的分母恒大于零，因此H 1表示经过IC 1后的信号相位在第4象限（实部为正，虚部为负），而H 2表示经过IC 2后的信号相位在第1象限（实部为正，虚部也为正）。至于移相的具体角度则应该是输入频率的函数。[18]

对图 和图 电路，经过两个简单移相电路的相移角度分别是 φ1=arctg （-ωRC ）和φ2=arctg （1/ωRC ）

对于周期为2πRC 的信号来说，角频率ω=1/RC ，这时的移相角度分别为-45°和+45°，在这种情况下，图2电路的移相角度不会大于±45°，当图2电路的电位器调到尽头都达不到规定的移相角度时，可考虑改变电路参数或者改变电路。

在不改变元件参数的情况下，一个很笨的方法可以这样来做：如果图2中的移相角度在R W 向下调节的过程中逐渐接近要求，但将R W 的滑动臂调到最下方仍然达不到理想结果时，我们就可以去掉IC 1和IC 3,再在IC 2后面加一个同样的IC 2电路，只不过这时可以把电阻R 换成可调电阻以改变移相的角度。

有人会把图2中IC 1电路和IC 2电路说成是低通电路和高通电路，因为在有源滤波器中，这两个电路确实是起到了低通和高通的作用。但正如我们这里只称图1中间的电路是基本的RC 移相电路，而不说它是微分电路、耦合电路、隔直电路、复位电路和高通电路一样，我们这里主要利用了图2电路的移相作用，因此我们这里就只说它是移相电路。

实际上，很多有源滤波器都有移相作用，在有源滤波器中考虑的主要是电路的幅频特性，而我们这里更重视的是相频特性。在得到电路的传递函数后，我们