信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)與制作

1、<p>　　信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)與制作</p><p>　　摘要：任何電信號(hào)都是由不同頻率、幅值、初相的正弦波疊加而成的。本方案設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)波形的合成電路，通過方波振蕩器產(chǎn)生的一定頻率的方波，經(jīng)分頻，濾波后得到按傅里葉級(jí)數(shù)展開的基波和3次、5次諧波，經(jīng)移相后將其中的基波與多次諧波相疊加后模擬合成方波。本方案采用了大量TI公司的芯片例如CD4046、CD4018、MSP430F149、OPA820

2、等。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：CD4046 CD4018 MSP430F149 OPA820 基波 諧波 方波 </p><p><b>　　1 方案設(shè)計(jì) </b></p><p><b>　　1.1 系統(tǒng)分析 </b></p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。 </p>&

3、lt;p><b>　　圖1 系統(tǒng)分析 </b></p><p>　　該系統(tǒng)主要由方波振蕩電路、分頻濾波電路、移相電路、加法電路及幅值測(cè)量顯示電路組成。由方波振蕩電路產(chǎn)生150KHZ方波，經(jīng)分頻分別得到10KHZ、30KHZ和50KHZ的方波，通過濾波得到10KHZ、30KHZ和50KHZ正弦波。正弦波經(jīng)移相后由加法電路疊加生成合成信號(hào)，同時(shí)由幅值測(cè)量顯示電路顯示對(duì)應(yīng)正弦波的幅值。 &l

4、t;/p><p>　　1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與理論計(jì)算 </p><p><b>　　振蕩電路 </b></p><p>　　振蕩電路如圖2所示。該模塊主要由鎖相環(huán)CD4046構(gòu)成的電路來實(shí)現(xiàn)。要產(chǎn)生頻率為10kHz和30kHz，幅度為6V和2V的正弦波信號(hào)，則輸入信號(hào)幅度必須大于6V，鎖相環(huán)鎖定在30KHZ附近。 </p><p&g

5、t;<b>　　圖2 振蕩電路 </b></p><p>　　CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器。當(dāng)9腳輸入端輸入5V電源時(shí)，電路即起基本方波振蕩器的作用。振蕩器的充、放電電容C1接在6腳與7腳之間，調(diào)節(jié)電阻R2的阻值即可調(diào)整振蕩器振蕩頻率，振蕩方波從4腳輸出。 </p><p>　　f0=1/8*C1*（（V1-VGS）R1

6、+（VDD-2*VTP）R2） </p><p>　　其中V1是9腳的輸入電壓，VGS是鎖相環(huán)內(nèi)部MOS管的柵-源極壓降，VTP是柵極的開啟閾值電壓，VDD是工作電壓。 </p><p>　　當(dāng)C1=103Pf，R1=100k時(shí)，振蕩頻率變化范圍為80- </p><p><b>　　150KHZ。 </b></p><p&

7、gt;<b>　　分頻電路 </b></p><p>　　CD4018是一個(gè)高電壓型可預(yù)置1/N計(jì)數(shù)分頻器，固定可編程2，3，4，5，6，7，8，9，10分頻。包括5級(jí)約翰遜計(jì)數(shù)器，提供時(shí)鐘，復(fù)位，數(shù)據(jù)，預(yù)置允許，特點(diǎn)是額定電壓達(dá)20V，全靜態(tài)工作，標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)稱輸出特性，5V電壓，10V和15V參數(shù)級(jí)別。5分頻電路如圖3所示。 </p><p><b>　　圖

8、3 5分頻電路 </b></p><p><b>　　圖4 濾波電路 </b></p><p><b>　　濾波電路 </b></p><p>　　本模塊采用TI公司UAF42有源濾波器。UAF42是具有高集成度，特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成低通，高通，帶通和帶阻濾波器，具有高精度頻率和高Q值，片內(nèi)集成有1

9、000pF±5%的電容。本設(shè)計(jì)三路正弦波都采用低通濾波，電路相似，參數(shù)不盡相同。其中10K正弦波濾波電路如圖4所示。 </p><p>　　當(dāng)采用如圖4電路時(shí)，為低通濾波器，此時(shí)有f= /2π，ω2=R2/R1RF1RF2C1C2，其中f為濾波器截止頻率。根據(jù)UAF42內(nèi)部電路可知：R1=R2=50KΩ，C1=C2=1000PF，同時(shí)外部電路滿足RF1=RF2=R5+R6=R7+R8，所以ω與f就與R5

10、，R6，R7，R8有關(guān)，調(diào)節(jié)R6、R7來滿足要求。 </p><p>　　濾波器品質(zhì)因數(shù)Q=（1+R4（RG+RQ）/RGRQ）/（1+R2/R1）*（R2RF1C1/R1RF2C2）1/2，其中RG為增益控制電阻，RQ為品質(zhì)因數(shù)調(diào)節(jié)電阻，RG=R3，RQ=R4，UAF42內(nèi)部R4=50KΩ，于是Q就與圖中的R3，R4有關(guān)，調(diào)節(jié)R4來滿足要求。 </p><p><b>　　移相

11、電路 </b></p><p><b>　　圖5 移相電路 </b></p><p>　　移相電路如圖5所示，由兩級(jí)運(yùn)放組成，本設(shè)計(jì)中采用LF353，第一級(jí)運(yùn)放與C17、R23構(gòu)成有源微分網(wǎng)絡(luò)，第二級(jí)運(yùn)放與R24、C19組成有源積分網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)輸入正弦交流信號(hào)時(shí)，第一級(jí)運(yùn)放輸出超前相位信號(hào)，第二級(jí)運(yùn)放輸出一滯后相位信號(hào)，通過調(diào)節(jié)R24可使輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位

12、發(fā)生變化。 </p><p><b>　　加法電路 </b></p><p>　　加法電路如圖6所示，本設(shè)計(jì)采用同相輸入加法電路。輸出Uo=（1+R25/R27）（U1+U2+U3）。當(dāng)R25=R27時(shí)，Uo=2（U1+U2+U3），此時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)疊加。 </p><p><b>　　圖6 加法電路 </b></p

13、><p>　　圖7 峰值檢波電路 </p><p><b>　　幅值檢測(cè)顯示電路 </b></p><p>　　該電路由峰值檢波電路和顯示電路組成。 </p><p><b>　?、俜逯禉z波電路 </b></p><p>　　如圖7所示，峰值檢波電路由二極管，電解電容，和一個(gè)大電

14、阻組成。 </p><p><b>　?、诜逯碉@示電路 </b></p><p>　　本電路由TI公司MSP430F149單片機(jī)及相應(yīng)電路組成，電路如圖8所示。 </p><p>　　圖8 MSP430F149幅值測(cè)量顯示電路 </p><p>　　其中MSP430F149是TI公司16位超低功耗單片機(jī)。由2個(gè)16位定時(shí)

15、器、8路快速12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)通用串行同步/異步通信信號(hào)接口和18個(gè)I/O引腳等構(gòu)成的微控制器。其特點(diǎn)是電源電壓范圍為1.8V-3.6V，超低功耗，內(nèi)部集成看門狗定時(shí)器。 </p><p>　　通過F149單片機(jī)的P1.0、P1.1和P1.2口分別進(jìn)行AD采樣，得到10KHZ、30KHZ和50KHZ正弦波的幅值，通過按鍵SW1、SW2、SW3切換在12864液晶上顯示各自峰值。 </p>&l

16、t;p><b>　　2 測(cè)試結(jié)果 </b></p><p>　　在測(cè)試階段，我們對(duì)得到的正弦波進(jìn)行了頻率、峰峰值的測(cè)量并計(jì)算了峰峰值測(cè)量誤差。測(cè)試得到的數(shù)據(jù)如表1所示。 </p><p><b>　　表1 數(shù)據(jù)分析表 </b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p>

17、<p>　　[1]康華光.《電子技術(shù)基礎(chǔ)——模擬部分》，高等教育出版社，2006. </p><p><b>　　1. </b></p><p>　　[2]SLAU049D，MSP430x1xx Family User's Guide，Texas Inst- </p><p>　　ruments，USA. </p&g