信号波形合成实验
信号波形合成实验电路 实验报告
组员：于兴家、俞宝智、黄艳霞 指导教师：赵娟老师
目录
一、系统设计 ................................................................ .................................................2 1、设计任务.......................................................................................................................... 2 2、基本要求.......................................................................................................................... 2 3、发挥部分.......................................................................................................................... 2
二、方案论证..................................................................................................................................3
1、信号发生器电路................................................................................................................4 2、分频电路............................................................................................................................ 4 3、滤波电路............................................................................................................................ 4 4、移相电路.............. .......................................................................................................... 4 5、加法电路............................................................................................................................5
三、整体设计...................................................................................................................................5 原理图：整体方案设计……………………………………………………………………………5 1、方波发生器的设计与实现…………………………………………………………….....5 2、分频电路的设计与实现………………………………………………………………..…5 3、电压跟随器………………………………………………………………………….…….6 4、滤波电路的设计与实现…………………………………………………………………..7 5、移向电路的设计与实现…………………………………………………………………..7 6、合成电路的设计与实现………………………………………………………………..…8 7、合成电路的设计与实现…………………………………………………………………..9 四. 实验测试与结果分析...............................................................................................................10
1、测试仪器与设备............................................................................................................... 10 2、整机标准…………………………………………………………….………….………..10 3、系统试验结果与分析.......................................................................................................10
五、实物图片..................................................................................................................................10
一、系统设计
1、任务
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和其他信号。电路示意图如图1所示：
图1 电路示意图
2、要求 1．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，这两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，合成波形的形状如图2所示。
图2 利用基波和3次谐波合成的近似方波 2．发挥部分
（1）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； （2）根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号合成电路，将产生的10kHz、30kHz等各个正弦信号，合成一个近似的三角波形；
（3）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±5％；
（4）其他。
二、系统方案论证
1.1 方波发生电路方案
方案一：采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，然后根据需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，相位也不一致，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。
方案二：采用555振荡电路或函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。波形的频率可以通过调节555定时器电路的外接滑动变阻器来进行调节。该电路具有成本低廉，频率可调，电路灵活方便，结构简单，低功耗，输入阻抗高，上升沿陡等的特点，不用依靠单片机。但是经试验验证，555振荡产生的失真较大，所以放弃此方案。
方案三：由UA741集成运算放大器构成的方波信号发生器具有结构简单,调试方便，但它产生方波信号的可靠性差，易失真，稳定性差。
方案四：由CD4046芯片（CMOS锁相环电路）具有电源电压范围宽（3v至18v），输入阻抗高（为100M欧姆），动态功耗小，属微功耗器件等特点，构成的方波信号发生器，根据所接改变阻值大小即可改变方波输出范围。故采用此种方案，方便简单。
由CD4046构成的方波发生器
方案五：采用二级非门与晶振组合成形成正反馈电路产生正反振荡，其
中采用的 6MHZ 的晶振是起滤波作用。只有 6MHZ 频率的脉冲信号容易通
过该正反馈电路，其它频率的信号被抑制。故电路表现为只有 6MHZ 的方波
信号。该电路输出稳定，容易搭建。
1.2 分频电路设计方案
方案一：利用数字电路设计分频电路。通过计数器计数来实现，由待分频的时钟边沿触发集成计数器计数，当计数器到规定值时，输出时钟进行翻转，并给计数器一个复位信号，使得下一个时钟从零开始计数。以此循环下去。这种方法可以实现任意的整数分频电路，因操作方便，原理简单，选择方案一作为系统的分频方案。此次试验采用的为74LS161芯片。
方案二：使用编程方法实现分频电路。其原理与利用集成计数器相同，实现起来也十分简单，但分频得到的时钟可能会出现毛刺或不稳定的因素，适用于时钟要求不高的基本设计，且对于整数分频可以很容易地用计数器来实现，故不采用此方案。 方案三：采用CD4017（5位johnson计数器）与CD4013进行计数，计数器在时钟上升时进行计数。 1.3 滤波电路设计方案
由分频电路产生的单极性方波需要经过窄带通滤波电路形成正弦波。其带通的范围很窄，要与各次谐波的频率接近。
方案一：使用由LC网络组成的无源高阶巴特沃斯滤波器。其通带内相应最为平坦，衰减特性和相位特性都很好，对器件的要求也不高。但其在低频范围内有体积重量大，价格昂贵和衰减大等缺点。
方案二：采用实时DSP数字滤波技术，数字信号灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效的滤波，但要进行滤波，需要A/D、D/A既有较高的转换速率，处理器具有较高的运算速度，成本高。
方案三：以集成运放LM318为核心的有源滤波电路，结构简单，所需元件少，成本低，且电路输入阻抗高、输出阻抗低，但需要有专门的设计软件，所以不选择此方案。
方案四：运用RC滤波电路与同相比例放大电路构成的有源低通滤波器构成10k频率、30k频率的滤波。采用由RC滤波器与同相比例放大电路组成的低通滤波器与高通滤波器构成的有源带通滤波器构成50k频率滤波。因操作简单，所用元件简单容易获得，故采用此种方法。
1.4 移相电路设计方案
方案一：利用RC移相电路。RC移相电路主要是由电容的电流超前电压90度这一特性。RC滞后移相电路是电阻在前面，电容在后面。输入信号从电阻进入，输出信号是从电容上输出，其与电容并联，电压相等，所以输出电路的电压也滞后电流。同理，RC超前移相电路是电容器在前面，电阻在后面。可通过改变RC的值来改变移相的度数，相移在0°—90°之间变化。由它组成的移相电路具有电路简单、工作可靠、成本低、波形好、适应性强，所以选用此方法。
方案二：使用双运放LM318做移相电路。此电路主要也运用了电容的电流超前电压90度这一特性。但其不是单纯的无源电路而是结合了集成运放的有源电路，其体积小、性能稳定，输入阻抗高，输出阻抗低，而且可以提供180°的相移。 方案三：使用数字移相技术实现。主要分为两类：一类为是运用直接数字式频率合成技术DDS；一类是利用单片机计数延时的方法实现；一类是先将模拟信号或移相角数字化，经移相后再还原成模拟信号。DDS技术的实现电路较为复杂；以D／A转换方式实现的移相，虽然所用元件少，但输出信号的频率难以细调，特别是移相的最小单位太大，只适合于对频率要求不高，且移相角度固定的场合；以延时输出方波的方式实现的移相，输出信号的频率以参考信号的频率为准，而参考信号的频率则可以精确给定，可用于对频率要求高，且需无级移相的场合，但其硬件电路比较复杂。
1.5 信号合成电路设计方案
方波信号经过波形变换和移相后，其输出幅度将有不同程度的衰减，合成前需要将各成分的信号幅度调整到规定比例，才能合成为新的合成信号。本课题采用反向比例运算电路实现幅度调整，采用反向加法运算实现信号合成。
三、总体方案的设计与实现
1、原理图：整体方案设计
+
2、方波发生器的设计与实现
周期信号是由一个或几个、乃至无穷多个不同频率的谐波叠加而成的，因此周期信号可以分解成多个乃至无穷多个谐波信号。方波信号的傅里叶分解函数：
4Ud⎛11⎫
()t=sint+sin3t+ f1ω1ω1sin5ω1t+⋯⎪ (2-1)
π⎝
35
⎭
在理想情况下，方波的偶次谐波应该无输出信号，始终为零电平，奇次谐波
中的一、三、五次谐波的幅度比为1：（1/3）:（1/5）。信号源输出300KHz的方波信号经过分频滤波电路后可以得到10KHz、30KHz、50KHz的方波，其计算公式表示如下：
f(t)=3sin(2π⨯10⨯10t)+sin(2π⨯30⨯10t)+0.6sin(2π⨯50⨯10t)+⋯(2-2)
3
3
3
1
频率为10KHz的正弦波信号的峰峰值为6V；、频率为30KHz的正弦波信号的峰峰值为2V；频率为50KHz的正弦波信号的峰峰值为1.2V。
本课题的方波发生器部分采用芯片CD4046设计，通过制作后实测的效果看，调节电位器，所产生的频率稳定可靠。振荡器的充放电容C1接在6脚和7脚之间，调节R1阻值即可调节振荡器振荡频率。振荡方波从4脚输出。
3、分频电路的设计与实现
分频电路采用逻辑元件 74LS161、74LS00、71HC20、CD4013 搭建而成。 分频电路实现将某方波通过分频产生10KHz、30 KHz和50 KHz的新的方波。 根据题意要求，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74LS161配合D触发器CD4013实现分频为上述3个频率的方波，对于CD4013，所起的作用是将分频后非50%占空比调节为50%。
电路如图所示：振荡电路所产生的频率为 300kHz 的方波送到 74HC161与74HC00电路中分别构成 3、5分频电路，输出频率分别为为 100KHz 、60KHz的方波，送入74HC161与74HC20电路中构成15分频，输出频率为20KHz的方波。
频率为 100KHz 、60KHz、20KHz的方波的方波再经 CD4013D触发器构成 2分频，由 13 脚输出频率分别为 50KHz、30KHz、10KHz占空比 50%的方波。
4、电压跟随电路
电压跟随器具有输入阻抗高和输出阻抗低之特点，在电路中起阻抗匹配的作用，为了消除负载对分频电路造成的影响，遂在滤波电路与分频电路间加电压跟随器消除影响，减少纹波。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。原理图如图：
电压跟随器 5、滤波电路的设计与实现
运用RC滤波电路与同相比例放大电路构成的有源低通滤波器构成10k频率、30k频率的滤波。采用由RC滤波器与同相比例放大电路组成的低通滤波器与高通滤波器构成的有源带通滤波器构成50k频率滤波。电路如下图所示：
10khz滤波电路
30khz滤波电路
50khz滤波电路 6、移向电路的设计与实现
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。若将电位器作∞～0Ω的连续变化，将可获得0°～180°的相移效果。 以OP放大器作差动运算放大器。f0=2/1π.C0.R0之频率可被提前 +90°。输入频率f若由0～∞变化时，可得180°～0°的相位变化。中心频率为90°，由此频率可求得其相位角为:
而任意相位角可选择适用的值，如下式计算
电路如下所示：其中图（a）实现滞后相移90 o；图（b）实现超前相移90 o。
7、合成电路的设计与实现
移向后的电路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。
由傅立叶级数对方波予以分解可得
f(t)=
4A11
(sinωt+sin3ϖt+...+sinnϖt+...)nπ3n
11
1::
可见各级谐波的系数比为35。合成方波时，据题意，10kHz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。电路如下图：
五、实验测试与结果分析
1、测试仪器：
数字示波器LDS21010；数字万用表；函数信号发生器SG1060A；双路输出直流稳压电源。 2、整机标准
1）电源供电：双DC5V±2V，60mA；DC3.3V±2V，60mA；双DC15V±2V，1A；
2）使用环境：温度-20O C——+80 O C
；湿度0——95%RH 3、方波合成结果与分析
用示波器分别观察用于合成方波的各次谐波的波形，再分别观察通过加法器
实物连接图
方波产生电路
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10k+30k合成电路
10k+30k+50k+合成波形
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合成实物图 13 / 13