信号波形合成

2010年全国大学生电子设计与创新大赛

——信号波形合成实验电路

(C题)

参赛学校：武汉理工大学华夏学院

院系：信息工程系

专业班级：电信 07 级

参赛队员：

赛前指导教师：

2010年8月

摘要：

基于电路设计的要求，信号波形合成器的电路主要由方波振荡电路、分频和滤波电路、移相电路、加法器电路模块等电路模块组成。本次信号波形合成器是基于傅里叶变换的原理设计的，选择了MAX038集成函数信号发生器，实现基准信号的产生，电路结构简单，效率快、精度高；采用TI公司的MSP430F149单片机的定时计数器完成分频功能，搭建有源RC移相电路实现移相功能，最后利用运算加法器完成信号的合成。该系统电路简单，目的明确，具有很好的实用性。

关键词：方波振荡电路 MSP430F149 移相电路加法器电路

Abstract：

Based on the circuit design requirements, signal waveform synthesis of circuit consists mainly of pulse oscillator circuit, frequency and phase filter circuits, circuit and adder circuits module circuit signal waveform synthesis is based on Fourier transform principle of design, chose MAX038 integrated function signal generator, realize the benchmark signals, such as simple structure, high precision and efficiency, The company adopts the MSP430F149 TI single-chip function complete timing counter frequency, phase shifting active RC circuit implementation phase function, and finally the computational adder complete synthesis of signal. The simple circuit system, purpose, have very good practicability.

目录

1系统方案................................................... 错误!未定义书签。

方波振荡模块的论证与选择................................ 错误!未定义书签。

分频模块的论证与选择.................................... 错误!未定义书签。

移相电路的论证与选择.................................... 错误!未定义书签。2系统理论分析与计算......................................... 错误!未定义书签。

方波产生电路的分析与计算............................... 错误!未定义书签。

分频电路的分析与计算.................................... 错误!未定义书签。

方波转换成正弦波的分析与计算............................ 错误!未定义书签。3电路与程序设计............................................. 错误!未定义书签。

电路的设计............................................... 错误!未定义书签。

系统总体框图......................................... 错误!未定义书签。

方波转正弦波电路原理图.............................. 错误!未定义书签。

电源................................................. 错误!未定义书签。

程序的设计............................................... 错误!未定义书签。

程序功能描述与设计思路............................... 错误!未定义书签。

程序流程............................................. 错误!未定义书签。4测试方案与测试结果......................................... 错误!未定义书签。

测试方案................................................. 错误!未定义书签。

测试条件与仪器.......................................... 错误!未定义书签。

测试结果及分析.......................................... 错误!未定义书签。

测试结果(数据) ....................................... 错误!未定义书签。

测试分析与结论....................................... 错误!未定义书签。附录1：参考文献............................................. 错误!未定义书签。附录2：整体电路图........................................... 错误!未定义书签。附录3 源程序................................................ 错误!未定义书签。

信号波形合成（C题）

【本科组】

1系统方案

本系统主要由方波振荡模块、分频模块、移相电路模块、加法器模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

方波振荡模块的论证与选择

方案一：采用直接数字频率合成器（DDS）。

直接数字频率合成器（DDS）能够用单片机进行控制，实现简单，可以产生频率相对稳定的正弦波和方波，符合本题要求。

方案二：采用集成函数信号发生器（MAX038）。

函数信号发生器（MAX038）能精密的产生三角波、锯齿波、矩形波、正弦波。频率范围从~20MHZ可调，各种波形的输出幅度均为2V(P-P)。如果用精密的电阻，则可以得到稳定频率的信号，而且调节精度很高。其波形失真很小，正弦波失真度小于%，占空比调节时非线性度低于2%。其也满足题目要求。

方案三：用NE555组成的方波信号发生器

一般使用NE555来制作非稳态多谐震荡器，而且在低频中较为常见，但由于充放电的时间不一致，所以并不能产生周期比相同的方波输出。在题目论证时，考虑到后级分频及其他要求，需要前级产生一个频率可调且稳定的方波信号。由NE555构成的振荡电路，输出频率调节较为麻烦，且不易于控制。

方案四：使用MSP430F149定时模块输出所需要的方波

MSP430F149单片机自带两个定时器，定时器A的PWM模式产生所需要的方波信号。然而，实际上的输出结果与理论计算结果相距较大。比较难以实现我们所需要的方波信号。

综合上述方案，考虑到电路前后级兼容性及题目要求，所以我们选用方案二。

分频模块的论证与选择

方案一：采用MSP430F149的定时计数器。

MSP430F149具有两个定时计数器A和B。其中定时计数器A包含了三个输出比较单元，定时器B包含7个输出比较单元。按理说完全可以满足多路的分频要求，但是分频出来信号的占空比必须为50%，才能传给后级转变为正弦波。所以用单片机分频最多只能分两路信号出来，这样只能做到基本要求的两路信号合成。如果想做到3路信号合成就得用2个单片机了。还有，经过实验发现，用单片机分频产生的两路信号（10KHZ和30KHZ）用示波器的两个探头同时观察波形，波形不能达到稳定。

方案二：采用可预置的4位二进制同步计数器74LS161搭建数字电路分频。

74LS161是可编程的4位二进制同步计数器。它具有同步并行置数的工作方式，该方式将数据输入端全部接地（所置数为零），然后利用其同步置数功能及附加门电路构成模数小于16的任一进制计算器。虽然其分频出来波形的占空比也不是50%，但是经过实验，在其后再加一级74LS74构成的2分频电路即可以得出占空比50%的方波，且用示波器观察分频出的两路信号（10KHZ和30KHZ），波形相当稳定。综合以上两种方案，选择方案二。

移相电路的论证与选择

方案一：采用无源RC移相电路。

一级无源RC移相网络就相当于一个无源RC高通滤波器，能够产生0~90°的相移。4级的话就可以产生0~360°的相移。可以满足相位的调节。但是无源RC移相电路并不是很可靠，并且4级RC移相网络电路比较复杂，故不采用此方案。

方案二：采用有源RC移相电路。

利用高精度运算放大器OP37搭建的有源RC移相电路，只要一级移相网络就可以实现0~180°范围内相位的连续变化，并且其精度与稳定度都相当高。实现电路简单，性能优异，故采用此方案。

加法器电路的论证与选择

加法器电路结构简单，只要选用由TI公司生产的NE5532运算放大器构成的反相输入加法电路即可以满足要求，故采用此方案。

2系统理论分析与计算

方波产生电路的分析与计算

函数信号发生器MAX038可由电阻和电容振荡产生可调频率和占空比的方波。

当VFADJ=0V时，其频率为: f=Iin(uA)/CF(pF)。

使用电压源和电阻串联的振荡器，其频率计算公式可等效为：f=Vin/[Rin*CF(pF)]。

Vin取，则f=[Rin*CF(pF)]。其中，20100

≤≤。

pF COsc uF

考虑到下级电路分频需要，需要方波频率在10KHz到2MHz可调。因此，电容使用短路帽分别取100pF，470pF，1000pF；电阻接入滑动变阻器阻值为100KΩ，阻值连续可调。这样可以产生频率在10KHz到2MHz可调的峰峰值稳定为2V的方波。

分频电路的分析与计算

根据题目要求，方波振荡器信号经过分频和滤波处理后，要同时产生频率为10KHZ 和30KHZ的正弦波信号，如果加上发挥部分要产生的50KHZ的正弦信号，我们一共要分三次频。考虑到10K、30K、50K的最小公倍数为150K，并且我们要通过D触发器构成的二分频电路，所以，方波振荡电路产生的方波信号的频率设定为1502300KHZ

?=。分别经过由74LS161构成的15、5、3分频电路就可以得到2KHZ、60KHZ、100KHZ的信号，然后再经过D触发器，就得到了所要求的10K、30K、50KHZ的信号。

方波转换成正弦波的分析与计算

将方波转换成正弦波的方法有很多种，我们选用先将方波通过积分电路转换成三角波，然后再将三角波转换成正弦波的方法。

积分电路的形式可以根据实际要求来确定。我们只需要对每一路信号进行一般波形转换，所以我们选用基本积分电路。如图1。

为有限值（通τ的大小决定了积分速度的快慢。由于运算放大器的最大输出电压U

omax

常U

=±10V左右），因此，若τ的值太小，则还未达到预定的积分时间t之前，运放omax

已经饱和，输出电压波形会严重失真。所以τ的值必须满足：

dt u U t

i o ?

-

≥0

max

1τ

也就是说,根据不同路信号的频率不一致，我们所选用的R 和C 的值也不一致。

①当F=10KHZ,110RC K τ=≥,选定C=1100pF;则412

1

9010110010R K -≥≈??,因此我们选

用100K 的滑动变阻器，即可满足要求。

②当F=30KHZ,130RC K τ=≥,选定C=470pF;则412

1

7031047010

R K -≥≈???,因此我们选用100K 的滑动变阻器，也可满足要求。

③当F=50KHZ,150RC K τ=≥,选定C=330pF;则412

1

6051033010R K -≥≈???,因此我们选

用100K 的滑动变阻器，满足要求。

三角波转正弦波电路，采用典型三角波转正弦波电路，具体电路见电路设计部分。

3电路与程序设计

电路的设计

3.1.1系统总体框图

系统总体框图如图2所示：

图2 系统总框图

3.1.2 方波转正弦波电路原理图

1、方波转正弦波电路

方波先通过积分电路转换成三角波，然后经过三角波转正弦波典型电路就可以得到正弦波。电路如图3所示。图中的反馈支路除了常有的Rf 外，还并联了一系列由一级管的电阻组成的电路。由Vo 和正负电源通过电阻分压在二极管的右侧得到一系列的电压。当Vo 向0减小时，D1,D2,D3依次导通，等效反馈电阻逐渐减小，则下降的斜率逐渐变慢，趋近于正弦波的底部变化趋势。同理当Vo 上升时，另外三个二极管依次导电，等效反馈电阻逐渐减小，则上升的斜率逐渐变慢，趋近于正弦波的顶部变化趋势。

2、采用差分放大器作为三角波转正弦波的电路。波形变换原理为“利用差分对管的饱和与截止特性进行变换，利用对管在饱和与截止时差分放大器传输特性曲线ic1表达式的波形类似正弦波来实现的。对于此电路，要求：传输特性曲线尽可能对称，尽可能窄，三角波的幅值Vm应接近晶体管的截止电压值。其中RP1用来调节三角波的幅度，RP2用来调整电路的对称性，并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。C1，C2，C3为隔直电容.在C3之后再接一个2阶有源巴特滤波器，得到正弦波。

具体电路分析在此不再赘述，想了解更多可以参见谢自美老师主编·《电子线路设计·实验·测试》。

3.1.3 真有效值电路原理图

1、真有效值电路原理图

3.1.4电源

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。

程序的设计

3.2.1程序功能描述与设计思路

1、程序功能描述

根据题目要求软件部分主要实现AD采样设置和显示。

1）AD采样功能：采得构成方波的三路正弦波的真有效值。

2）显示部分：经过计算，显示产生方波和产生三角波的各三路正弦信号的幅值。

2、程序设计思路

程序设计主要是用来AD采样真有效值，然后再液晶屏幕1602上将其显示出来。由于本次设计的输出结果，除了基本要求的方波以外，还做了发挥部分的三角波信号合成。所以我们一共将六路正弦信号的幅值进行显示（包括方波信号的1、3、5次谐波和三角波信号的1、3、5次谐波）。我们采用MSP430自带的AD采样模块，从外部引进方波信号的1、3、5次谐波信号进行AD采样，然后在半秒钟后，通过改变继电器偏向，采集三角波信号的1、3、5次谐波，再通过计算，在液晶上显示这六路信号的幅值。

3.2.2程序流程

由于程序简单，其流程值作如下叙述：

1．单片机MSP430F149初始化；

2．AD采样以及液晶1602的初始化；

3．开始采样

4．计算以及显示各路幅值

4测试方案与测试结果

测试方案

1、硬件测试

将硬件电路分级进行测试，也就是说，从方波振荡信号产生到最后波形合成，我们一级一级的检测。当确认一级正确以后，在接上下一级电路，测量下一集电路是否正常

工作。

2、硬件软件联调

测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：Tektronix TDS1002B，数字万用表FLUKE15B。

测试结果及分析

4.3.2测试分析与结论

根据上述测试数据，可以得出以下结论：

1、所选方波振荡频率合适，经过分频，容易得到题目要求的谐波信号频率；

2、移相及放大电路不仅很好的调整了各路信号的相位差，而且还将从滤波器出来被衰减的信号放大到谐波所需峰峰值，达到题目要求。

3、加法器合成波形为近似方波，满足本次设计的要求。

综上所述，本设计达到设计要求。

附录1：参考文献

[1] 邱关源、罗先觉主编·《电路》。北京：高等教育出版社。

[2] 黄智玮编著·《全国大学生电子设计竞赛系统设计》。北京：北京航空航天大学出版社.

[3] 高吉祥主编·《2007年全国大学电子设计试题剖析》。北京：电子工业出版社。

[4] 于洪珍主编·《通信电子电路》。北京：清华大学出版社。

[5] 谢自美主编·《电子线路设计·实验·测试》（第二版）。武汉：华中科技大学出版社。

附录2：整体电路图

附录3 源程序

//主程序

#include <>

#include ""

#include ""

#include ""

int temp0,temp1,temp2;

float adc0,adc1,adc2;

void delay(int ms)

{

int i,j;

for(i=0;i

{

for(j=0;j<1141;j++);

}

}

void main(void)

{

unsigned int i;

WDTCTL = WDTPW+WDTHOLD;//关闭看门狗

BCSCTL1 &= ~XT2OFF;//Enable XT2CLK

do

{

IFG1 &= ~OFIFG;

for(i = 0xff; i>0; i--);

}

while((IFG1 & OFIFG));//等待晶振起振

BCSCTL2 |= SELM_2 + SELS;//MCLK Source Select : XT2CLK

//SMCLK Source Select:XT2CLK

P1DIR = 0XFF;

PWM_OUT(2,2);//TA1产生1MHZ，占空比为50%作为AD转换触发源

LCD_init();//LCD1602初始化

ADC12_init();//AD采样初始化

_EINT();

while(1)

{

P1OUT |=0X01;//控制继电器跳转，半秒钟采样方波谐波的幅值，半秒钟采样三角波谐波的幅值

adc0 = temp0**4095;//采回来的是有效值经过AD

adc1 = temp1**(4095*2);

adc2 = temp2**(4095*3);

if(temp0>=4090) display_nowtem(60);//由于最大值只能显示6V，所以在>4090的采样值我们

都显示6V

else display_nowtem(adc0*10);//1

display_settem(adc1*10);//2

display_bbtem(adc2*10);//3 //方波谐波的幅值计算与输出

delay(500);

P1OUT &=~0X01;

adc0 = temp0**4095;

adc1 = temp1**(4095*2);

adc2 = temp2**(4095*3);

if(temp0>=4090) display_nowtem_2(60);

else display_nowtem_2(adc0*10);//1

display_settem_2(adc1*10);//2

display_bbtem_2(adc2*10);//3 //三角波谐波的幅值计算与输出

delay(500);

}

}

//AD采样子程序

#include <>// Standard Equations

#include ""

extern int temp0,temp1,temp2;

void ADC12_init(void)

{

//P6DIR &=~0X01;

// P1DIR |= 0X01;

//P6DIR &=~0X07;

P6SEL = 0x07; // Enable A/D channel A0，A1,A2

ADC12CTL0 = ADC12ON+SHT0_0+MSC;// 开AD转换

ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_3+SHS_1;

ADC12MCTL0 = INCH_0+SREF_0;

ADC12MCTL1 = INCH_1+SREF_0;

ADC12MCTL2 = INCH_2+SREF_0;

//ADC12MCTL3 = INCH_3+SREF_0;

ADC12IE = 0X07;

ADC12CTL0 |= ENC;

}

#pragma vector=ADC_VECTOR

__interrupt void ADC12ISR (void)

{

temp0 = ADC12MEM0;//将寄存器的值读取后，标志位自动清零 temp1 = ADC12MEM1;

temp2 = ADC12MEM2;

}