信号波形合成实验报告

信

号

波

形

合

成

实

验

电

路

指导老师：曲萧扬

刘光涛

成员：汤勇

黄山军

信号波形合成实验电路

摘要：本作品主要用于非正弦信号的分解与合成实验验证，包括电源电路模块，方波信号产生模块，放大、移相、波形合成模块、测量显示模块等。通过12MHz晶振电路产生用单片机分别产生10kHz、30kHz、50kHz方波信号，利用有源低通滤波器分离出10kHz、30kHz、50kHz正弦波信号，然后对三个正弦波信号进行放大、移相加到加法器中合成方波信号。把10kHz和30kHz正弦波信号送到减法器中合成三角波信号。三个正弦波信号的幅度通过单片机采样，由液晶屏显示出来。

关键词：方波信号，滤波器，正弦波信号，移相，合成

Signal waveform synthesis experiment circuit Abstract：This work is mainly used in the sine signal decomposition and synthetic experiment, including power circuit module, pulse signal generated module, amplification, phase and waveform synthesis module, measuring display module, etc. Through 1MHz crystals 1MHz circuit, signal by counting, pulse frequency, pulse signal 10kHz get by LC parallel resonant filter (10kHz isolated, 30kHz, 50kHz sine signals, then the three sine signals, adding to amplify the adder synthetic square-wave signal. The 10kHz and 30kHz sine signals to reduce time-multiplier synthetic triangular signal. Three sine signals by MCU, the amplitude of LCD display samples.

Key words：Pulse signal，Filter，Sine signals，dephasing，Synthesis

设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，利用傅里叶原理产生以10KHz为基波，以奇次谐波为辅助谐波的信号，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 信号波形合成电路示意图

1.2要求及指标

1.2.1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

1.2.2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％；

2 方案设计

2.1 系统分析及整体方案

方波信号由基波成分和若干个谐波成分构成，即

...)

7s i n 7

15s i n 5

13s i n 3

1(s i n 4)(t t t t U

t u m

ωωωωπ

+

+

+

=

，本作品根据这一理论

原理制作而成。

主要思路上是产生分别产生10K 30K 50K 的方波，然后分别通过滤波器提取出它的基波，然后放大、移相再通过加法器生成方波。

整体框图如下：

总体设计框图

系统框图如图所示，由电源模块，分频及正弦波生成模块，移相模块，正弦 波、三角波合成模块和显示模块构成。

2.2 各模块的设计及功能实现

2.2.1 波形产生模块

题目要求产生频率为10KHz、30KHz、50KHz 的正弦波信号，所以我们用单片机内部定时器和外部晶振来实现。

该模块使用一个12M 的晶体，用单片机内部定时器，输出稳定的10KHz、30KHz、50KHz标准频率方波。

2.2.2方波滤正弦波模块

方案验证：总体可以分两种来考虑：①提取基波；②提取奇次谐波。理论上两种方法都可行，但从实际出发，提取基波相对而言效果要好。本设计采用价格低廉，功能强大的OP07运放芯片。Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为25μV），所以 OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施

方案1：无源滤波，采用LC谐振电路。优点是电路搭建简单明了，但是LC谐振电路对温度和焊接导线长短都有影响，实际验证效果也不大理想。

方案2：有源滤波，由于本项目是提取基波，于是我们选择低通滤波器完全可以满足要求，而且有源滤波器可以弥补无源滤波器幅值衰减过大的弊端，这也一定程度上方便了后续电路的搭建。于是采用该方案。

实际电路图如下：

其中f=1/(2πCR)，Q=f/BW.

本项目中电容全部取1nf，考虑到实际元器件的误差，一般截止频率比理想的大3到5K，例如本项目实际估计可取13K 33K 53K,于是电阻采用滑动变阻器.

2.2.3 放大模块

再滤波电路中，由于电路中各层的功率消耗，实际滤波后的正玄波的幅值有很大减小。所以用放大电路的放大作用把得到10kHz、30kHz、50kHz正弦波信号的幅度进行放大，得到峰峰值为6V、2V、1.2V的正弦波信号。本系统选用了TI公司OP07集成运放作为放大电路的核心。

10kHz正弦波放大电路。由于输入信号为2V左右，则放大倍数为3。

30kHz正弦波放大电路。由于输入信号为1V左右，则放大倍数为2，由于后面移相电路的衰减问题，适当提高放大倍数。

其中为了使放大后的曲线更加平滑，我们还作了在输出端并联一个电容然后在接地的处理。

2.2.4移相模块

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。在该模块中，使用阻容移相电路，在RC 移相网络中，如下图所示

①超前型②滞后型

所以在该电路中，U1 与U2 两个运放输入的波形产生了相位差。该相位差可根据相位差公式来得出相位角。

φ = tg-1[(传递方程虚部)/(传递方程实部)]

Δθ=t/T*360°

2.2.4 波形合成模块

波形合成采用加法电路，作用是对10kHz、30kHz、50kHz三个正弦波信号进行合成方波信号，采用高速集成运放TI公司生产的OP07。采用反向加法运算电路。

附实验图片数张：如下

10K和30K波形合成效果

总体连接图

滤波电路

波形合成

30k滤波效果

10K滤波效果

附上产生10K 30K的程序#include

sfr AUXR=0x8e;

sbit port1=P1^0;

sbit port2=P1^1;

void init()

{

P1=0x00;

AUXR=0x80|0x40;

TMOD=0x11;

TH0=(65536-585)>>8;

TL0=(65536-585)<<8>>8;

TH1=(65536-185)>>8;

TL1=(65536-185)<<8>>8;

TR0=1;

TR1=1;

ET0=1;

ET1=1;

EA=1;

}

void main()

{

init();

while(1);

}

void T0_time() interrupt 1 {

TH0=(65536-585)>>8;

TL0=(65536-585)<<8>>8;

port1=~port1;

}

void T1_time() interrupt 3 {

TH1=(65536-185)>>8;

TL1=(65536-185)<<8>>8;

port2=~port2;

}