TI杯模拟电子设计大赛信号波形合成实验电路
模板—信号波形合成实验电路设计报告电子竞赛一等奖
信号波形合成实验电路（C题）摘要：本系统利用有源晶振产生方波，设计了分频、滤波和放大电路得到基波至9次谐波正弦信号，通过移相电路，将不同频率的信号进行特定的相移，基于同相加法器实现信号相加，合成出近似方波信号和近似三角波信号，超出了发挥部分的要求，最后利用TI公司MSP430单片机和检波电路实现各个正弦信号的幅度测量和数字显示。
关键词：信号合成，傅里叶分解，分频，移相，MSP430一、系统方案1. 方案比较与选择该系统要求通过分频与滤波方式产生基波和各次谐波，基于此合成近似的方波和三角波信号，经过计算选择42MHz有源晶振产生方波，经过分频准确地产生10kHz至70kHz各个方波信号和近似90kHz方波信号，为有效地将各个方波信号中的谐波分量滤除，须保证滤波器具有优良的近似垂直截止特性，为此选择独立设计针对各个方波信号的四阶低通有源滤波电路。
经隔直电路后，选择反相比例放大电路，可将各个正弦信号的峰峰值灵活地放大或衰减至合成所需的数值。
为保证信号经过移相后不改变幅值，设计了有源滞后网络。
在信号处理末级电路中，选择同相加法器完成方波和三角波的合成。
1.1 方波信号产生方案一：利用TI公司的555芯片为核心实现，但难以产生高频方波信号且波形容易失真。
方案二：采用施密特触发器结合RC充放电电路实现，但此种实现方式频率稳定度不高。
方案三：直接利用有源晶振产生，可以得到所需频率的方波信号，且频率稳定度高。
经过比较，方波信号产生选择方案三实现。
1.2 分频电路方案一：利用FPGA技术，易于实现，但FPGA价格昂贵，增大了作品实现成本。
方案二：以TI公司的74系列数字集成电路为主，设计分频电路，在每个分频电路的最后一级采用D触发器构成的T触发器，可保证分频后信号50%的占空比，且电路的稳定性较好。
经过比较，为提升作品性价比，放弃现有的FPGA模块，选择方案二实现分频。
2. 系统设计方案本设计采用有源晶振产生方波，利用数字电路分频得到占空比为50%的各个频率的方波信号，经滤波后得到对应于基波和各次谐波的正弦信号，经放大后用滞后网络移相，进而进行信号叠加。
第五组--信号波形合成电路实验(2010年电子竞赛C题论文)2
高，在高压、高频、大功率的场合不适用。 综合以上的分析，由 TI 公司生产的宽带低失真单位增益稳定的电压反馈运算放
大器 OPA842 组成的滤波电路满足本次设计的要求，因此选择方案二。 1.1.3 移相电路
方案一：用双极性运算放大器 OP07 组成的移相电路，由于 OP07 具有非常低的 输入失调电压，所以在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07 是一种低噪声， 非斩波稳零的双极性运算放大器，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，而且可以提供 180°的相移。
表一：信号编码表
A0
A1
X
1
0
0
1
0
波形 正弦波 方波 三角波
A0、A1 表示波形设定端；X 表示任意状态；1 为高电平；0 为低电平。 74LS14 非门对输出的信号进行整形，使输出的波形更加的理想。 3.1.2 分频电路 分频电路如附录图 3 所示，由 74LS90、74LS00、CD4013 三片芯片组成。先将 300KHz 的方波信号进行 3 分频、5 分频、15 分频，再通过 D 触发器二分频，最终得到 50KHz、 30KHz、10KHz 的正弦波信号。 74LS90 不仅可以用于计数，还能用于分频，一片 74LS90 可构成最大进制计数器 是十进制，若分频数大于 10，则要用两片或多片级联，级联后高位的周期即为分频 后的周期，但占空比并非 50%，这就需要用 D 触发器对分频后的方波进行整形。74LS00 是四集成与非门，在电路中起缓冲隔离的作用。CD4013 是由两个相同的、相互独立 的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和 Q 及 Q
方案三：用 MAX038 精密、高频波形发生器来产生方波信号，电路结构简单，能产 生 0.1Hz～20MHz 的方波信号，波形的频率和占空比可以由电流、电压或电阻控制 。 MAX038 构成的电路低失真、低漂移、外围元件少、可靠性和稳定性好，但相对于上 面的方案而言，价格会稍高一点。
信号波形合成实验电路设计
信号波形合成实验电路设计_________________________________________ ____________________________________设计报告信号波形合成实验电路2016-1-17设计报告信号波形合成实验电路摘要：利用NE555产生10kHz的基准方波信号，用CPLD EPM1270对方波信号进行分频，分别产生10KHZ,30KHz,50KHz的方波信号，以及500KHz，1.5MHz的时钟信号（用于巴特沃斯低通滤波器的时钟信号），并完成数据转换控制及LCD显示驱动；用TI的TLC04ID四阶巴特沃斯低通滤波器对10KHz,30KHz方波进行低通滤波，产生相应的正弦波信号，而50KHz的正弦波信号，用二阶有源带通滤波器对50KHz的方波进行处理来获得；采用有源RC网络对正弦波进行移相，调整电阻R可实现对10KHZ，30KHz，50KHz的正弦波信号约101度范围的移相；采用运放求和电路对10KHZ，30KHz，50KHz的正弦波信号进行相加，实现近似方波、三角波的合成。
另外，用AD563将正弦交流电压转换成直流电压，用TI的ADC TLC549进行电压幅度检测，测量误差在5%以内。
完成了该题目的基本要求和发挥部分的全部内容。
共用TI公司五种IC。
关键词：波形合成滤波器移相网络电压测量一、系统方案论证根据题目要求，设计制作一个电路，将产生的频率为6MHz方波信号，经分频滤波后得到10KHz、30KHz、50KHz频率的正弦信号，然后将这些信号再合成为近似方波信号和近似三角波信号，并制作数字显示电表，检测并显示各正弦波信号的幅值。
1．方波振荡器方案比较方案1：555电路产生方波信号方案2：运放电路产生方波信号方案3：用门电路及石英晶体产生方波信号。
其中，方案1、2所产生的方波信号频率不高，频率稳定性较差，而方案3产生的方波信号频率稳定度高，也可产生较高频率（MHz以上）信号，故采用方案3产生方波信号。
信号波形合成实验电路
信号波形合成实验电路（C 题）内容介绍：该项目基于多个正弦波合成方波与三角波等非正弦周期信号的电路。
使用555电路构成基准的方波振荡信号，以74LS161实现前置分频形成10KHz 、30kHz 、50kHz 的方波信号，利用TLC04滤波器芯片获得其正弦基波分量，以TLC084实现各个信号的放大、衰减和加法功能，同时使用RC 移相电路实现信号的相位同步；使用二极管峰值包络检波电路获得正弦信号的幅度，以MSP430作为微控制器对正弦信号进行采样，并且采用段式液晶实时显示测量信号的幅度值。
1方案 1.1题目分析考虑到本设计课题需要用多个具有确定相位和幅度关系的正弦波合成非正弦周期信号，首选使用同一个信号源产生基本的方波振荡，使得后级的多个正弦波之间保持确定的相位关系。
在滤波器环节，为了生成10kHz 、30kHz 和50kHz 的正弦波，我们需要使用三个独立的滤波器，由于输入滤波器的是10kHz 、30kHz 和50kHz 的方波信号，所以可以使用带通滤波器或者低通滤波器，并且尽量维持一致的相位偏移。
从Fourier 信号分析理论看，合成 数学上可以证明此方波可表示为：)7sin 715sin 513sin 31(sin 4)( ++++=t t t t h t f ωωωωπ三角波也可以表示为：)7sin 715sin 513sin 31(sin 8)(2222 +-+-=t t t t h t f ωωωωπ由以上的数学分析可知，保持各个正弦波之间的相位和幅度的准确关系是准确合成方波和三角波的关键，为此，需要为各个频率的正弦波设计移相电路和放大电路以调节大小和相位关系。
在正弦波幅度测量与显示部分中，需要使用MCU 采集并处理信息，使用液晶显示数值。
1.2系统结构系统结构如图1所示，使用同一个方波发生器作为基准，以便实现相位同步；为补偿在分频器和滤波器中出现的相位偏移，需要后级进行相位和幅度校准。
2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛试题
全国大学生电子设计竞赛2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛设计报告题目：信号波形合成实验电路（C题）学校：学院指导老师：参赛队员姓名：日期：2010年08月24日2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛试题信号波形合成实验电路（C题）一、课题的任务和要求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正弦信号，再将这些正弦信号合成为近似方波和近似三角波。
课题要求是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近似方波和近似三角波。
另外设计一个正弦信号幅度测量电路，以测量出产生的10KHz、30KHz和50KHz正弦波的的幅度值。
课题还给出了参考的实现方法，见下图。
图1 电路示意图图1 课题参考实现方案二、实现方案的分析1．基本方波发生器方案的分析方波的产生方法很多，如用运算放大器非线性产生、用反向器及触发器产生、也可用模数混合时基电路ICL7555产生等。
本例采用第一种方案，最符合题意要求。
2．波形变换电路方案的分析从某方波中提取特定频率的正弦波方案很多，如用窄带滤波器直接从方波中提取所需的基波或谐波；用锁相方法进行分频或倍频产生所需频率；用数字分频方案，从较高频率的方波或矩形波中通过分频获得所需频率方波并进行变换获得正弦波。
本课题采用第三种方案。
3．移相方案分析在方波——正弦波转换中，难免会产生附加相移，通过移相来抵消附加相依，以便信号合成时重新实现同步。
根据微分电路实现相位超前、积分电路实现相位滞后的理论，因此，采用微伏和积分来实现移相。
4．信号合成方案分析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。
本课题采用反向比利运算电路实现幅度调整，采用反向加法运算实现信号合成。
电子设计大赛——信号波的合成
信号波形合成摘要：本系统通过TI的NE555定时芯片来产生一个60KHZ方波，方波经过整形后输出，经过2分频与6分频产生30KHZ与10KHZ的方波，方波经整形后输出，分别经过35KHZ和12K的低通滤波器产生正弦波，产生的正弦波经过运放放大，10KHZ的正弦波幅值为6V，30KHZ的正弦波的幅值为2V，将这两个正弦信号输入移相电路，通过加法器合成方波。
一、系统方案论证1.1.方波发生电路方案方案一：利用msp430单片机和DAC产生一个方波，此方案编程较方便，但是由于DAC芯片价格较高，频率调节不方便，性价比低，故不是理想方案。
方案二：利用专门波形产生芯片ICL8038来产生方波，但通过实际测试产生的方波不稳定。
故不选择此方案。
方案三：利用TI公司的NE555定时器芯片来产生一个方波，555定时器芯片性价比高，输出波形也较稳定，发生电路也较简单。
因此，我们选择此方案。
1.2 分频电路方案方案一：利用TI公司的分频芯片，但考虑到分频芯片只能分n2频，使我们设计需要2分频和6分频，所以不考虑用此芯片。
方案二：利用芯片74LS160和74LS74搭建数字电路来进行数字分频，可以实现2分频和6分频。
该分频电路比较简单，实用作为方波分频电路很适合。
1.3 滤波电路的选择方案方案一：使用3阶的巴特沃斯低通滤波器，该滤波器结构比较简单，滤波效果也比较好。
方案二：使用切比雪夫低通滤波器，其滤波效果好，但是其电路结构比较复杂，不太容易实现。
系统实现框图方波发生器60KHZ2分频30KHZ 6分频10KHZ10KHZ滤波30KHZ滤波放大器放大器移相电路加法器合成方波二、理论分析与计算方波电路：对于题目要求产生的方波要能分频出10KHZ 和30KHZ 的方波。
故我们设计的方波的频率为60KHZ ，以便于之后的分频。
方波频率的计算公式为： f=121)(7.01C R R + 我们选择了1C =680pf ，R1、R2为两个20K Ω的可调滑动变阻器。
TI杯方案设计书报告(赛区一等奖)信号波形合成实验电路
封面作者：PanHongliang仅供个人学习全国大学生电子设计竞赛2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛设计报告题目：信号波形合成实验电路（C题）学校：武汉大学指导老师：参赛队员姓名：日期：2010年08月24日2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛试卷信号波形合成实验电路（C题）一、课题的任务和要求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正弦信号，再将这些正弦信号合成为近似方波和近似三角波。
课题要求是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近似方波和近似三角波。
另外设计一个正弦信号幅度测量电路，以测量出产生的10KHz、30KHz和50KHz正弦波的的幅度值。
课题还给出了参考的实现方法，见下图。
图1 电路示意图图1 课题参考实现方案二、实现方案的分析1．基本方波发生器方案的分析方波的产生方法很多，如用运算放大器非线性产生、用反向器及触发器产生、也可用模数混合时基电路ICL7555产生等。
本例采用第一种方案，最符合题意要求。
2．波形变换电路方案的分析从某方波中提取特定频率的正弦波方案很多，如用窄带滤波器直接从方波中提取所需的基波或谐波；用锁相方法进行分频或倍频产生所需频率；用数字分频方案，从较高频率的方波或矩形波中通过分频获得所需频率方波并进行变换获得正弦波。
本课题采用第三种方案。
3．移相方案分析在方波——正弦波转换中，难免会产生附加相移，通过移相来抵消附加相依，以便信号合成时重新实现同步。
根据微分电路实现相位超前、积分电路实现相位滞后的理论，因此，采用微伏和积分来实现移相。
4．信号合成方案分析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。
本课题采用反向比利运算电路实现幅度调整，采用反向加法运算实现信号合成。
课程设计-信号波形合成实验电路
调测结果：
10kHz和30kHz正弦波合成近似方波
测试结果
10kHz、30kHz和50kHz正弦波信号合成 近似方波
课程设计要求：
①实验时间为上午8:00~11:30,下午 13:45~16:55,晚上17:30~20:30;②教师每天点 名;③13日下午和14日全天为查资料时间,可不 在实验室,其他正课时间必须在实验室,未经请 假不到实验室者,按旷课论处,旷课超过3天，将 取消课程设计资格.;④课程设计期间学生请假 离宁,需由指导员批准,任课教师无权批准;⑤课 程设计结束后3天内由各班学习委员将课程设 计报告收齐，交指导教师。
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
滤波器软件
滤波电路可直接用FilterPro Desktop软件 得到，10kHz、30kHz和50kHz的滤波电 路可通过软件设置，直接算出参数。
CPLD软件
Cpld开发软件采用xilinx的fundation的图 形化设计方法。 用CPLD实现分频或者数字移相功能。
加法电路
加法电路采用TLC084实现
示意图
图2 利用基波和3次谐波合成的近似方波
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；
方案介绍
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TI杯模拟电子设计大赛
信号波形合成的设计与实现
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摘要
生活中离不开信号，我们时时刻刻都在和信号打着交道，正弦波，方波这两种波是最基本的波形，我们通过设计方波的产生来更加深刻了解到信号的产生。
Abstract
Life is inseparable from the signal, we all the time and signal name of dealings, sine wave, square wave are the two waves in the most basic waveform. Now we design a products to generate square wave signal to know the wave deeply . 一．设计思路
采用单片机430 来控制输出值的显示。
基本的流程图如下所示：
又因为我们将方波傅利叶分解出得出如上的图，我们发现方波就是基波，三次谐波，五次谐波组成。
对三角波分解，如下图
从图中，我们知道三角波是三次谐波翻转180度，然后和基波与五次谐波相加所得，其中因
为别的谐波幅值不太，我们可以不做考虑。
二．方案论证
1、方波的产生方案论证和选择
方波是要设计的基础部分，下面产生的任何波形都是在这个波上产生的。
方案一：采用专用DDS芯片产生方波。
优点：软件设计，控制方便，电路易实现。
但是因为题目要求是“方波振荡器的信号经分频与滤波处理”，也就是说，软件控制不是题目想要的。
方案二：采用晶振来产生。
用60M的晶振来产生方波，通过对60M的有源晶振分频来产生频率分别为10K Hz,30K Hz,50K Hz 的方波，但这样产生的分频电路过于复杂，不利于系统的搭建。
方案三：利用555产生出一定频率的方波。
根据后面的要求，我们直接用555产生50K Hz 和60K Hz的方波
为了后面的设计，又因为555的技术已经很成熟了，选择方案三，使用555来直接产生方波。
2、分频与滤波
通过RC振荡来滤波，为了得到毛刺少的波，我们用三阶滤波。
3、移相电路设计方案论证和选择
方案一：由三相输入隔离变压器二次绕组接成12边形的移相电路t每相有3个绕组通过特殊的连接方法组成。
其存在着如体积大移相变化率>5 等诸多缺点。
方案二：用运放和R,C 来调节翻转的角度。
R ,C 电路在输入输出时会有90度的迟滞。
根据题目的要求，我们只要在0~90度可调与一个反向器就好。
4加法器的设计方案
根据题目要求，只要可调就好。
5.电源方案的选择与论证
方案一：采用升压型稳压电路。
用两片MC34063芯片分别将3V的电池电压进行直流斩波调压，得到5V 和12V的稳压输出。
只需使用两节电池，节省了电池，又减小了系统体积重量。
但该电路供电电流沁，供电时间短，无法使用相对庞大的系统稳定运作。
方案二：采用三端稳压集成7805与7905分别得到5V和－5V的稳定电压。
利用该方法方便简单，工作稳定可靠。
综上所述，选择方案二，采用三端集成稳压器电路7805和7905。
三．信号波形系统的组成：
1方波的产生的电路设计
方波是由555发生器，二极管，三极管以及电阻，电容组成。
其原理图如图1，图2所示。
图1 频率为60KHz的矩形波
图2 频率为100KHz的矩形波
电路中，用芯片555来产生矩形波。
2．分频器的设计
分频器由74LS160与D触发器组成。
其原理图如图3，图4所示。
图3 六分频电路
图4 二分频电路
电路中，74LS160用来实现三分频，之后用D 触发器实现二分频，以此来产生六分频，来产生10KHz的正弦波；两个D 触发器用来产生30KHz 与50KHz的正弦波。
2．滤波电路的设计
低通滤波器由运放LM358和RC电路组成，其电路原理如图5所示。
图5 一级滤波电路
本电路是RC 振荡来实现滤波，
3.移相电路的设计
移相电路是根据RC电路具有相位滞后或超前90度，然后通过相位差来产生移相。
电路如图6所示。
图6 移相电路的设计
：
图7 基本的移相电路
如图7 所示，我们可以得出OUT 与IN 的相位关系为－arctan(1/wrc)；其中，R 为变位器的阻值，W 为输入电压的相位角。
W=2错误!未找到引用源。
.
4、加法电路的设计
如图8所示
如图中，在输入三个信号源的时候，通过反向运算，我们可以得到三个信号相加的信号，其中电位器是为了调节的方便，使我们在前端有电压衰减的时候能够适当的调节。
5、电源模块的设计
电源模块采用采用三端稳压集成7805与7905分别得到5V和－5V的稳定电压。
再由
LM1117产生3.3V电压给430供电。
6，显示模块的设计
四．系统的测试
在打开电源的时候，用示波器，我们可以看到频率分别为10K,30K,50K 的正弦波。
辐度
测量次数10KHz的峰峰值（V）30KHz的峰峰值（V）50KHz的峰峰值（V）
1 5.60 2.00 0.74
2 6.00 1.94 0.74
3 6.20 1.96 0.77
4 5.40 1.63 0.72
5 6.20 1.98 0.73
通过数据分析，我们可为基本得到峰峰值为6V,2V的10KHz与30KHz的正弦波。
当我们接入到最后的输出端，波形不是矩形波，通过调节移相电路，我们可以发现波在向方波趋近，但还不是完全的方波。
由于每级都有一定的衰减，我们适当的调节辐值，可以得到非常近似的方波。
因为三角波是由三次谐波往前移90度之后，与基波和五次谐波相加得到的，所以我们只要调节三次谐波的相移就好，但我们发现设计的移相电路在0到90度之间可调的时候不怎么失真，我们调节基波和五次谐波的相移。
参考文献
1、全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第
一届—第五届），北京理工大学出版社.2004
2、张毅刚.单片机原理及应用.高等教育出版社，1999
3、吴金戎、沈庆阳、郭廷吉.8051单片机实践与应用.清华大学出版社，2002
4、MSP430单片机基础与实践北部航空航天大学出版社200。