信号波形合成的电路设计
信号波形合成实验电路的设计与制作
摘要:任何电信号都是由不同频率、幅值、初相的正弦波叠加而成的。
本方案设计了一个信号波形的合成电路，通过方波振荡器产生的一定频率的方波，经分频，滤波后得到按傅里叶级数展开的基波和3次、5次谐波，经移相后将其中的基波与多次谐波相叠加后模拟合成方波。
本方案采用了大量TI 公司的芯片例如CD4046、CD4018、MSP430F149、OPA820等。
关键词:CD4046CD4018MSP430F149OPA820基波谐波方波1方案设计1.1系统分析系统设计框图如图1所示。
图1系统分析该系统主要由方波振荡电路、分频滤波电路、移相电路、加法电路及幅值测量显示电路组成。
由方波振荡电路产生150KHZ 方波，经分频分别得到10KHZ、30KHZ 和50KHZ 的方波，通过滤波得到10KHZ、30KHZ 和50KHZ正弦波。
正弦波经移相后由加法电路叠加生成合成信号，同时由幅值测量显示电路显示对应正弦波的幅值。
1.2系统设计与理论计算振荡电路振荡电路如图2所示。
该模块主要由锁相环CD4046构成的电路来实现。
要产生频率为10kHz 和30kHz，幅度为6V 和2V 的正弦波信号，则输入信号幅度必须大于6V，锁相环锁定在30KHZ附近。
图2振荡电路CD4046是通用的CMOS 锁相环集成电路，其锁相环采用的是RC 型压控振荡器。
当9脚输入端输入5V 电源时，电路即起基本方波振荡器的作用。
振荡器的充、放电电容C 1接在6脚与7脚之间，调节电阻R2的阻值即可调整振荡器振荡频率，振荡方波从4脚输出。
f 0=1/8*C 1*((V 1-V GS )R 1+(V DD -2*V TP )R 2)其中V 1是9脚的输入电压，V GS 是锁相环内部MOS 管的栅-源极压降，V TP 是栅极的开启阈值电压，V DD 是工作电压。
当C 1=103Pf，R 1=100k 时，振荡频率变化范围为80-150KH Z 。
分频电路CD4018是一个高电压型可预置1/N 计数分频器，固定可编程2，3，4，5，6，7，8，9，10分频。
信号波形合成实验电路+电路图
信号波形合成实验电路+电路图信号波形合成实验电路+电路图第一章技术指标1 系统功能要求2 系统结构要求第二章整体方案设计1 方案设计2 整体方案第三章单元电路设计1 方波振荡器2 分频电路设计3 滤波电路设计4 移相电路设计5加法电路设计6整体电路图第四章测试与调整1 分频电路调测2 滤波电路调测3 移相电路调测4加法电路调测5整体指标测试第五章设计小结1 设计任务完成情况2 问题与改进3 心得体会第一章技术指标1 系统功能要求1.1 基本要求(1)方波振荡器的信号经分频滤波处理，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10kH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1所示。
图1 利用基波和3次谐波合成的近似方波1.2 发挥部分再产生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 系统结构要求2.1 方波振荡器：产生一个合适频率的方波，本实验中选择6MHz；2.2 分频器：将6MHz方波分频出10kHz、30kHz和50kHz的方波；2.3 滤波器：设计中心频率为10kHz、30kHz、50kHz三个滤波电路，产生相应频率的正弦波；2.4 移相器：调节三路正弦信号的相位；2.5 加法器：将10kHz、30kHz和50kHz三路波形通过加法电路合成，最终波形如图2。
2.6该系统整体结构如图3图2 基波、三次谐波和五次谐波合成的方波图3 电路示意图第二章整体方案设计1 方案设计1.1理论分析周期性函数的傅里叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有n阶谐波的迭加。
数学上可以证明方波可表示为：（1）其中A=4h/ ，h为方波信号峰值。
已知基波峰峰值要求为6V，故A=3 ，所以3次谐波对应的幅值为1V，5次谐波对应的幅值为0.6V。
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
信号波形合成实验电路摘要：本设计通过ICL8038产生300K方波信号，再通过计数器CD4518及74LS161与D 触发器分频成多个不同频率的方波信号，并将这些信号经过巴特沃斯低通滤波器、反相比例运放电路、 型滤波电路、跟随器，将其转换为10K、30K、50K正弦信号，再经RC移相电路之后，利用同相输入求和加法器将峰峰值分别为6V、2V、1.2V的正弦波合成为近似方波及其他信号。
Abstract：This design can produce 300KHz square-wave signals by ICL8038, then spilt frequency through CD4518 counter with D flip-flop 74LS161 , and will put these signals through butterworth low-pass filter, opposite proportion amp circuit, filter circuit and follower circuit,and will produce 10KHz,30KHz and 50KHz sine signals, then by using RC phase-shifting circuit with these signals and same-phase sum adder,it can compound 6V、2V、1.2V sine signals to produce approximate sine signals and other signals.一、系统方案与论证1.1高频方波产生电路的比较方案一：采用555定时器，555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容就可以产生方波。
缺点是本电路需要产生高频方波，而用555定时器产生的高频方波不稳定。
方案二：采用ICL8038精密压控函数发生器，ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～1M Hz的正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。
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。
信号波形合成实验电路的设计与制作
图 ７ 峰 值 检 波 电路
【 ３ 】 ＭＳＰ ４ ３ Ｏ ｘ １ ｘ ｘ Ｆ ａ ｍ Ｉ ｖ Ｕｓ ｅ ｒ 。 ｓ Ｇｕ ｉ ｄ ｅ Ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ａ ， Ｔ ｅ ｘ ａ ｓ Ｉ ｎ ｓ ｔ —
ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ． ＵＳ Ａ．
幅值检 测显 示 电路
２ ９ ７
１所 示 。
表 ） 实际频 率（ Ｈ ）峰 峰值 （ Ｖ） 测量值（ Ｖ） 测量误差
图 ６ 加 法 电路
参考文献 ：
【 １ 慷 华光． 《 电子技术基础——模 拟部分》 ， 高等教育出版社 ， ２ ０ ０ ６
１．
【 ２ ］ ＳＬ ＡＵＯ ４ ９ Ｄ， ＭＳＰ ４ ３ ０ ｘ１ ｘ ｘ Ｆ ａ ｍｊ ｌ ｖ Ｕｓ ｅ ｒ ‘ ｓ Ｇｕ ｉ ｄ ｅ ， Ｔ ｅ ｘ ａ ｓ Ｉ ｎ ｓ ｔ —
图 ５ 移 相 电 路
移 相 电路如 图 ５所 示 ， 由两 级 运放 组 成 ， 本 设计 中采 用Ｌ Ｆ ３ ５ ３， 第一 级运 放 与 Ｃ１ ７ 、 Ｒ ２ ３构 成 有源微 分网络 ， 第 图８ ＭＳ Ｐ ４ ３ ０ Ｆ １ ４ ９幅 值测 量 显 示 电路 二级 运放 与 Ｒ ２ ４ 、 Ｃ １ ９组 成有 源积 分 网络。 当输 入正 弦 交 其 中 ＭＳ Ｐ ４ ３ ０ Ｆ １ ４ ９是 Ｔ Ｉ 公司 １ ６位 超 低 功 耗 单 片 流信 号 时 ， 第 一 级 运放 输 出超 前 相 位信 号 ， 第 二级 运 放输 机。由 ２个 １ ６位定 时器 、 ８路 快速 １ ２位 Ａ ／ Ｄ 转换器 、 ２个 出一 滞 后相 位信 号 ，通过 调 节 Ｒ ２ ４可 使输 出信 号 与 输入 通用 串行 同步 ／ 异步 通信 信 号 接 口和 １ ８个 Ｉ ／ Ｏ 引脚 等构 信 号相 位 发生 变化 。 成 的微 控 制器 。 其特 点是 电源 电压 范 围为 １ ． ８ Ｖ 一 ３ ． ６ Ｖ ， 超低 加 法 电路 功耗 ， 内部 集成 看 门狗定 时器 。 加 法 电路 如 图 ６所 示 ，本 设计 采 用 同相 输 入 加 法 电 通过 Ｆ １ ４ ９单 片 机 的 Ｐ １ ． ０ 、 Ｐ １ ． １和 Ｐ １ ． ２口分 别进 行 路。输出 Ｕ 。 ＝ （ １ ＋ Ｒ ２ ５ ， Ｒ ２ ７ ） （ Ｕ１ ＋ Ｕ ２ ＋ Ｕ ３ 】 。当 Ｒ ２ ５ ＝ Ｒ ２ ７ 时， Ｕ 。 ＝ ２ ＡＤ采样 ，得 到 １ Ｏ Ｋ Ｈ Ｚ 、 ３ ０ Ｋ Ｈ Ｚ和 ５ ０ Ｋ Ｈ Ｚ正 弦波 的幅值 ， （ Ｕ ＋ Ｕ ２ ＋ Ｕ 。 ） ， 此时 实现输 入信 号 叠加 。 通 过 按键 Ｓ Ｗ１ 、 Ｓ Ｗ２ 、 Ｓ Ｗ ３切 换 在 １ ２ ８ ６ ４液 晶 上 显 示 各 自峰值。 ２ 测试 结果 在 测试 阶段 ， 我 们 对得 到 的正 弦波 进 行 了频 率 、 峰 峰 值 的测 量并计 算 了峰峰值 测 量误差 。 测试 得 到 的数 据如 表
方波信号合成电路
摘要：信号波形合成实验电路主要由120KHz的方波发生电路、分频电路、滤波电路、调理电路、加法电路等模块组成。
120KHz的方波信号通过30分频、10分频、6分频产生4KHz、12KHz、20KHz的方波信号。
经滤波电路和调理电路得到正弦波信号，通过加法电路将信号合成近似方波信号。
关键词：信号波形合成；30分频；10分频；6分频一、方案比较与论证（一）、项目总体方案分析（二）1．方波信号产生电路方案一：用555定时器接成的多谐振荡器，能使产生的方波占空比可调，即高电平持续时间与低电平持续时间的比值可调；占空比10％～90％。
产生频率约为1.5KHZ的矩形波，矩形的电压峰峰值为电源电压+5V。
该频率难达到150KHz。
方案二：用TLC083芯片，它是一种迟滞比较器，具有开环特性，压摆率可达到19V/us,带宽10MHz。
通过以上比较分析，我们选用方案二。
2．分频器:方案一：采用可编程逻辑控制器方案二：采用74LS161对120KHZ的方波信号进行分频可得占空比为50%的12K.20KHZ的信号，它的电路构成比较简单，成本较低3．滤波电路方案一：采用RC滤波电路，由于电阻R与频率变化无关，RC低通滤波器在器件选材方面要简单，但不适合大功率输出，仅可作为弱信号处理与微小功率应用。
方案二：采用TLC04芯片，四阶低通滤波器。
TLC04的截止频率的稳定性只与时钟频率稳定性相关，截止频率时钟可调，其时钟一截止频率比为50：1，因而设计截止频率为1/1.69×RF1×CF1×50=251.8Hz，满足了振动时效和振动焊接工艺的要求。
通过以上方案比较，我们选用方案二。
4．调整电路方案一：同相比例运算电路，它是深度电压串联负反馈电路，调节反馈电阻和反相输入电阻比值可调节比例系数，且比例系数大于或等于一方案二：反相比例运算电路，它是深度电压并联负反馈电路，可作为反相放大器，调节反馈电阻和反相输入电阻比值即可调节比例系数，比例系数既可大于一也可小于一，但它不可去处直流分量方案三：在反相比例运算电路的基础上将反相比例运算电路的正向输入端电阻改成可调电阻，并在可调电阻的另两端接上+、-5V 。
【原创】信号波形合成实验电路
信号波形合成实验电路摘要：本文介绍了一个信号波形合成的电路方案。
该电路能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三角波。
该电路用运放构成的迟滞比较器并结合RC震荡电路产生了方波，产生的方波再经滤波电路进行分频产生出不同频率的正弦波，这些不同频率的正弦波经移相电路形成不同相位的正弦波，再经由运放构成的加法器电路最终产生合成信号。
此外，该电路还以LM3s811为主控制器对产生的信号的幅度和频率进行测量和数字显示。
所有指标都达到题目要求。
关键词：方波电路分频与滤波移相电路加法器电路Abstract：This article describes a signal waveform synthesis circuit scheme. The circuit can produce several different frequency sinusoidal signal, and these signals and then to an approximate square wave synthesis and other signals. The circuit amplifier consisting of comparator with hysteresis RC oscillation circuit produced a square wave, square wave generated by the filter circuit for frequency division produces different frequency sine wave, these different frequency sine wave and then via the formation phase-shift circuit different phase sine wave, then through the amplifier consisting of Adder the resulting composite signal. In addition, this circuit is also the main controller LM3s811 circuit on the amplitude of the signal measurement and digital display. All indicators have reached the required title.Key words:：The shock wave circuit, frequency division and filtration, phase-shifting circuit, adder circuit一、作品简介根据题目要求，此波形发生器的设计主要包括四个部分：方波振荡电路、分频与滤波电路、移相电路、加法器电路。
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关键词：分频滤波移相方波合成
中图分类号：tn710 文献标识码：a 文章编号：1007-3973（2012）008-047-02
1 方案设计与论证
1.1 方波振荡电路设计
用ne555集成芯片外接电阻电容产生方波信号，能够满足设计的频率需要，该波的频率可以通过调节555定时器电路的放电电阻来进行调节。
该电路具有成本低廉，频率可调，上升沿陡的特点，故本设计采用该方法实现方波振荡电路。
1.2 分频器设计
在该部分电路设计时，设计者考虑了几个问题：首先，信号波形要纯净，频率成份清楚；其次，就是信号输出的占空比最好是50%，采用计数器电路可方便有效地实现分频功能。
在功能上能够满足需要且电路简单，因此决定采用计数器74ls161和74ls74芯片实现分频功能，最后得到占空比为50%的方波，故选择该方案实现分频。
1.3 滤波器设计
滤波单元电路完成的功能是将分频后的方波信号转化成相应频率的无失真的正弦信号。
要充分考虑滤波器过渡带、衰减带特性。
方案一：无源滤波。
rc无源滤波器具有电路简单，抗干扰性强，较好的低频性能，但是rc参数计算较为困难，在滤波特性上与有源滤波相比有一定差距。
方案二：有源滤波器。
有源滤波电路是指使用放大器实现滤波功能。
有源滤波能够滤除谐波，同时还可以动态补偿无功功率。
其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致，故采用此方案。
1.4 移相器设计
方案一：rc移相网络。
电路结构简单，但移相的同时会引起幅度较大衰减，需增加增益补偿电路，且参数调节较困难。
方案二：有源全通滤波器。
方案二电路结构较无源网络复杂，但在移相的同时不会引起幅度衰减，可省去增益补偿电路，故选用方案二。
1.5 加法器设计
该单元是将调相后的几路信号进行叠加，得到需要的波形信号。
故直接选择反相加法器实现该功能。
2 理论分析与计算
2.1 方波信号的分解与合成
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。
方波信号的傅里叶级数展开如下：
(1)
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：
(2)
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，则合成后的方波峰峰值为5v。
2.2 滤波器电路
取。
截止频率
选用sallen-key拓扑结构，如图1所示。
2.3 有源全通移相器
电路结构如图2所示。
理论计算：
取，则
令，则
理论上调节r可以实现0-180?暗南嘁疲 谌〉缏凡问 保 蟮囊葡喾段щ嵋晕 任 郏 岷鲜导是榭觯 畔瓤悸蔷 龋 碦、c取值相对较小，当需要较大范围的移相（如180?埃┦保 右患斗聪嗥鳎 缤·所示。
2.4 反相加法电路
把3个输入信号（vi1、vi2、vi3）同时加到运放的反相端，其输入输出电压的关系为：当r1=r2=r3=5k时，则有
若令rf =5k，则
3 电路测试及结果
3.1 调试过程
采用分级调试的方法，先调试方波振荡电路、分频器、巴特沃斯滤波器和加法器等各个模块都正常工作。
紧接着分别调试各个部分最优后进行整体调试。
3.2 测试结果
将各模块调好后，用示波器观察电路最后输出，得输出波形如图4，达到设计要求。
4 设计总结
综合上述测试结果，本设计较好的完成设计要求。
采用普通的运算放大器，完成了300khz 方波信号源电路，30分频电路、10分频电路和6分频电路，10khz、30khz、50khz低通滤波电路及移相电路，方波和三角波合成电路的设计和制作。
通过测试，获得了符合设计要求的正弦波信号和合成方波信号。