信号波形合成电路设计(2稿)

波形合成电路的分析与设计

薛莲 汪帆 郑锦发

中南民族大学工商学院电信系，湖北 武汉 430065

薛莲 (1981年11月——) 女，汉族，山东淄博，中南民族大学工商学院电信系教师，讲师，工学硕士。

摘要：本文根据傅里叶级数展开方法，将各频率正弦波合成为方波。首先，通过方波产生

电路、分频电路、滤波电路获取所需频率的正弦波；再通过移相电路、加法电路将正弦波合成为方波。与其他方式（如DDS ）相比，此种方法具有成本低廉、可靠性高等特点。

关键词：波形合成器；正弦波；滤波；移相

1 波形合成系统概述

本设计是为了模拟信号合成的过程。对于一个方波信号，由傅里叶级数展开可知，它可以分解为无限多个特定幅度的奇次谐波，那么反过来只要无限多个奇次谐波分量，且这些谐波的幅度按特定的比例叠加，也就一定可以得到一个方波信号。本文就是模拟了基波和三次谐波谐波分量合成方波信号的过程。理论上来说，谐波分量越多时，合成的波形就会越趋近于标准的方波波形。 本系统首先用一个方波振荡器产生一个频率为60KHz 的方波信号，再送入分频器处理得到一个频率为10KHz 的方波信号和一个频率为30KHz 的方波信号，然后分别通过滤波器处理为10KHz 的正弦信号和30KHz 的正弦信号，把10KHz 的正弦波作为基波分量，30KHz 的正弦波作为三次谐波，通过调幅电路调节它们的峰峰值分别为6V 和2V ，即可满足傅里叶级数展开的系数比；再把10KHz 的正弦信号送入移相器进行相位调节后，和30KHz 的正弦信号一起送入加法电路进行合成，即完成信号的叠加。可以推断，加法器的输出信号为一个近似方波的信号，且频率大概为10KHz 。系统单元电路如图1所示。

图1 系统结构框图

2 硬件电路设计

2.1方波发生电路设计

根据前面的分析，应该产生频率为60kHz 的方波。方波可以用数字电路产生，也可以用模拟电路产生。由于数字电路产生的波形振幅较小，还需要应用模拟电路进行放大；而用数模混合电路相比纯模拟电路要复杂，因此，在此本文仅用模拟电路来产生方波。其基本原理是：通过电压比较器产生高低电平；通过反馈回路和延时环节使高低电频周期性的交替变化。原理图如图2所示，图中滞回比较器的输出电压

Z

U

μ

=±，阈值电压

1

1

2

T

Z

R U

U

R

R

±=±

∙+；振荡周期为1

32

ln 122T C R R R

⎛

⎫

=

+ ⎪ ⎪⎝⎭

。由周期计算式可知通过改变R 3，C ，R 1与R 2比值可以得到所需频率方波。但是这几个变量在实际电路中会存在一

些约束，在选择器件参数时应该通过实际调节来确定。选择器件时，建议电阻使用金属膜电阻，这样电路产生的热噪声就小；选运放时要考虑它的通频带，通频带较小时，很难达到方波要求的频率，因此我们选择了性能很好的运放OPA820。

前面所产生的方波还不能为后级所利用，为此，还需经过后续处理，首先应该隔除负向电压，在这里用一个二极管，这样经过二极管后的电压为二极管前电压一半减去管压降。如此一来方波幅度将更小，为了达到分频电路要求的最小电压，应该将波形进行升压。升压电路采用同相比例放大器，得到幅度适度的电压。这时的电压可以为后级所利用，但为了减小后级电路负载对方波产生电路的影响，提高电路带负载能力，最后再接一个射极跟随器。到此，方波发生电路就可以达到预期要求，可以接上后级电路。

图2 方波发生电路原理图

2.2．分频电路设计

此处的分频电路是将前级产生的60KHz方波，变为一个占空比为1/2，频率分别为30KHz 和10KHz的方波信号。这个处理可以很容易想到用数字计数器解决。计数器是常用的时序电路，它不仅可以对脉冲进行计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲等。本文利用它的分频特性，一个N进制的计数器可以将它的输入时钟信号，分频为占空比为1/N、频率为输入信号1/N的输出时钟信号。所以为了得到30KHz的方波信号，可以将60KHz的方波作为时钟信号，接入一个二级制计数器，则输出为一个占空比为1/2、频率30KHz的方波信号。而对于10KHz的方波信号获取，可以先让60KHz方波信号通过一个三进制的计数器，对应输出一个占空比为1/3、频率为20KHz的方波信号，再将此信号作为输入信号，接入一个二进制计数器，即可得到一个占空比为1/2、频率为10KHz的方波。即将60KHz的方波信号经过三个数字计数器处理，就获得了满足1/2占空比要求的10KHz和30KHz的方波信号。

对于数字计数器的选择也是实现分频的关键。如果采用常见的集成计数器如

（74LS\HC163、74LS\HC161）构成所需进制的计数器，则会出现占空比不定的情况，需要在分频后添加占空比调节电路，这就使得电路不稳定并且结构比较复杂。而采用触发器级联成的计数器则可以很好的掌控占空比，故本系统采用了JK触发器组成计数器，T触发器和D 触发器也同样可以选择。然后需要考虑器件TTL和COMS的选择，因为系统处理的信号均在10KHz以上频率，若数字器件的转换速率太低则容易导致计数器不能正常工作，输出信号失真，故本文选择了转换速率较快的TTL器件。最终确定采用两片74LS109（双集成JK触发器）级联组成一个三进制计数器和二个二级制计数器。分频电路如图3所示。

图3 分频电路原理图

2.3滤波和调幅电路设计

滤波电路主要完成10KHz方波到10KHz正弦波，30KHz方波到30KHz正弦波的转化。理想方波是包含了所有奇频分量的信号，只要通过特定中心频率的选频网络，很容易得到所需频率的正弦波。考虑到后级合成的效果，本系统直接选用了集成的巴特沃斯四阶低通开关电容滤波器TLC04ID，只需合适的选择该芯片1、2的外接电容电阻就可以确定滤波选频的中心频率，计算公式为f=1/1.69RC。该滤波器的阶数较高，选频效果好，可以得到相应频率较好的正弦波。

若把10KHz的正弦信号作为基波，30KHz正弦信号作为三次谐波，合成一个10KHz的方波信号，则由傅里叶级数分解可知， 10KHz的正弦信号和30KHz的正弦信号的幅度比需要为1:3。由于前级滤波后两个正弦信号峰峰值均为5V，则需通过调幅电路把10KHz和30KHz 正弦波的峰峰值分别调为6V和2V。

对于10KHz的正弦信号，需要从峰峰值5V到6V升压处理，故选用了同向比例运算电路。而对于30KHz的正弦线号，需要从峰峰值5V到2V的降压处理，故选用了简单的电阻分压电路，而防止后级电路对电阻网络的影响，后面需要加上一个电压比较器。在此调幅的运算电路中，由于分频滤波后的正弦线号均含有2.5V的直流分量，若直接采用电容耦合隔直效果不好，本文采用了运算放大器单电源供电后，在进行电容隔直则可以达到要求，并且信号的复摆空间较大。对于单电源供电运放，需要在信号输入端加上偏压电路，故采用了电阻偏压。对于运算放大器的选取，这里采用LM358即可满足要求。处理后即可输出不含直流分量的10KHz峰峰值6V正弦信号和30KHz峰峰值2V正弦信号。10KHz正弦波调压电路如图4所示。

图4 滤波和调幅电路