1、信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)報(bào)告計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 學(xué)號(hào)：B08030403 姓名：李佑娟信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)電路目錄第一章技術(shù)指標(biāo)1系統(tǒng)功能要求2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求第二章整體方案設(shè)計(jì)1方案設(shè)計(jì)2整體方案第三章單元電路設(shè)計(jì)1方波震蕩器電路設(shè)計(jì)2分頻電路設(shè)計(jì)3濾波電路設(shè)計(jì)4移相和加法電路設(shè)計(jì)5整體電路圖6整體元件清單第四章測(cè)試與調(diào)整1方波振蕩電路調(diào)測(cè)2分頻電路調(diào)測(cè)3濾波電路調(diào)測(cè)4移相和加法電路調(diào)測(cè)5整體指標(biāo)測(cè)試第五章設(shè)計(jì)小結(jié)1設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況2問題與改進(jìn)3心得體會(huì)第一章技術(shù)指標(biāo)1系統(tǒng)功能要求1.1基本要求方波振蕩器的信號(hào)經(jīng)分頻濾波處理，同時(shí)產(chǎn)生頻率為10kHz和30kHz 的正弦波信號(hào)，這兩種信號(hào)應(yīng)

2、具有確定的相位關(guān)系；產(chǎn)生的信號(hào)波形無明顯失真，幅度峰峰值分別為6V和2V；制作一個(gè)由移相器和加法器構(gòu)成的信號(hào)合成電路，將產(chǎn)生的10kH和 30kHz正弦波信號(hào)，作為基波和3次諧波，合成一個(gè)近似方波，波形幅度為5V， 合成波形的形狀如圖1所示。圖1利用基波和3次諧波合成的近似方波1.2發(fā)揮部分再產(chǎn)生50kHz的正弦信號(hào)作為5次諧波，參與信號(hào)合成，使合成的波形 更接近于方波。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求2.1方波振蕩器產(chǎn)生方波2.2由CPLD編程實(shí)現(xiàn)分頻和移相電路2.3通過濾波電路才能產(chǎn)生比較干凈穩(wěn)定的正弦波2.4方波通過分頻和濾波后，再通過限幅電路，將10kHz、30kHz以及50kHz 的正弦波的峰峰值分別

3、調(diào)整為6V、2V和1.2V。2.5最后通過一個(gè)加法電路，將10kHz和30kHz的波形合成，由移相電路調(diào)整使波形如圖1為止；再將10kHz、30kHz和50kHz三路波形通過加法電路合成， 同上調(diào)整，最終波形如圖2。圖2基波、三次諧波和五次諧波合成的方波2.6該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)第二章整體方案設(shè)計(jì)1方案設(shè)計(jì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為五部分：方波振蕩器、分頻器、濾波器、移相器和加法 器。1.1方波振蕩器：可采用硅振蕩器，其可產(chǎn)生高頻方波；1.2分頻器：該部分可在CPLD 上編程實(shí)現(xiàn)，分頻可采用扭環(huán)計(jì)數(shù)器，最終得 到 10kHz、30kHz 和 50kHz 的方波；1.3濾波器：通過軟件設(shè)計(jì)得到濾波電路，共有三

4、個(gè)濾波電路，注意濾波電 路中的電阻的精度應(yīng)該盡量高，這樣才能將波濾的更干凈；1.4移相器和加法器：移相器由D觸發(fā)器組成，加法器的輸入端用電位器以 方便波形調(diào)幅。2整體方案框圖分成三路方波信號(hào)，10kHz；30kHz 50kHz分頻電路方波振蕩器痣波電路方波轉(zhuǎn)換成 正弦波，頻 率不變先將10kHz.如kHz的正 弦波合成，再將三路信號(hào) 同時(shí)舍成移相電路限帽電路將 10kHz：30kHz v加法器56kHz的峰 峰值務(wù)別 調(diào)整為的、 2V； 1. 27第三章單元電路設(shè)計(jì)1方波振蕩器電路設(shè)計(jì)方波直接由一個(gè)硅晶體振蕩器產(chǎn)生，此次實(shí)驗(yàn)中采用的是產(chǎn)生6MHz方波的 硅晶體振蕩器。硅晶振的頻率穩(wěn)定度很高，這

5、是在此次實(shí)驗(yàn)中選取硅晶振作為方波 振蕩器的一個(gè)很重要的原因。2分頻電路設(shè)計(jì)現(xiàn)在輸入信號(hào)是6MHz的方波信號(hào)，要同時(shí)得到10kHz、30kHz和50kHz的方 波信號(hào)，我們可以用CPLD模擬，對(duì)12MHz的方波進(jìn)行逐級(jí)分頻。經(jīng)過不斷的試 驗(yàn)，最終我們選取了一個(gè)較為合理的分頻步驟以及中間采用的電路設(shè)計(jì)如下：先通過模擬觀察分頻信號(hào)，再通過示波器測(cè)量每一個(gè)方波的頻率，以驗(yàn)證電路的準(zhǔn)確性。3濾波電路設(shè)計(jì)濾波電路可直接用FilterPro Desktop軟件得到，10kHz、30kHz和50kHz 的濾波電路如下所示。圖3 10kHz方波對(duì)應(yīng)的濾波器OpAmpTout53fl. 5 Q圖4 30kHz方波

6、對(duì)應(yīng)的濾波器OpAmpR1OpAmp圖5 50kHz方波對(duì)應(yīng)的濾波器三個(gè)帶通濾波器用軟件實(shí)現(xiàn)的方法一致，基本參數(shù)的設(shè)定方法也是一致的，其 參數(shù)設(shè)定原理如下：圖6帶通濾波器電路圖帶通濾波器電路圖如上所示，根據(jù)圖6可導(dǎo)出帶通濾波器的傳遞函數(shù)為(1 + R).s.1R RC戮、V(s) A( s) =out匕(S)A =0附RC32W2 =R1 + R2(3)0 RRRCC12 3 12S2 + 1 + 1 +RC RCR1 +夫54URRRf4R+RRR1 RCC12312(1). (2)1111 , R、7+( 5) RC RC RC R3 11 12 14Q =RRRRCC(4)RR .(C

7、+ C)+ C R .R + R .(-R5)1 2122321 R4則得A( S) = ,“八s2 + s(w / Q) + w2(s / w )2 + s /(Qw ) + 1A (s-w )/QA s/(Qw )(5)式(5)為二階帶通濾波器傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式，其中巧0成為中心角頻 率。令$ = Jw，代入式(4)，可得帶通濾波器的頻率響應(yīng)特性為A (加)=1川/(。叩(6)u1 - (w/ w )2 + jw/(Q-w )20 lgA (jw)uA0歸一化的對(duì)數(shù)幅度響應(yīng)為= -10lgQ 2.( *)-(二)2 + 1ww帶通濾波器的通頻帶寬度為BWQ7 = w0 /(2兀Q) =

8、fj Q，這樣將通頻帶寬0度BW和Q值確定，并結(jié)合以上(1) (7)式，便可算出濾波器各參數(shù)值。4移相和加法電路設(shè)計(jì)采用D觸發(fā)器使脈沖延遲的方法實(shí)現(xiàn)移相，因?yàn)橛肈觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，方法簡(jiǎn) 單，對(duì)我們現(xiàn)在的知識(shí)水平可以獨(dú)立完成，而且電路也很簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)效果較好。加法電路采用我們已修的模擬電子書籍上的反向加法器，但在這里，輸入電 阻采用電位器，以方便調(diào)整波形的幅度；反饋電阻不要取的太大，這次設(shè)計(jì)中我們 選取的是20g的電阻；而異相斷直接接地。加法電路如下圖所示：圖7加法電路5整體電路圖圖8分頻電路和移相電路上圖是分頻和移相電路，由CPLD實(shí)現(xiàn)。濾波電路和加法電路見圖3、圖4、圖 5和圖7。6整體元件清單序

9、號(hào)元件名稱個(gè)數(shù)型號(hào)1個(gè)人計(jì)算機(jī)1Windows 20002單片機(jī)1XC95108PC843運(yùn)算放大器2TL0844電源線25電容61036電阻按需分 配2個(gè)47kQ, 1個(gè)4.7kQ, 2個(gè)1.5kQ, 3個(gè)1k Q, 8個(gè) 10Q, 1個(gè)330Q, 1個(gè)300Q, 5個(gè) 510Q, 1個(gè)20kQ, 3個(gè) 1kQ7硅晶體振蕩器1HS-spxo03298示波器1ds10529電子電路綜合實(shí)驗(yàn)箱1DGDZ210直流穩(wěn)壓電源1DF1701S11導(dǎo)線若干根12面包板1第四章測(cè)試與調(diào)整1方波振蕩電路調(diào)測(cè)用示波器檢測(cè)晶振輸出的波形是否和預(yù)期的一致。經(jīng)調(diào)測(cè)，波形為方波，頻率為12MHz，和理論一致，具體圖略

10、。2分頻電路調(diào)測(cè)先用模擬方法觀察，再直接用示波器調(diào)測(cè)，觀察波形以及信號(hào)的頻率。經(jīng)調(diào)測(cè)，波形是方波，頻率分別為10kHz、30kHz和50kHz，具體圖略。3濾波電路調(diào)測(cè)10kHz、30kHz和50kHz方波通過濾波電路，由理論知識(shí)可知，應(yīng)該得到同 頻率的正弦波。下面各圖為各調(diào)測(cè)結(jié)果：上面每個(gè)圖上均標(biāo)有峰峰值丫即(1)和波形頻率Freq(1)，經(jīng)觀察，頻率和峰 峰值均達(dá)到要求。4移相與加法電路調(diào)測(cè)加法電路實(shí)現(xiàn)將兩個(gè)或是三個(gè)正弦波信號(hào)合成近似方波信號(hào)，但是每個(gè)信 號(hào)不可能一開始就同時(shí)上升沿或是下降沿，所以為了能夠合成近似方波，必須添加 移相電路。在設(shè)計(jì)中已經(jīng)提到，移相電路采用D觸發(fā)器時(shí)鐘延遲的方法

11、實(shí)現(xiàn)，所以下 面只能重復(fù)做著添加觸發(fā)器，觀察合成波形以判斷方波信號(hào)應(yīng)該向哪個(gè)方向移動(dòng)。 首先我們合成10kHz和30kHz的正弦波信號(hào)，不斷移相，燒程序，使之成為近似方 波；然后按照同樣的方法合成10kHz和50kHz的正弦波信號(hào)；最后，將三路信號(hào)合 成，10kHz正弦波作為基波，30kHz正弦波作為三次諧波，50kHz正弦波作為五次 諧波，在以上工作完成的前提下，這三路信號(hào)合成后基本已是近似方波，為了使方 波更加好看，還可以繼續(xù)調(diào)測(cè)D觸發(fā)器。調(diào)測(cè)最終結(jié)果如下所示:圖9 10kHz和30kHz正弦波合成近似方波圖10 10kHz和50kHz正弦波合成近似方波圖11 10kHz、30kHz和50

12、kHz正弦波信號(hào)合成近似方波5整體指標(biāo)測(cè)試該實(shí)驗(yàn)的整體指標(biāo)測(cè)試就是對(duì)10kHz、30kHz和50kHz正弦波信號(hào)合成近似 方波的測(cè)試，其調(diào)測(cè)過程如4所示，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。第五章設(shè)計(jì)小結(jié)1設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況本次實(shí)驗(yàn)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。對(duì)10kHz、30kHz和50kHz正弦波信號(hào)合成近 似方波的整體指標(biāo)測(cè)試波形不太標(biāo)準(zhǔn)，基礎(chǔ)指標(biāo)中將10kHz、30kHz合成的效果很 好，波形無失真，幅度、頻率等硬性指標(biāo)也很準(zhǔn)確地完成，而將50kHz正弦波信號(hào) 加進(jìn)合成時(shí)，由于對(duì)信號(hào)是否同時(shí)上升沿或是下降沿要求更為嚴(yán)格，所以實(shí)現(xiàn)也更 為困難，不過在不懈努力下，最終得到較為滿意的波形，硬性指標(biāo)也是基本達(dá)到 了，只是波形不可避免的出現(xiàn)了瑕疵（移相問題導(dǎo)致波形未完全到位）。2問題與改進(jìn)問題1：如1中所說，此實(shí)驗(yàn)存在的最主要的問題是3種波形的相位沒有調(diào)一 致，導(dǎo)致最后合成的波形不太標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)：加D觸發(fā)器進(jìn)行時(shí)延，使3種波形相位一致。問題2：在實(shí)驗(yàn)中用了很多的電阻，還有很多串聯(lián)在一起，這樣使得面包板上 的架構(gòu)不是很好看改進(jìn)：根據(jù)已設(shè)計(jì)好的濾波電路，整理出電阻的標(biāo)稱值，然后盡量找到和標(biāo)稱 值差不多的電阻，避免電阻的