论文信号波形合成.docx

1、论文信号波形合成中国地质大学2013年电子设计大赛竞赛论文参赛题目：信号波形合成成 员：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1MHz晶振电路产生1MHz方波信号，经计数、分频得到10kHz方波信号，利用LC并联谐振（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

2、波信号，分解，合成1 作品简介1.1设计目标 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

3、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；（4）其他。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，本作品根据这一理论原理制作而成。本系统要包括了以下几个模块：电源电路模块，方波信号产生模块，放大、移相、波形

4、合成模块、测量显示模块，如图3所示。本系统通过1MHz晶振电路产生1MHz方波信号，通过分频得到10kHz方波信号，经过三个不同频率的滤波器分离出10kHz、30kHz、50kHz正弦波信号，再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。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。图3 系统方框图2.2 设计方案论证2.2.1 方波信号发生器方案一：通过反相器、外加电阻和电容来产生频率可调、占空比可调的方波信号。其优点电路简单，且有些芯片可以产生稳定的方波。方案二：利用单片机时钟信号，通过软件编程实现输出10kHz方波信号。实现起来相对较容易，但若没有时间做本参赛题的发挥

5、部分，大材小用了。综合所述，由于频率稳定直接影响信号的方波信号的分解与合成，并从实际出法，所以选择方案二。2.2.2 滤波器 方案一：无源滤波。由无源元器（电阻、电容、电感）设计而成，电路简单，但是滤波效果不好，且产生较多的杂波。方案二：有源滤波。由运算放大器、电阻和电容构成，无需电感器。还可提供电压增益。由于方波信号发生器输出的信号幅度较高（5V），从实际制作、调试方便和产生较好的滤波效果等角度考虑，所以选择方案二。2.2.3 移相电路 方案一：有源移相电路。在移相的同时，还可以得到一定的增益，移向效果好，角度范围大。 方案二：RC电路移相。电路简单，但每级RC电路理论极限移相90度。由于三

6、个正弦波是在同一个方波信号下滤波产生的，它们之间相的位差相对较小，故选择方案一。2.2.4 整流滤波电路方案一：采用精密整流、滤波电路。整流、滤波效果好，可对低于二极管导通电压的信号进行整流、滤波。但电路复杂。方案二：采用转换芯片将交流直接转换为直流，电路简单、易于制作。由于任务要求对峰峰值为6V、2V、1.2V的正弦波信号进行整流、滤波，故选择方案二。3.系统实现3.1 硬件电路（主要单元电路设计）3.1.1电源电路本设计系统共需要四种不同的直流电压，分别为+9V、-9V、+5V和+3.3V电压。为了满足电路供电要求，我们把+9V、-9V、+5V电源使用同一个电路输出，如图4（a）所示；而3

7、.3V电压的输出使用了TI公司REG1117稳压芯片，专门为后续单片机提供电压，如图4（b）所示。 （a）9V、5V电源电路 （b）3.3V电源电路图4 电源电路3.1.2 方波信号产生电路 图5方波信号产生锁相环CD4046为数字PLL，内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。它具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点，其工作频率达1MHz，内部VCO产生50%占空比的方波，输出电平可与TTL电平或CMOS电平兼容。同时，它还具有相位锁定状态指示功能。信号输入端：允许输入0.1V左右的小信号或方波，经A1放大和整形，提供满足PD要求的方波。PDI由异或门构

8、成，具有三角形鉴相特性。它要求两个输入信号均为50%占空比的方波。当无输入信号时，其输出电压为VDD/2，用以确定VCO的自由振荡频率PDI由异或门构成，具有三角形鉴相特性。CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容C1和电阻R1作为充放大元件。当PL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。由于VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容C1的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率亦正比于该控制电压。当VCO控制电压为0时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压VDD时，输出频率则线性地增大到最高输出频率。VCO振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。

9、由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成，故它的输出波形是对称方波。一般规定CD4046的最高频率为1.2MHz(VDD=15V），若VDD15V，则fmax要降低一些。3.1.3分频电路分频电路实现将某方波通过分频产生10KHz、30KHz和50KHz的新的方波。根据题意要求，在某特定频率的方波上要产生几个其他频率方波，可按照这些频率的最小公倍数2为原则，题目要求的三个频率为10KHz、30KHz和50KHz，其公倍数为150KHz，再乘以2，则上述方波发生器为300KHz。验证一下：300KHz频率30分频得10KHz，10分频30KHz，6分频50KHz。采用十进制计数分配器CD4017

10、配合D触发器CD4013实现分频为上述3个频率的方波，CD4017默认10分频，下图中二极管正极连接位置决定分频系数。对于CD4013，所起的作用是将由CD4017分频后非50%占空比调节为50%。设计电路见图3所示，300KHz输入信号送CD4017的CLK（14pin），输出信号从CD4013的Q端送出。 图6分频器电路该图中由于D2接CD4017的Q3，因此实现将300KHz3分频，为300KHz/3=100KHz再经后级CD4013进行2分频，获得了100KHz/2=50KHz的频率。对于30KHz和10KHz的分析计算方法相同，不再细述。3.1.4滤波电路滤波电路的作用是从300kH

11、z的方波信号中得到10kHz、30kHz、50kHz正弦波信号。本系统中选用有源LC带通滤波电路，如 图7带通电路 电路设计时，低通与高通滤波电路串联就可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波电路的截止频率大于高通滤波的截止频率，两者覆盖的通路就构成了带通响应。在选用元器件时，应当考虑由于元器件的误差对传递函数造成的影响；考虑到已知A1的增益=1.586，A2的增益=2.515；同时要尽量使运放同相输入端和反向输入端对地电阻相等，同相比例放大电路的电压增益就是有源低通或者高通的电压增益。 当f0=10kHz时，f=1/2RC；将高通和低通的电容都取为103 pF（为了满足运放电路的电阻不宜选择过大

12、或者过小，一般为几千欧至几十千欧比较合适）。取低通截止为10k，高通截止频率为8k，R1和R17可调。图7中，R7=（A1-1）R15，取R15=4.7k，R8=7.9k；同理，当f0=30kHz时，R1=R4=5.25k，R10=R17=5.73k可调，C=102 pF。取R15=12.95k,R8=15.9k;同理当f0=50kHz时，R1=R4=3.18k可调,R10=R17=24k可调，C=102nF。取R15=10k,R8=10k。为了取得更好的滤波效果，在每一级滤波后面加上RC滤波电路，频率按照上面的公式计算。 3.1.5放大电路放大电路的作用是把得到10kHz、30kHz、50k

13、Hz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OPA227、082CD这两种集成运放作为放大电路的核心2。10kHz，30kHz,50kHz均采用如图8所示的电路图。由于输入信号为20mV左右，前面加上跟随器的原因是因为跟随器的输入电阻趋于无穷大，该电路几乎不从信号源吸收电流，因此当负载变化时，输出电压几乎不变，从而消除负载变化对输出电压的影响。 图8调幅电路3.1.6 移相电路移相电路的作用是使三个正弦波信号在同一个相位叠加，我们以10kHz正弦波信号为基准，对30kHz、50kHz正弦波信号进行移相。移相电路采用有源移相电路，如图12所示。

14、移相角，最大移相角为90。具体电路参考附总电路图。30kHz正弦波信号的移相电路R取10 k，C取10pF；50kHz正弦波信号的移相电路R取10 k，C取1pF。图12 移相电路 3.1.7 加法电路加法电路作用是对10kHz、30kHz、50kHz三个正弦波信号进行合成方波信号，电路如图13所示，采用TI082CM。其中AV=1，前面加上跟随器的原因是因为跟随器的输入电阻趋于无穷大，该电路几乎不从信号源吸收电流，因此当负载变化时，输出电压几乎不变，从而消除负载变化对输出电压的影响。U0=（Ui1*R6/R1+Ui2*R6/R4+Ui3*R6/R5)；当R1=R4=R5=R6的时候，就是这三

15、个信号相加，合成方波。 图13 加法电路（方波合成电路）3.1.8 减法电路减法电路作用是对10kHz、30kHz正弦波信号进行合成三角波信号，电路如图14所示，采用TI082CM。其中AV=1，其他和加法合成电路一样，只是将加了一个反向器，将30k的正弦波进行反向后才能够合成正弦波，因为三角波是由一次基波和多次谐波合成的，且每个相邻的正弦波是反向的。U0=（Ui1*R6/R1Ui2*R6/R4+Ui3*R6/R5);当R1=R4=R5=R6的时候，就是这三个信号相加，合成三角波。 图14 减法电路（三角波合成电路）3.1.9 整流滤波检测电路由于任务要求检测的信号幅度较高，故采用AD637集

16、成有效值转换器电路，并由单片机采样、处理、显示正弦波幅度的大小，如图16所示。图16整流滤波检测电路3.2软件设计 3.2.1软件流程图 软件流程图如图17所示。图17 软件流程图3.3.2 软件程序 软件程序见附录2。4 系统性能测试与分析4.1 测试仪器示波器、数字万用表4.2 性能测试4.2.1. 测试方法 用示波器分别测量10kHz、30kHz、50kHz正弦波信号的波形、峰峰值和合成后的方波信号的三角波信号的波形、峰峰值及三个正弦波信号的频谱分析。4.2.2测量内容 1用示波器分别测量10kHz方波信号的波形，如图18所示。2用示波器分别测量10kHz、30kHz、50kHz正弦波信

17、号的波形、峰峰值及相位关系，如图1922所示。图18 10kHz方波信号 图19 10kHz正弦波信号 图20 30kHz正弦波信号 图21 50kHz方波信号 图22 10kHz、30kHz正弦波信号的相位比较 3用用示波器分别测量合成后的方波信号、三角波信号的波形、峰峰值，如图23、24所示图23 合成后的方波信号 图24 合成后的三角波信号 4. 对示波器对30kHz正弦信号的幅度进行测量，与峰峰值数字显示电路的值进行比较，如表1所示。 表1 正弦波信号幅度的测量示波器测量值（V）峰峰值数字显示电路显示值（V）6.086.002.102.001.261.204.2.3 误差分析 1.由于

18、在万能板上进行焊接，对于频率相对比较高的信号影响较大，可能产生波形的抖动和频率的波动。 2.在元器件参数选择上也存在一定的误差，测量值与标称测量值不同或是没有我们需要的元器件，采用各式方法合成的器件。5 总结与展望从测量的波形、数据看，本系统基本实现了题目中的各个要求。同时，本次比赛也极大地提高了我们的实践操作能力和团队协作能力。由于时间关系，系统仍有待进一步完善，精度需要进一步提高、测量信息需要进一步扩展，三角波可增加高次谐波成分进行合成等。附录1：电路总图附录2：软件程序#include /锁存器*#include#include#include#define uchar unsigned

19、 char#define uint unsigned intsbit st=P30; /ADC0809端口定义sbit eoc=P32;sbit oe=P31;/sbit dabc=P14;sbit ale=P37;sbit key0=P20; sbit key1=P21; sbit key2=P22; sbit key3=P23; sbit LCD_RS=P33; /数据/命令选择端（H/L）sbit LCD_RW=P34; /读/写选择端（H/L）sbit LCD_EN=P35; /使能信号sbit LCD_PSB=P36; /并/串选择（H/L） uchar ad_0809; uint

20、ad_data,ad_data1,ad_data2,ad_data3;/uchar number=0;uchar code dis0=幅值测量:(V);uchar code dis1=1:频率10KHZ;uchar code dis2=2:频率30KHZ;uchar code dis3=3:频率50KHZ;uchar code dis4=幅值:;uchar code dis5=10KHZ;uchar code dis6=30KHZ;uchar code dis7=50KHZ;void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-)

21、; /*12864*/*写指令数据到LCD*/RS=L,RW=L,E=高脉冲，D0-D7=数据void write_cmd(uchar cmd) LCD_RS=0; LCD_RW=0; LCD_EN=0; P1=cmd; delay(5); LCD_EN=1; delay(5); LCD_EN=0;/*写显示数据到LCD*/RS=H,RW=L,E=高脉冲，D0-D7=数据void write_dat(uchar dat) LCD_RS=1; LCD_RW=0; LCD_EN=0; P1=dat; delay(5); LCD_EN=1; delay(5); LCD_EN=0;uchar read

22、_date() /读数据 uint readvalue; P1=0xff; LCD_RS=1; LCD_RW=1; LCD_EN=0; LCD_EN=1; readvalue=P1; delay(1); LCD_EN=0; return readvalue;void lcd_set_dot(unsigned char x, unsigned char y) uchar x_byte, x_bit; /在横坐标的哪一个字节，哪一个位 uchar y_byte, y_bit; /在纵坐标的哪一个字节，哪一个位 uchar tmph,tmpl; x_byte = x / 16; /算出它在哪一个字节

23、(地址).注意一个地址是16 位的 x_bit = x % 16; /(取模)算出它在哪一个位 y_byte = y /32; /y 是没在哪个字节这个说法.这里只是确定它在上半屏(32 行为一屏)还是下半屏.0:上半屏1:下半屏 y_bit = y % 32; /y_bit 确定它是在第几行 write_cmd(0x34); /打开扩展指令集.绘图显示关闭 write_cmd(0x80 + y_bit); /先写垂直地址 write_cmd(0x80 + x_byte + 8 * y_byte); /水平坐标 .下半屏的水平坐标起始地址为0x88.(+8*y_byte)就是用来确定在上半屏还

24、是下半屏 read_date(); /先空读一次 tmph=read_date(); /读高位 tmpl=read_date(); write_cmd(0x80+y_bit); /读操作会改变AC，所以重新设置一次 write_cmd(0x80+x_byte+8*y_byte); if(x_bit 8) /如果x_bit 位数小于8 write_dat(tmph|0x01 (7 - x_bit);/写高字节。因为坐标是从左向右的.而GDRAM 高位在左，低位在右 write_dat(tmpl); /原数据送回 else write_dat(tmph); /原数据送回 write_dat(tmp

25、l|0x01 (15 - x_bit); write_cmd(0x36); /打开绘图显示 write_cmd(0x30); /回到基本指令集,毕竟ST7920是以字符为主的void lcd_displayclr() /使用图形模式时，应对所有GDRAM 写0x00 才算清屏，清屏命令（write_cmd(0x01)）是对使用自带字库显示时用的uchar i, j, k ;write_cmd(0x34); /打开扩展指令集，绘图显示关write_cmd(0x36); /打开扩展指令集，绘图显示开for( i = 0 ; i 2 ; i+ ) /分上下两屏写 for( j = 0 ; j 32

26、; j+ ) write_cmd( 0x80 + j ) ; /写Y 坐标 delay(1); if( i = 0 ) /写X 坐标 write_cmd( 0x80 ) ; delay(1); else /写下半屏 write_cmd( 0x88 ) ; delay(1); for( k = 0 ; k 16 ; k+ ) /写一整行数据 write_dat(0x00) ; delay(1); write_cmd( 0x30 ) ; /关闭扩展指令集void lcd_init() LCD_PSB=1; /并口方式 write_cmd(0x30); /基本指令操作（8位数据） delay(5);

27、 write_cmd(0x0c); /显示开，关光标 delay(5); write_cmd(0x01); /清除LCD的显示内容 delay(5);void fsin1() float x,y; uchar x1,y1; for(x=0;x(4*3.1415);x+=0.1) y=2*sin(x); x1=10*x; y1=31-(10*y+0.5); /对y值进行四舍五入 lcd_set_dot(x1,y1+10); void fsin2() float x,y; uchar x1,y1; for(x=0;x(4*3.1415);x+=0.1) y=1*sin(3*x); x1=10*x;

28、 y1=31-(10*y+0.5); /对y值进行四舍五入 lcd_set_dot(x1,y1+10); void fsin3() float x,y; uchar x1,y1; for(x=0;x(4*3.1415);x+=0.1) y=0.5*sin(5*x); x1=10*x; y1=31-(10*y+0.5); /对y值进行四舍五入 lcd_set_dot(x1,y1+10); /*AD0809*/void ad0809() ale=1; ale=0; oe=0; /以下三条指令为起动AD0809 st=0; delay(2); st=1; st=0; while(eoc=0); /等待转换结束 oe=1; /取出读得的数据 ad_0809=P0; oe=0;void display1() uint i; write_cmd(0x80); i=0; while(dis0i!=0) write_dat(dis0i); /显示字符 i+; write_cmd(0x90+1); i=0; while(dis1i!=0) write_dat(dis1i); /显示字符 i+; write_cmd(0x88+1); i=0; while(dis2i!=0) write_dat(dis2i); /显示字符 i+;