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信号波形合成实验电路设计

设计报

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CPLDEPM1270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ADCTLC549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。

2.分频电路方案比较

方案1:

采用选频电路提取方波的谐波信号，分别得到基波、三次谐波和五次谐波频率

信号。

缺点：

对选频电路的指标要求高，电路不易实现，得到的谐波信号也不稳定。

方案2:

采用CPLD进行分频

优点：

电路实现简单，也易于得到各频率点的方波信号。

本设计选用方案2。

3.滤波电路方案比较

方案1:

用LC或有源方法，采用低通或带通方式，将方波的基频信号提取出来；

方案2:

采用TI专用芯片TLC04组成四阶巴特沃斯低通滤波器实现。

电路实现简单，但该芯片的最高截止频率只有30KHz，无法实现50KHz信号的滤

波。

本设计，结合方案1、方案2,10KHz,30KHz的低通滤波采用TI专用芯片TLC04来实现，而50KHz的正弦波信号提取却采用二阶有源带通滤波来实现。

4.移相电路方案比较

可采用无源或有源RC网络进行移相。

本设计采用有源移相方式。

理论上，可实现0—180度的相移。

另外，可结合实际

的相移需要，在大相移范围要求时，用CPLD实现，小范围（0-90度）移相可用有源

RC网络来调整。

5.电压检测及显示电路方案比较

方案1:

采用高速A/D进行交流电压检测，并用LCD显示；

方案2:

采用专用电路AD563进行交流电压变换为有效值直流电压，并用ADC进行电

压检测，最后LCD或用四位数码管进行电压显示。

相比之下，方案1要求ADC的转换速率要求较高，数据处理量较大，一般要结合

MCU才能实现。

本设计，结合以上两方案的优点，先用AD563进行交流电压变换为直

流电压，再用TI的ADCTLC549进行电压检测，并用CPLD完成测量数据转换、控制及LCD显示驱动，由1602LCD进行电压显示，得到所测正弦波电压的峰值。

本设计的完整电路组成框图见图1所示。

多路开关

CPLD

LCD显示

电压转换及ADC

图1信号波形合成实验电路组成框图

二、理论分析与计算

1.方波、三角波信号的傅里叶级数表达式

方波、三角波的傅里叶级数展开式分别为：

4Um111

方波：

U（t）=齐（sin31+3sin3®t+5sin5®t+-sin731+…）

8Um11

三角波：

U（t）=^^（sin3t-9sin3®t+亦sin53t-…）

若基波为10KHz，幅度为6Vpp的正弦波信号，则合成近似方波所需的30KHz,50KHz

的正弦波信号幅度分别应为2Vpp,1.2Vpp;同理，合成近似三角波所需的各信号幅度分别

应为0.67Vpp,0.24Vpp，且各信号均为同相信号。

2.有源二阶带通滤波器参数分析与计算

常用的巴特沃斯有源滤波器的形式主要有压控电压源二阶带通滤波器和无限增益多路负反馈二阶带通滤波器，其组成原理图分别如图2、图3所示。

其中，压控电压源二阶带通

滤波器的带宽与中心频率点的电压增益有关，带宽越窄，电压增益越大。

如若带宽为中心频率的10%，则中心点的电压增益为29。

本设计中，带通滤波器的输入电压约1.2Vpp，为

防止输出饱和，放大量不宜过大；再则，压控电压源二阶带通滤波器的控干扰能力也不如无限增益多路负反馈二阶带通滤波器，故本设计采用无限增益多路负反馈二阶带通滤波器。

的高、低截止角频率。

CR3

（4）

~56K,R3=222.92K

~1.1K

3.移相电路分析与计算

图4是移相电路的原理图。

类似于差分放大电路,

在f0=的频率点，低于fo的频率超前相移，高于fo的频率作滞后相移。

若将R0作8〜

2nR0Co

0Q的连续变化，理论上可获得0°〜180°的相移效果。

在设计时，取f0为10KHz,C=1nF,可求得R0=15.92KQo

在实际电路中，用24KQ电位器进行调节。

具体看电路设计部分的仿真结果。

图4移相电路原理图

电路与软件设计

较好达到设计要求。

号由CPLD分频得到。

在滤波器输出端接一级反相放大器，以调整输出信号幅度为：

对方波合成为:

对于三角波合成为：

0.24Vpp。

4.

移相电路设计

表1移相电路仿真结果

10KHz

30KHz

50kHz

Rw=0

165.73

138.15

113.98

Rw=24KQ

61.53

21.88

12.65

相差（度）

104.2

116.27

101.33

VF2

r

RW224k

R110k

C11n

VF1

—（

+VG1

0

丄-V112

图9移相电路

从仿真结果可看出，通过调整电位器Rw1的电阻，较好地实现对输入信号的移相，移相范围可达101度。

在调整Rw1时，输出信号幅度略有变化，可通过调整Rw2来使输出幅度，达到合成前的各谐波电压要求。

设计六路移相器，分别对方波、三角波合成时的三个正弦波信号的移相。

5•加法器设计

R95k

R412k

-i-V212

VF1

R510k

kz—eUK

3

ZIP

U1TLC081

£pr

加

ko7R

V112

U2TLC081

近似方波输出

u*

”ft

W

JM

u

A

阳蚀感抚服财恤

输出幅度调整

图10合成近似方波的求和电路图11合成近似方波电路仿真结果

根据前述的方波、三角波分解的表达式，合成方近似方波的电路及其仿真分别如图10、

图11所示。

其中，后级用于调整输出信号幅度。

同理，合成方近似三角波的电路及其仿真分别如图

12、图13所示

R212k

—Wr—

R312k

R95k

兰V212

VF1

R412k

HWt-

.K216r

DM

6•电压检测及显示电路设计

CPLD

交直流变换

AD563

*ADCTLV549

*■LCD1602

图14电压检测及显示

电路框图如图14。

其中，AD563的测量误差为0.2%,AD虽为8位，但选取参考电压为2.5V，只要被测电压为200mv以上，即可满足5%的测试精度要求。

有效值转化为峰值，由CPLD来完成。

7•电源电路设计

根据电路功能要求，需提供土12

V、土5V、+3.3V的直流电压。

设计的电源电路由变压、滤波、稳压等部分组成，其中，以LM317、LM337为核心，实现土12V、±5V的输出电压可调的电源；3.3V采用BB1117芯片来实现，确保电路的正常稳定工作。

电

路部分请参看附录。

8.CPLD软件设计

CPLD部分要完成对6MHz方波信号的分频，电压检测控制、有效值与峰值的转换及LCD显示驱动功能。

CPLD组成图如右。

巴沃低法

四、测试结果及分析

1•系统测试条件

系统测试框图如图15。

所需的测试设备主要有

DH1718E-5型双路稳压电源，

EE1411:

函数发生器，

ADS7022S:

数字示波器，UT60C:

万用表

2•测试结果

（1）滤波器测试结果

分别测试了10KHZ巴特沃斯低通滤波器、30KHZ巴特沃斯低通滤波器和50KHZ带通滤波器的频响特性，测试结果分别如图16、图17、图18所示。

图15测试系统框图

图1610KHzLPF测试结果

从测试结果可看出，所设计的滤波器性能完全能满足要求。

图19近似方波合成图形（10KHz，30KHz，50KHz正弦波）图20近似方波合成图形（10KHz，30KHz，50KHz正弦波）

3．结果及展望

从测试结果可看出，从方波信号滤波得到的正弦波信号无明显失真；设计的移相电路移相范围宽，可实现约101度范围的移相，结合CPLD数字分频时的移相功能，可方便实现正弦波信号任意角度的移相。

本设计实现近似方波及近似三角波的合成，波形较好。

正弦波电压的检测误差在5%以内。

完成了课题的基本要求及发挥部分的全部要求。

共使用TI公司集成电路型号有：

BB1117，OP07C，TL084，TLC04，TLC549。

由于时间紧迫，无法制作正规的PCB板，干扰信号对波形有所影响；电压检测目前还未

实现量程自动转换功能，选用AD位数偏低，造成测试误差偏大等，有待以后继续努力。

参考文献

[1]胡宴如，耿苏燕.模拟电子技术[M],第二版.北京：

高等教育出版社,2004.

[2]杨志忠，卫桦林.数字电子技术[M],第二版.北京：

高等教育出版社,2003.

[3]蔡锦福.运算放大器原理与应用[M].北京：

科学出版社,2005.

[4]孙加存.电子设计自动化[M].西安：

西安电子科技大学出版社,2008.

严-

TLC04

1.作品照片

附录

30K看奈X

-SKHZB^

10KH村再>「:

:

IOKHH

2.部分测试波形

6MHz方波

3.部分电原理图（见附录3）

4.CPLD软件清单

5.兀器件清单

电源模块

Designator

Value

Comment

Quantity

备注

D5

BB1117

1

TI公司芯片

U2

LM337BT

1

U1

LM317BT

1:

U3

LM317BT

1

U4

LM317BT

1

C10

103

Cap

1:

C11

104

Cap

1

C12

104

Cap

1

C15

104

Cap

1

C17

103

Cap

1

C18

104

Cap

1

C20

104

Cap

1

C22

103

Cap

1

C23

104

Cap

1

C25

104

Cap

1

C5

104

Cap

1t

C6

104

Cap

1

C9

103

Cap

1

T

TransCT

1t

D

Bridge1

1

C13

100uF

CapPol1

1

C14

100uF

CapPol1

1「

C16

100uF

CapPol1

1

C19

100uF

CapPol1

1

C21

100uF

CapPol1

1「

C24

100uF

CapPol1

1

C26

10uF

CapPol1

1

C7

100uF

CapPol1

1:

C8

100uF

CapPol1

1

C1

3300uF

CapPol3

1

C2

3300uF

CapPol3

1:

C3

3300uF

CapPol3

1

C4

3300uF

CapPol3

1

Rp1

2.2K

RPot

1

Rp2

2.2K

RPot

1

R7

250K

250K

1

R1

120

ResSemi

1

R2

120

ResSemi

1

R3

120

ResSemi

1

R4

360

ResSemi

1

R5

120

ResSemi

1

R6

360

ResSemi

1

方波产生及分频电路电路

Designator

Value

Comment

Quantity

备注

C1

100pF

Cap

1

C2

100pF

Cap

1

R1

1K

ResSemi

1「

R2

1K

ResSemi

1

U1

74LS04

1

Y

6MHz

晶体

1:

BB1117-3.3

LDO

TI公司

AMS1117-2.5

LDO

EPM1230

CPLD

滤波电路（低通滤波）

Designator

Value

LibRef

Quantity

备注

R1

5K

Res1

1

R2

10K

Res1

1

U1

OP07C

11

TI公司

U2

OP07C

1

TI公司

U3

OP07C

1

TI公司

OP07C

TI公司

TLC04

2

TI公司

OP07C

1

TI公司

滤波电路（带通滤波）

Designator

Value

Comment

Quantity

备注

R1

10K

ResSemi

1

R2

220K

ResSemi

1

R3

56K

ResSemi

1「

R4

10K

ResSemi

1

R5

1.1K

ResSemi

1

R6

5K

ResSemi

1:

C1

200pF

Cap

1

C2

200pF

Cap

1

U1

TL084

1「

TI公司

U2

OP07C

1

TI公司

U3

OP07C

1

TI公司

U4

TL084

1

TI公司

U5

TL084

1

TI公司

方波合成移相电路

Designator

Value

Comment

Quantity

备注

RO

2K

ResSemi

R1

10K

ResSemi

1

R2

10K

ResSemi

1

R3

10K

ResSemi

1:

R4

2K

ResSemi

1

R5

10K

ResSemi

1

R6

10K

ResSemi

1

R7

2K

ResSemi

1

R8

10K

ResSemi

1

R9

10K

ResSemi

1:

R10

10K

ResSemi

1

R11

5K

ResSemi

1

R12

10K

ResSemi

1

R13

10K

ResSemi

1

R14

5K

ResSemi

1

R15

10K

ResSemi

1

R16

10K

ResSemi

1

R17

5K

ResSemi

1

RW1

24K

RPot

1

RP1

24K

RPot

1

C1

1nF

Cap

1

C2

1nF

Cap

1

C3

1nF

Cap

1

U1

OP07C

1

TI公司

U2

OP07C

1

TI公司

U3

OP07C

1

TI公司

U4

OP07C

1

TI公司

U5

OP07C

1

TI公司

U6

OP07C

1

TI公司

三角波合成移相电路

Designator

Value

LibRef

Quantity

备注

R1

10K

ResSemi

1

R2

10K

ResSemi

1

R3

10K

ResSemi

1

R4

2K

ResSemi

1

R5

10K

ResSemi

1:

R6

10K

ResSemi

1

R7

2K

ResSemi

1

R8

10K

ResSemi

1「

R9

10K

ResSemi

1

R10

10K

ResSemi

1

R11

5K

ResSemi

1:

R12

10K

ResSemi

1

R13

10K

ResSemi

1

R14

5K

ResSemi

1:

R15

10K

ResSemi

1

R16

10K

ResSemi

1

R17

5K

ResSemi

1「

RW1

24K

RPot

1

P1

24K

RPot

1

P2

24K

RPot

11

C1

1nF

Cap

1

C2

1nF

Cap

1

C3

1nF

Cap

11

U1

OP07

1

TI公司

U2

OP07

1

TI公司

U3

OP07

1

TI公司

U4

OP07

1

TI公司

U5

OP07

1

TI公司

U6

OP07

1

TI公司

U7

OP07

1

TI公司

U8

OP07

1

TI公司

U9

OP07

1

TI公司

U10

OP07

1

TI公司

U11

OP07

1

TI公司

合成电路（合成方波）

Designator

Value

Comment

Quantity

备注

R1

12K

ResSemi

1

R2

12K

ResSemi

1

R3

12K

ResSemi

1

R4

12K

ResSemi

1

R5

10K

ResSemi

1:

R6

12K

ResSemi

1

R7

5K

ResSemi

1

R9

5K

ResSemi

1:

U1

TL084

1

TI公司

电压检测

Designator

Value

Comment

Quantity

备注

R1

10K

ResSemi

1

R2

20K

ResSemi

1「

R3

20K

ResSemi

1

R4

10K

ResSemi

1

RL

10K

ResSemi

1

C1

O.luF

Cap

1

C2

1uF

Cap

1「

CaV

4.7uF

Cap

1

U1

TLC549CD

11

TI公司

U2

AD563

1