信号波形合成实验电路毕业设计Word文件下载.docx
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本设计中大量运用模拟电子技术及数字电子技术的知识，对以前学习的知识有了更深一步的了解。
模拟电子技术是一门研究对仿真信号进行处理的模拟电路的学科。
它以半导体二极管、半导体三极管和场效应管为关键电子器件，包括功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信号运算与处理电路、信号产生电路、电源稳压电路等研究方向。
数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用,逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、集成芯片各管脚功能555定时器等。
随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。
为了充分发挥和利用数字电路在信号处理上的强大功能，可以先将模拟信号按比例转换成数字信号，然后送到数字电路进行处理，最后再将处理结果根据需要转换为相应的模拟信号输出。
本设计主要采用德州仪器（TI）公司的各种芯片，例如电源芯片MC34063，滤波芯片TLC04，运放芯片OPA820、OPA842、OP07，以及TI公司的MSP430F149来完成对各正弦波的测量以及数显功能。
德州仪器（TI）是全球领先的模拟及数字半导体IC设计制造公司。
除了提供模拟技术、数字信号处理（DSP）和微处理器（MCU）半导体以外，TI还设计制造用于模拟和数字嵌入及应用处理的半导体解决方案。
德州仪器（TI）是全球领先的数字信号处理与模拟技术半导体供应商，亦是推动因特网时代不断发展的半导体引擎。
作为实时技术的领导者，TI正在快速发展，在无线与宽带接入等大型市场及数码相机和数字音频等新兴市场方面，TI凭借性能卓越的半导体解决方案不断推动着因特网时代前进的步伐！
TI预想未来世界的方方面面都渗透着TI产品的点点滴滴。
第2章系统方案介绍
2.1方案论证
本设计分为七大模块，分别是方波振荡模块、分频模块、滤波模块、放大增益模块、衰减增益模块、加法器模块、测量与数字显示模块。
每个模块都经过仔细考虑，精心选择出了最佳方案。
下面简单介绍方波振荡电路及低通滤波电路的选择。
2.1.1方波振荡电路的选择
方案一:
利用晶振来制作方波振荡器，该方案频率精度高，结构简单，但晶振频率恒定，制作好之后频率无法改变，而且晶振有规格，选择有局限。
方案二：
利用迟滞比较器构成方波振荡器，该方案频率设计灵活，结构简单。
根据设计要求，要产生10KHz，30KHz和50KHz的方波，利用晶振会使分频电路难以设计，并且利用方案二能灵活选择频率，可以扩展系统的应用。
2.1.2低通滤波电路的选择
方案一：
无源型。
这类滤波器的优点是电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高。
缺点是通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，在低频域不适用。
TCL04的低通滤波模块。
这类滤波器的优点是通带内的信号不仅没有能量损耗，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽，适用于低频域。
2.2整体系统方案
系统结构如图2-1所示：
图2-1系统原理框图
利用opa820芯片的方波振荡器产生方波，然后利用74LS194芯片进行来进行分频，得到各频率的方波，再通过TCL04来进行低通滤波，得到各方波的基波，可滤出10KHz、30KHz和50KHz的正弦波，再将3路正弦波进行放大衰减以及移相后作为基波、3次谐波和5次谐波输入加法器中，产生10KHz的近似方波信号，再将信号放大后得到幅度5V的近似方波信号。
同理，将10KHz，30KHz和50KHz的正弦波信号经类似处理后送入加法器，得到三角波。
第3章模块介绍
3.1电源模块
由于MSP430F149芯片的工作电压是3.3V，而现有的电源模块可提供5V电压的，所以选择TI公司的MC34063电源转换芯片，将5V电压转换为所需的3.3V电压。
3.1.1主要元件介绍
1、MC34063的功能简介
MC34063能够实现升压和降压效果，是一种单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。
它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。
2、MC34063的封装形式及特点
MC34063的封装形式为塑封双列8引线直插式，MC34063引脚图如下图3-1所示：
图3-1MC34063引脚图
MC34063具有以下特点：
1、能在3V-40V的输入电压下工作
2、带有短路电流限制功能
3、低静态工作电流
4、输出开关电流可达1.5A（无外接三极管）
5、输出电压可调
6、工作振荡频率从100HZ至100KHZ
7、可构成升压降压或反向电源变换器
由于内置有大电流的电源开关，MC34063能够控制的开关电流达到1.5A，内部线路包含有参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制线路和开关晶体管。
参考电压源是温度补偿的带隙基准源，振荡器的振荡频率由3脚的外接定时电容决定，开关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑控制线路置成ON，并由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成OFF。
3、外围元件标称含义和它们取值的计算公式
Vout（输出电压）＝1.25V（１＋R1／R2）
Ct（定时电容）：
决定内部工作频率。
Ct=0.000004*Ton（工作频率）
Rsc（限流电阻）：
决定输出电流。
Ipk=2*Iomax*T/toff
Rsc＝0.33／Ipk
Lmin（电感）：
Lmin＝（Vimin－Vces）*Ton/Ipk
Co（滤波电容）：
决定输出电压波纹系数，Co＝Io*ton/Vp-p（波纹系数）
固定值参数：
Vces=1.0Vton/toff=（Vo+Vf－Vimin）/（Vimin－Vces）
Vimin:
输入电压不稳定时的最小值
Vf=1.2V快速开关二极管正向压降
4、下表是美国安森美半导体公司生产的MC34063与国内生产的34063性能的对比。
MC34063参数表见表3-1。
表3-1MC34063参数表
参数名称
符号
单位
MC34063（OnSemi）
34063（国产）
输入电压
Vin
V
2.5～40V
输出电压
Vout
1.25～40V
最大输出电流
Iomax
A
1.5A
最高工作频率
f
kHz
0.1～100KHZ
功率
P
W
1.25W
工作温度
Ta
度
0～70度
在实际应用中的注意：
1、快速开关二极管可以选用IN4148，在要求高效率的场合必须使用IN5819（贴片为SS14）。
2、MC34063能承受的电压，即输入输出电压绝对值之和不能超过40V，否则不能安全稳定的工作。
3.1.2电源模块电路
用MC34063芯片做的电源转换电路输出电压稳定且精确。
电源转换电路图如下图3-2所示。
图3-2电源转换电路图
MC34063是一种用于DC－DC电源变换的集成电路，应用比较广泛，通用，廉价，易购。
极性反转效率最高65％，升压效率最高90％，降压效率最高80％，变换效率和工作频率滤波电容等成正比。
另外，输出功率达不到要求的时候，比如大于250～300mA时，可以通过外接扩功率管的方法扩大电流，双极型MOS型扩流管均可。
3.2方波振荡模块
如果用晶振来做方波振荡模块，频率固定，不可调，为实现产生多种频率的方波，所以采取了电压比较器的方法。
比较器一般分两类，一类是单限电压比较器，另一类是迟滞比较器。
单限电压比较器具有很高的开环电压增益，但是如果输入电压在门限附近有微小干扰，就会导致状态翻转使比较器输出电压不稳定而出现错误阶跃，为了克服这一缺点，常将比较器的输出电压通过反馈网络加到同相输入端，形成正反馈，将待比较电压加到反相输入端，参考电压通过电阻接到运算放大器的同相端，由此形成的电路称为反相输入迟滞比较器，也称为反相输入施密特触发器。
抗干扰能力强，防止误触发。
3.2.1主要元件介绍
1、集成运放的选择
集成运放的种类很多，大体可以分为通用型和专用性两类，通用型价格便宜，市场上容易买到，所以在能满足设计要求时，应尽量选择通用型，然后再挑选开环增益，输入电阻，共模抑制比高且输出电阻，失调电流，失调电压小的集成运算放大器。
在具体选择是，一般应考虑如下一些因素：
（1）输入信号幅度的大小、频率高低、变化速率以及等效信号源内阻的大小，输入信号中是否含有共模信号，共模信号的幅度及频带等。
（2）负载电阻的大小，对输出电压和输出电流的要求。
（3）对运算结果的精度要求，如增益误差、失真度、输入端和输出端阻抗匹配程度等。
2、运算放大器OPA820
OPA820是单位增益稳定低噪声电压反馈运算放大器，它有灵活的供电方式，既可以单电源供电，又可以双电源供电。
单电源供电一般为+2.8V~+11V，双电源供电一般为±
1.4V~±
5.5V。
OPA820的特点：
（1）差模开环电压增益为80dB。
（2）增益带宽：
250MHz（G=+1）
110MHz（G=+2）
（3）灵活的工作电压：
双电源供电±
5.5V
单电源供电+2.8V~+11V
（4）高回转率550V/ns
（5）低噪声9.2
（6）封装形式：
贴片SOT23
双列直插式SO-8
OPA820的引脚图如图3-3所示：
图3-3OPA820的引脚图
3.2.2方波振荡模块电路
OPA820芯片增益稳定，噪声低，采用OPA820来完成方波振荡电路，产生60KHz的方波，方波振荡电路图如图3-4所示：
图3-4方波振荡电路图
在设计中，方波振荡器由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。
如图2，输出电压
，由双向稳压管决定，振荡周期
，在设计中为取得输出频率为
，
。
由方程：
（公式1）
取电容C1=10nF，R1=1K,代入公式1，可取得R3与R4的比值关系，这里取R3=22K,R4=5.1K。
3.3分频模块
本设计需要产生10KHz，30KHz的方波，所以必须用到分频，上面的方波是60KHz，所以用六分频和二分频便可获得10KHz和30KHz的方波。
分频电路需用到数字电子技术的相关知识，寄存器是存放数码、运算结果或指令的电路，寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。
一个触发器可以存储一位二进制代码，存放N位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。
按功能可分为：
基本寄存器和移位寄存器。
移位寄存器不但可以存放数码，而且在移位脉冲作用下，寄存器中的数码可根据需要向左或向右移位。
寄存器和移位寄存器是数字系统和计算机中的基本逻辑部件。
移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下一次逐位右移或左移，数据既可以并行输入、并行输出，也可以串行输入、串行输出，还可以并行输入、串行输出，串行输入、并行输出，十分灵活，用途也很广。
移位寄存器又分为单向移位寄存器和双向移位寄存器。
如适当加入一些控制电路和控制信号，就可将右移位寄存器和左移位寄存器结合在一起，构成双向移位寄存器。
3.3.1主要元件介绍
1、74LS、74HC两系列移位寄存器的区别
74LS属于TTL类型的集成电路，而74HC属于CMOS集成电路。
74LS是TTL电路的一个系列，TTL电路以双极型晶体管为开关元件所以以称双极型（电子和空穴）集成电路。
74HC是CMOS电路，CMOS电路是MOS电路中的主导产品。
MOS电路以绝缘栅场效应晶体管为开关元件。
所以又称单极型集成电路。
按其导电沟道的类型，MOS电路可分为PMOST、NMOS和CMOS电路。
CMOS电路沿着4000A--4000B/4500B（统一称为4000B）--74HC--74HCT系列高速发展。
HCT系列还同TTL电平兼容，扩大了应用范围。
LS、HC二者高电平低电平定义不同，HC高电平规定为0.7倍电源电压，低电平规定为0.3倍电源电压。
LS规定高电平为2.0V，低电平为0.8V。
带负载特性不同。
HC上拉下拉能力相同，LS上拉弱而下拉强。
输入特性不同。
HC输入电阻很高，输入开路时电平不定。
LS输入内部有上拉，输入开路时为高电平。
LS系列与HC系列性能比较：
（1）TTL工作电压范围为5V正负左右。
CMOS为3--18V左右。
（2）频率特性：
标准TTL电路在5MHZ以下，一般COMS在100KHZ以下。
（3）速度*功耗积：
（在100KHZ时，单位为PJ）标准TTL电路和为100。
标准CMOS为11。
（4）最小输出的驱动电流（单位mA，输出低电平0.4V）标准输出：
标准TTL系列为16mA。
标准COMS（4000系列为16mA，74系列为4mA）。
（5）大电流输出：
标准TTL为48V。
标准COMS（4000为16V，74系列为6V）
（6）扇出能力：
标准TTL为系列为40（大电流输出为120）。
标准COMS（4000系列为4，74系列为10，大电流输出为4，15）。
（7）最大输入电流（单位MA，输出低电平4V）：
标准TTL系列为-1.6。
COMS（4000系列为正负0.001，74系列为负0.001）。
（8）输入阻抗：
COMS可达10M，TTL为5M。
2、74LS194元件功能介绍
当清零端CLR为低电平时，输出端QA～QD均为低电平；
当S1S0=00时，移位寄存器保持原来状态；
当S1S0=01时，移位寄存器在CP脉冲的作用下进行右移位，数据从SR端输入；
当S1S0=10时，移位寄存器在CP脉冲的作用下进行左移位，数据从SL端输入；
当S1S0=11时，在CP脉冲的配合下，并行输入端的数据存入寄存器中。
74LS194除具有清零、保持、实现数据左移、右移功能外，还可实现数码并行输入或串行输入、并行输出或串行输出的功能。
3、74LS194引脚介绍
A～D为并行输入端；
QA～QD为并行输出端；
SR右移串引输入端；
SL左移串引输入端；
S1、S0操作模式控制端；
CLR为直接无条件清零端；
CLK为时钟脉冲输入端。
74LS194引脚图如3-5所示
图3-574LS194引脚图
3.3.2分频模块电路
在分频电路中，利用4位双向移位寄存器74LS194做了六分频和二分频电路，分频电路如图3-6及图3-7所示：
图3-6六分频电路图3-7二分频电路
74LS194移位寄存器的控制输入端S1和S0是用来进行移位方向控制的，S0为高电平时，移位寄存器处于向左移位的工作状态，二进制数码在CP脉冲的控制下由高到低逐位移入寄存器，因此可以实现串行输入；
在S1为低电平时，移位寄存器处于向右移位的工作状态，二进制数码在CP脉冲的控制下逐位移出寄存器（低位在前，高位在后）。
在串行输入、并行输出的转换中，若将四位二进制数码全部送入寄存器内（四位寄存器）。
由于每个CP脉冲移位寄存器只移一位，四位二进制数码需要四个CP脉冲。
但若四位二进制数码还含有其它检验码（如奇偶校验码），则总数码有几位就需要几个CP脉冲。
3.4滤波模块
滤波电路是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分的电路。
滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。
由于有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，谐振频率、增益和品质因数容易控制等而获得广泛应用。
有源滤波电路有低通、高通、带通和带阻等型式。
低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能通过的电路，高通滤波电路则与低通滤波电路相反，带通滤波电路是指某一频段的信号能通过而该频率以外的信号不能通过的电路，带阻滤波电路与带通滤波电路作用相反。
3.4.1主要元件介绍
美国TI公司生产的巴特沃斯四阶开关电容低通滤波器TLC04作为滤波电路的主要组成部分，采用施密特触发器振荡器自定时的双电源供电。
1、TLC04的性能介绍
TLC04是TI公司推出的通频带内具有最大平坦度、截止边带单调下降的巴特沃斯四阶开关电容滤波器。
该滤波器的截止频率可随时钟编程的改变而改变，截止频率稳定性依赖于时钟的稳定性，时钟截止频率比为50:
1，该滤波器可外接TTL或CMOS时钟，也可自产生时钟。
TLC04芯片功能图如图3-8所示：
图3-8TLC04芯片功能图
芯片内部由时钟整形电路，时钟电平移位电路，无重叠时钟发生器及巴特沃斯四阶开关电容滤波器组成。
2、TLC04管脚介绍
TLC04引脚图如图3-9所示：
图3-9TLC04引脚图
脚1（CLKIN）：
CMOS电平输入端。
当用于自产生时钟时，CLKIN与CLKR之间接电阻，CLKIN接电容到地，LS接VSS。
脚2（CLKR）：
TTL电平时钟输入端。
TTL电平输入时将LS接VDD与VSS的中间电位，CLKIIN接VDD或VSS。
脚3（LS）：
电平移位选择端。
当采用CMOS电平时钟或自产生时钟，接VSS；
当采用TTL电平时钟时，接VDD与VSS的中间电位。
脚4（VSS）：
负电源端。
脚5（FILTEROUT）：
滤波器输出端。
脚6（AGNI）：
模拟地，接VDD的中间电位。
脚7（VDD）：
正电源。
脚8（FILTERIN）：
滤波器输入端。
TLC04外围电路结构简单、工作电源灵活、抑制纹波干扰能力强、滤波器性能稳定，可取代一般运算放大器构成的低通滤波器。
3.4.2滤波模块电路
滤波电路图如图3-10所示，滤波频率由
、
决定，电路
，截止频率有一定调节范围。
图3-10滤波电路图
对于10KHz信号，截止频率取在10KHz-30KHz中间（如果截止频率选在10KHz，基波会存在-3dB的衰减），做到10KHz无衰减，完全滤除方波在30KHz上的3次谐波以及以后更高级的谐波，得到10KHz的正弦波。
同理选择合适的截止频率，可获得30KHz和50KHz的正弦波。
3.5基本运算模块
1、放大电路及增益的介绍
放大电路的主要性能指标有放大倍数、输入电阻、输出电阻等。
放大倍数是衡量电路放大能力的指标，它有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数等表示方法，其中电压放大倍数应用最多。
放大电路的输出电压与输入电压之比，称为电压放大倍数。
放大电
升级会员 