2011年ti杯电子设计竞赛信号波形合成电路报告

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1、全国大学生电子设计竞赛2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛信号波形合成实验电路（C题）组号：5120039信号波形合成实验电路摘要本电路实现了基于多个正弦波合成方波与三角波等非正弦周期信号的电路。使用TLV3501电路构成基准的300KHz的方波振荡信号，以74LS161、74LS74实现前置分频形成10KHz、30kHz、50kHz的方波信号，利用有源滤波器获得其正弦基波分量，以TLC085实现各个信号的放大、衰减和加法功能，同时使用有源RC移相电路实现信号的相位调节；使用二极管峰值包络检波电路获得正弦信号的幅度，以MSP430F14

2、7作为微控制器对正弦信号进行采样，并且采用点阵液晶实时显示测量信号的幅度值。关键词：方波振荡方波分频及滤波移相信号合成峰值检测MSP430F1471、方案设计1.1系统分析和整体设计根据题目要求，通过方波振荡电路产生方波信号，经分频后得到各路需要的信号，因此方波振荡电路产生的信号频率应为各路信号频率的公倍数。由于需要的信号频率为10KHz，30KHz和50KHz，其最小公倍数为150KHz，若使用偶数分频，则应产生f=300KHZ的方波,分别经过6分频、10分频和30分频得到10KHz、30KHz、50KHz的方波，然后经过滤波器得到相应

3、的正弦信号；用放大电路弥补分频滤波过程中的衰减，并将幅度调节至合成所需的比例关系。由傅里叶变换可以证明方波可表示为：三角波可表示为：所以频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ、70KHZ……对应幅值为的正弦波可合成方波，频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ、70HZ……对应幅值为的正弦波可合成三角波。同时，各分量对应的相位关系也由三角函数的形式及前面的符号所决定。因此，还需要通过移相使各频率的信号相位关系符合方波及三角波的合成要求，然后将对应幅度不同频率的正弦波形通过加法电路叠加成近似方波和三角波。同时，通过峰值检测电路检测各路正弦

4、信号的幅度，并通过MSP430单片机内置的AD对电压幅值进行采样及显示。整个系统的原理框图如图1.1所示。9方波振荡电路方波分频滤波信号放大波形移相波形叠加峰值测量液晶显示单片机处理系统图1.1系统框架图1.2系统方案设计、比较与论证根据题目要求对其中一些主要部分进行方案设计、比较与论证：1.2.1可调电压源设计方案集成稳压电路一般分为5部分，即交流降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、保护电路。交流220V电压经电源变压器降压整流得到直流电压Vin，此电压通过滤波电路输入到带过流保护功能的LM317集成稳压器输入端，在集成稳压器输出端

5、可得到1.25～37V直流电压。我们的制作的电源中有常用的定值电压±5V、±12V和±18V可调电压。1.2.2方波振荡电路方案本系统中的方波振荡电路是后续各级信号产生的基础，对频率准确度和稳定度的要求较高。方案一：555定时器组成的多谐振荡器，直接调节至300KHz左右的对称方波。此方案成本低廉，实现方便，但其稳定性受到外部元件的影响，在振荡频率较高时频率稳定度不够。方案二：使用石英晶振组成高稳定度的频率参考源，并使用计数器和集成锁相环芯片构成分频/倍频环，以产生300KHz的方波。该方法产生的信号稳定度高，但需要搭建石英晶体振荡电路，

6、并进行锁相环分频、倍频，电路较复杂。方案三：采用基于比较器和RC积分电路的方波产生电路。该电路结构简单，性能稳定，主要的限制因素在于比较器的速度。TI公司的轨至轨高速比较器TLV3501，具有4.5ns的翻转速度，结合适当的RC参数，可以达到300KHZ的振荡频率。因此。本系统采用方案三，此电路结构简单，产生的方波稳定性较好。1.2.3滤波电路设计方案本系统中需要得到的正弦波均来自于对应方波信号的基频，因此只需使用低通滤波器，并将截止频率设置为高于基波频率并低于谐波频率即可。方案一：使用TI集成低通滤波器芯片TLC041进行低通滤波。采用

7、晶振分频的方波作为芯片的外部时钟输入来控制滤波器的截止频率。该方案实现9简便，但灵活性较差，不便于截止频率的微调。方案二：同样使用TLC041集成滤波芯片，但是通过外接电容电阻来控制其内部时钟进行滤波。与方案一相比，灵活性较大。方案三：直接采用TI运放TL072及电阻、电容元件组成二阶巴特沃思低通滤波器进行有源滤波。方案一、二虽然充分利用了TI的滤波器件，可以在其工作频率范围内得到较好的结果，但是TLC041组成的低通滤波系统最高截止频率一般不超过40KHz，用于本题中的50KHz正弦波的滤波，衰减过大。因此，本系统中统一采用方案三，滤波

8、器结构清晰，截止频率可以进行充分的调节，具有较好的滤波效果，可以产生非常理想的正弦波。1.2.4移相电路设计方案移相电路对分频滤波后的各路正弦信号进行相位移动，使它们的相位关系满足信号合成的需