TI杯电子设计竞赛信号波形合成实验电路论文设计报告最终版.docx
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TI杯电子设计竞赛信号波形合成实验电路论文设计报告最终版
信号波形合成实验电路
摘要：
本系统利用TI公司MSP430F148处理器产生150KHZ的方波经由计数器74LS161构成的分频电路分频得到频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ的方波再经RLC波形变换电路和运放LF353构成的放大电路输出频率分别为10kHz、30kHz和50KHZ的正弦波信号，最后通过稳幅移相电路、加法器电路合成一个近似方波，波形幅度为5V的信号实现了信号波形的合成。
系统外加以MSP430F148为核心的显示电路可以即时显示信号在各时间段的幅度，精确度达到千分之一。
本系统合理地将模拟电路和数字电路相结合完成了基本部分和部分发挥部分的要求。
关键词：
波形变换分频移相加法器MSP430
一、系统方案论证
经过仔细分析我们认为此次信号波形合成实验电路可以由方波发生器模块、分频模块、波形变换模块、信号放大模块、稳幅移相模块、加法器模块、数显模块等构成。
方案论证与选择
（1）方波发生器电路方案论证与选择
方案一：
采用由NE555组成的或其它由门电路构成的方波发生电路。
这些电路外围电路较少设计比较简单，但是输出信号频率很难调到某一固定值而且受环境影响明显。
本系统中要求有固定的方波（150KHZ），固此方案不被我们采纳。
方案二：
由运算放大器构成的信号发生电路。
此方案具有模拟电路的不确定性的缺点且系统较复杂。
所以在本系统中也不采用。
方案三：
由单片机输出固定频率方波。
这种方案得到的方波频率稳定几乎不受外部环境影响，且由于本系统的数显模块需要用到单片机，用单片机输出固定频率方波不会增加任何外围电路只需增加程序，充分利用了电路已有资源。
此方案有效、稳定、经济。
固本系统的方波发生器模块采用此方案。
（2）分频电路方案论证
采用同步计数器74161构成分频电路。
（3）波形变换电路方案论证与选择。
方案一：
用由运算放大器构成的方波变正弦波电路。
该方案采用波形变换的方法用运算放大器构成的波形变换电路将方波先变换为三角波再用类似的方法将三角波变换为正弦波，从而实现将方波变为正弦波的目的。
但是，此种方案设计出的电路较复杂。
方案二：
用RLC振荡电路实现波形变换。
由于RLC振荡电路可以发生谐振，输出正弦波。
它的电路结构极其简单。
在本实验电路中为了减小系统复杂性保证系统稳定性，于是采用本方案。
（4）信号放大电路方案
用由LF353构成的反向运算放大器实现信号的放大。
（5）移相电路方案论证
方案一：
用RC移相网络构成移相电路。
此种移相方法移相后的信号衰减很大，移相后需要进行放大处理。
无疑增加了系统的复杂性和不稳定性。
方案二：
用运算放大器构成的稳幅移相电路。
这种方法不但能达到RC移相网络的移相效果还能稳定信号幅度不发生大的改变。
我们选此种方案为本系统的移相电路。
其基本电路原理图如下：
图1基本移相单元电路
（6）信号合成电路方案
用由LF353构成反向求和运算电路实现两信号的合成。
系统总体框图
图2系统总体结构框图
二、理论分析与参数计算：
（1）RLC波形变换电路分析与参数计算
选取合适的电容值C、电感值L用RLC网络可以通过谐振将固定频率的方波变成相应的正弦波。
通过公式
我们可以计算出当输入方波信号频率为10KHZ、30KHZ时的电容值和电感值。
将公式
通过变换得
在本系统中我们选取常用电感，电感值L=1mH，将ω=2πf，f=10KHZ、f=30KHZ分别代入式子
，可以计算出产生谐振所需的电容值。
在本电路中我们取
、
经过适当的调节即可得到我们所需要的波形。
（2）加法器电路分析与参数计算
本方案中使用的是反向求和运算电路。
图3加法器电路原理图
在上图中，由虚短可知：
V-=V+=0……a，另外，由虚断及基尔霍夫定律可知，通过R2与R1的电流之和等于通过R3的电流，所以可以得到以下公式：
（V1–V-）/R1+（V2–V-）/R2=（Vout–V-）/R3……b，代入a式，b式变为V1/R1+V2/R2=Vout/R3。
在本实验电路中参与合成的两信号按照1:
1比例相加,取电阻值为10K
即R1=R2=10K
，则上式变为Vout=V1+V2。
为了保证集成运放输入级差分放大电路的对称性我们取R4=R1//R2=5K
。
三、电路与程序设计：
硬件电路设计
（1）分频电路设计与器件选择
采用二进制同步计数器74161构成分频数分别为三分频、五分频、十五分频的分频电路。
电路原理图如下：
图4 a三分频电路原理图 b五分频电路原理图 c十五分频电路原理图
（2）RLC波形变换电路
为了使RLC波形变换电路容易调节，我们固定电感L值不变单独调节电容C值，以找到最佳谐振频率点。
对于不同频率的输入方波信号，我们在理论值的指导下改变电容C值的大小，经过仔细调节，可以找到不同输入频率下的对应电容值。
下图是10KHZ和30KHZ波形变换电路的原理图：
图5a10KHZ方波变换正弦波电路 b30KHZ方波变换正弦波电路
（3）信号放大电路
采用常用运放芯片LF353构成反向放大器，运放的同向端接地=0V，反向端和同向端虚短，反向输入端输入电阻很高，虚断。
R1和R2相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过R1的电流和流过R2的电流是相同的。
经简单推导可得输出电压：
Vout=（-R2/R1）*
.信号放大电路Multisim仿真结果图见附图1
图6用运放LF353构成的放大电路
（4）移相电路的设计
为了保证信号移相后的幅度不发生大的衰减，我们采用由TI公司的单运放UA741CP和移相RC电路构成移相电路。
该电路的移相范围在-90度~90度。
移相Multisim仿真结果图见附图2
图7移相电路原理图
数显部分程序设计
我们采用TI公司的超低功耗单片机MSP430作为控制核心，单片机绝大部分时间都工作在低功耗模式，且其内部自带12位A/D可以完成对模拟信号的高精度转换，最后将测量数值在液晶上显示，其测量误差可以保证在5％以内。
下图为用于实现对信号波形进行测量并在数显装置上显示的程序流程图：
图8 数程序流程图显
四、系统测试
测试方案与测试结果
（1）测试波形变换电路的可靠性。
提供峰峰值为5V，频率分别为10KHZ、30KHZ的方波用RLC选频网络分别对这两个信号进行波形变换。
用示波器测量发生谐振时的正弦波频率以及峰峰值。
记录五次测量数值记录如下：
10KHZ波形变换电路
次数
1
2
3
4
5
平均值
频率（KHZ）
9.85
9.87
10.15
9.95
10.21
10.06
峰峰值（V）
0.421
0.412
0.423
0.418
0.426
0.420
30KHZ波形变换电路
次数
1
2
3
4
5
平均值
频率（KHZ）
30.96
32.85
28.12
29.18
29.64
30.15
峰峰值（V）
0.412
0.432
0.441
0.421
0.438
0.429
测试结果分析
将上述每组测量数据取平均值，得到结果与理论计算值进行比较，频率与理论计算结果很接近在本实验电路允许的误差范围之内，波形幅值衰减比较大在12倍左右，可以通过放大电路放大到理想值。
因此此电路可以达到题目要求。
（2）系统整体性能测试
将整个系统各模块电路连接在一起测试。
用示波器观察检测最后由基波和三次谐波合成的波形图并记录峰值。
通过缓慢调节移相器我们可以观察到一个近似方波。
同时记录下峰值大小：
组数
1
2
3
4
5
峰值（V）
4.89
5.01
5.12
5.10
4.98
通过分析观察到的实验现象和实验数据结果，可以得知本系统电路达到了基本要求指标和部分发挥部分要求。
附：
放大电路图Multisim仿真结果
图1
移相电路图Multisim仿真结果
图2
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