信号波形合成实验电路设计Word格式文档下载.docx
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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
采用高速A/D进行交流电压检测，并用LCD显示；
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。
10KHz10KHz6Vpp
正弦波10KHz
30KHz30KHz2Vpp
正弦波30KHz
1.5MHz
50KHz50KHz1.2Vpp
正弦波50KHz
+12V
220V/50Hz-12V
+5V
-5V
+3.3V
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：
方波：
U（t）=
（sinωt+
sin3ωt+
sin5ωt+
sin7ωt+…）
三角波：
（sinωt-
sin5ωt-…）
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。
R4R5C
R3
uiR1CAuouiR1C
uo
CR3R2
R2
图2压控电压源二阶带通滤波器图3无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波器
在图3中，电路的传输函数：
（1）
上式中：
为带通滤波器的中心角频率。
、
分别为带通滤波器
的高、低截止角频率。
中心角频率：
（2）
通带中心角频率
处的电压放大倍数：
（3）
（4）
品质因数：
（5）
设计指标：
Q=7，
0=30KHz，取
，则
R1=55.73K
≈56K
，R3=222.92K
≈220K
，R2=1.16K
≈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
的频率点，低于f0的频率超前相移，高于f0的频率作滞后相移。
若将R0作∞～0Ω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=15.92KΩ。
在实际电路中，用24KΩ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
三、
电路与软件设计
1．方波产生电路设计
石英晶体的选频特性非常好，可用其与反相器一起产生方波信号。
图5方波产生电路
如图5,反相器为TTL门电路，则R1、R2常选取0.7～2KΩ；
C1和C2用作反相器间的信号耦合；
最后一级反相器用作提高输出驱动能力。
2．巴特沃斯低通滤波器设计
以TI的TLC04巴特沃斯低通滤波器芯片来实现。
其中，该四阶低通滤波输出截止频率fout为输入时钟频率的1/50,且其最大截止频率为30KHz。
为此，可用其来实现10KHz,30KHz方波信号提取其基波，从而分别得到10KHz、30KHz的正弦波信号。
图6巴特沃斯低通滤波器设计
其中，设计的截止频率分别为10KHz、30KHz，所需的500KHz、1.5MH时钟信号由CPLD分频得到。
3．50KHz带通滤波器设计
图750KHz带通滤波器电路图850KHz带通滤波器仿真结果
根据前面的参数计算结果，设计的50KHz带通滤波器如图7，图8是仿真结果。
可看出，较好达到设计要求。
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：
1.2Vpp,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=24KΩ
61.53
21.88
12.65
相差（度）
104.2
116.27
101.33
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
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。
图12合成近似三角波的求和电路 图13合成近似三角波电路仿真结果
６．电压检测及显示电路设计
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±
1２V、±
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±
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。
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。
从测试结果可看出，所设计的滤波器性能完全能满足要求。
（2）移相电路测试结果
由于示波器只有两路，无法同时显示三个正弦波信号，只好先调两个信号，然后再交换另一路信号的方法进行调试。
如：
先测试10KHz和30KHz的相位。
调整电位器的电阻，使得两路信号的过零点重合，此时10KHz信号的一个周期，应刚好含三个周期的30KHz信号，如图16。
图1910KHz和30KHz信号相位关系
调试结果，改变电位器Rw1的电阻，较好地实现约100度范围的移相功能。
由于三路正弦波信号都经过相同的放大等处理电路，相差不是很大，此移相范围基本能满足要求。
若不够，可调整CPLD分频输出信号的相位，从而实现任意角度的移相要求。
（3）正弦波电压测试结果
分别输入10KHz，30KHz，50KHz的正弦波信号，电压检测的测试结果见表1.
表1电压检测结果
Vi（mv）
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
2750
3000
Vo（mv）
966
1215
1465
1787
2050
2299
2533
2782
3032
其中，Vi、Vo分别是输入电压的峰值及其测试结果。
从测试结果可看出，测量误差均在5%以内。
为提高测试精度，测试电压为放大至1v以上（峰值）。
（4）近似方波及三角波的合成结果波形
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.
附录
1．作品照片
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．元器件清单
电源模块
Designator
Value
Comment
Quantity
备注
D5
BB1117
1
TI公司芯片
U2
LM337BT
U1
LM317BT
U3
U4
C10
103
Cap
C11
104
C12
C15
C17
C18
C20
C22
C23
C25
C5
C6
C9
T
TransCT
D
Bridge1
C13
100uF
CapPol1
C14
C16
C19
C21
C24
C26
10uF
C7
C8
C1
3300uF
CapPol3
C2
C3
C4
Rp1
2.2K
RPot
Rp2
R7
250K
R1
120
ResSemi
R2
R3
R4
360
R5
R6
方波产生及分频电路电路
100pF
1K
74LS04
Y
6MHz
晶体
BB1117-3.3
LDO
TI公司
AMS1117-2.5
EPM1230
CPLD
滤波电路（低通滤波）
LibRef
5K
Res1
10K
OP07C
TLC04
2
滤波电路（带通滤波）
220K
56K
1.1K
200pF
TL084
U5
方波合成移相电路
R0
2K
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
R17
RW1
24K
RP1
1nF
U6
三角波合成移相电路
P1
P2
OP07
U7
U8
U9
U10
U11
合成电路（合成方波）
12K
电压检测
20K
RL
0.1uF
1uF
CaV
4.7uF
TLC549CD
AD563
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