模电邀请赛XY信号产生与图形显示C题.docx

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模电邀请赛XY信号产生与图形显示C题

全国大学生电子设计竞赛

2012年TI杯模拟电子系统专题邀请赛

设计报告

题目：

X-Y信号产生与图形显示（C题）

日期：

2012年8月29日

一、设计任务和要求

设计任务是制作一个X-Y信号产生与图形显示装置，示意图如图1所示。

图中示波器工作在X-Y方式；外加正弦信号的频率为1MHz左右，电压峰峰值为2V。

设计要求是

（1）制作一组移相分别为0°、45°、90°、180°的移相电路，完成对外加正弦信号的移相，作为Y轴信号，直接使用外加信号作为X轴信号（见图1的A信号），示波器显示的X-Y图形正确。

（2）设计并制作一个2分频电路，完成对外加正弦信号的2分频，作为X轴信号。

（如图中B信号）设计并制作一个单位增益的程控移相电路，相移值可以通过MSP430进行设置。

（3）利用设计的移相电路组成一个移相范围为0～180°的移相电路，并能结合A和B两种X轴信号，在示波器上显示对应的X-Y图形，要求X-Y图形显示正确。

（4）能在MSP430的控制下完成0～180°的自动循环移相，并能结合A和B两种X轴信号，在示波器上动态地显示X-Y图形。

要求X-Y图形显示正确，循环移相周期大约为15秒。

图1电路示意图

二、系统方案与理论分析与计算

1、移相电路的设计方案

方案一：

采用有源运放移相，利用电路中的RC网络产生相移，通过控制R、C的大小来控制移相的角度。

方案二：

采用无源的RL网络来移相。

通过相移的角度，我们可以准确的计算出R、L的大小。

因为方案二消耗的功率小，而且性价比高。

所以我们采用的是方案二。

（1）0°的相移就是原输入信号，不用改变。

（2）45°的相移的电路图：

通过计算和仿真，我们得到L=22uHR=125Ω。

（3）90°的相移我们采用了两个45°的相移网络串联来构成。

（4）180°的相移网络我们采用了三个60°的RL相移网络串联来构成。

由于移相后电路的输出电压很小，设计要求我们的移相增益为1。

所以我们必须对电路的增益进行修正。

经过综合考虑我们采用的电路为同相比例放大，采用的运放为OPA890。

通过调节电路中的滑动变阻器来调节增益大小，使其达到要求值1。

增益调节电路：

该电路的增益G=1+R4/R1调节R4的大小就可以调节电路的增益。

通过计算和调试可知，45°移相的R4=10k，90°移相电路的R4=10k，180°移相电路的R4=100k。

2、二分频电路的设计

框图：

我们采用的是利用D触发器的上升沿触发对输入的时钟信号（也就是1MHZ的正弦信号源）进行二分频。

CD74HCT74是一块具有清零和预设功能的双路D类上升沿触发器，它的管脚图：

把2号和6号（也就是D和Q的反）连在一起，3号管脚接输入信号。

5号管脚为输出。

由于Q=D,D=Q的反。

所以Q在输入的CLK信号的上升沿翻转，从而实现二分频。

通过仿真我们得到波形：

证实了分析的结果。

实际焊接的电路，通过示波器显示可得图：

500KHZ的低通滤波器的设计。

由傅立叶级数对方波予以分解可得

，由此可知，只要将方波的奇次谐波滤掉，那么就会的到一个和方波同频的正弦信号。

故将方波信号通过一个500KHZ的低通滤波器，就可以的到500KHZ的正弦信号。

3、单位增益的程控移相电路的设计

对于一个RC网络的移相电路。

我们可以通过控制RC的大小来控制移相的角度。

KV1360是可变电容的二极管。

它的样图和原理图：

它的电容随电压变化的关系：

我们可以通过可通过DAC产生的电压来改变其电容值，实现程控移相。

移相电路：

图中2,3两端为输出。

通过调节R3的大小以及改变V2的大小可以实现相位在0°-—45°之间变化。

实际上V2即是DAC产生的电压。

为使移相电路的增益为1，我们也添加了一个同相比例放大电路。

在输出的两端串联一个0.1uf的电容可以隔离掉加入的直流信号。

从而是输入更稳定。

4、移相电路组的设计

0°～45°的移相可以直接由程控移相电路产生；

45°～90°的移相可由45°移相电路与程控移相电路串联产生；

90°～135°的移相可由45°移相电路与程控移相电路串联产生；

135°～180°的移相可由45°移相电路、90°移相电路与程控移相电路串联产生。

相移值可以通过MSP430进行设置

三、电路与程序设计

1、45°,90°,180°的总电路：

2、分频网络电路：

3、程序设计：

本设计采用了TI公司的MSP430F5529单片机。

主要通过它来控制DA的输出，从而控制电压实现程控移相。

还利用单片机来实现按键控制的功能。

整个项目的程序编制尤为简单，如下框图所示。

YES自动移相

NO

NOSPI发送

YES数据不变

四、测试方案与测试结果

1、整机指标

（1）要求移相电路的增益为1，增益误差不大于5%，移相误差不大于5°。

（2）程控移相电路，要求移相范围为0～45°；移相的步进不大于15°，移相误差不大于5°，增益误差不大于5%。

（3）移相范围为0～180°的移相电路，移相的步进不大于15°，移相误差不大于5°

2、测试方案及测试结果

系统调试时，先对各个移相电路进行调试，调节电阻，改变电容。

必须要让各个子电路达到设计指标。

然后将各个电路级联，整机调试，使整个电路达到设计指标。

本设计基本可以实现设计要求的指标。

X-Y图形就是李沙育（Lissajous）图形的多种扩展。

比如，假设X轴信号和Y轴信号分别为0.5MHz和1MHz的正弦信号，信号电压峰峰值相等，在起始时刻相位相同，对应的X-Y图形，也就是Lissajous图形：

用示波器显示的图形：

45°相移与原信号的X-Y图形：

90相移与原信号的

180°相移与原信号的X-Y图形：

五、设计心得：

为时37个小时的设计终于结束了，这样高度集中地长时间做一件事情，没有团队的合作和相互之间的鼓励是没办法完成的，很感激队友。

这次设计通过实现移相电路的设计，以及信号之间的变换，把得到的信号作为X,Y轴信号的输入，在示波器上显示得到我们想要的X-Y图形显示。

同时我们还利用了TI的单片机实现了人机控制，更方便的调节相位的变化。

该电路具有较高的精度和调节的灵活性。

在焊接过程的信号处理中也达到了预期的效果。

六、参考资料：

[1]华成英，童诗白.模拟电子技术设计[M].北京:

高等教育出版社,2001.

[2]黄根春.基于TI器件设计方法.北京:

电子工业出版社,2011.