推荐优秀采用NE555芯片进行信号波形合成设计 精品.docx
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内容摘要：
本系统采用NE555芯片作为方波发生电路产生120kHz的方波信号，然后利用十进制计数器CD4017和双D触发器CD4013将120kHz的矩形波信号分频，得到10kHZ、30kHZ三种不同频率的方波，将方波信号经滤波处理后，得到单频的正弦信号，产生的信号波形应无明显失真，为了保证最终波形的叠加效果，使用幅度与移相调节电路对两路信号进行调整，两路信号进入加法器叠加，最终得到近似的合成波形。
系统主要由四大模块构成：
方波发生电路，分频滤波电路，幅度与移相调节电路和波形合成电路构成。
关键词：
方波振荡器分频与滤波移相电路加法器单片机
前言
本设计的任务是使学生获得信号与系统分析方面的基本理论、基本知识和基本技能,培养学生分析问题和解决问题的能力,为深入学习通信、电子信息类专业有关课程及以后从事专业工作打下良好的基础。
本设计的特点是应用的数学工具多、公式多,数学演绎复杂。
如何把抽象的数学语言和具体的物理概念与实际应用联系起来,也是学习中要解决的重要问题。
为了达到这一目的,课程实验是一个必不可少的环节。
让学生有机会尽早接触正弦波、方波等周期信号以及调幅波、调频波等调制信号,通过多观察、多测试、多分析,理论联系实际,举一反三,融会贯通,掌握观察、测试和分析信号与系统的基本方法,培养使用基本分析工具的能力。
为此我们引入信号的分解与合成来解决这样的问题。
从而有了我们这次的课题——信号波形合成。
学生可以通过示波器来观察试验结果是否与理论一致,观察出现的误差并分析原因。
经过实验课程的不断尝试,证明实践性教学能够加强学生对相关知识的掌握和理解,而且通过实验,锻炼学生用模拟，数字电路理论分析解决实际工程问题的能力,不仅大大提高学生的动手能力,而且为后续的相关课程的学习以及奠定了坚实的基础。
1系统方案设计及论证
1.1系统总体方案
本系统采用NE555芯片作为方波发生电路，产生稳定的120kHz的方波信号，将信号进行分频滤波处理，得到10K、30K二种不同频率的正弦信号，为了保证最终波形的叠加效果，使用调幅移相电路对二路信号进行调整，二路信号进入加法器叠加，最终完成波形合成。
如图1-1：
图1-1
1.2电源系统
考虑到直流电流电源。
我们用四个1N4007四个晶体管构成桥式整流桥。
，将220V50Hz的交流电转换为直流电。
该直流稳压电源的稳压电路选用由LM7805和LM7905三端固定式集成稳压器组成稳压电路，他们能满足放大器所用直流稳压电源，其整流滤波电路采用桥式整流、电容滤波电路。
该电路的特点是它们共用两组组整流、滤波电路，且有共同的公共端，可以同时输出正、负电压，使用十分方便，电压稳定性好。
其原理图如图1-2：
图1-2
1.3方波合成系统
1.3.1方波信号发生器
方案一：
集成运放
利用集成运放构成的比较器和电容的充电放电，可以实现集成运放的周期性翻转，进而输出端产生一个方波信号。
方案二：
NE555定时器
利用NE555内部灵敏的比较器以及电容的充放电实现方波的的输出
方案比较：
采用方案一,用集成运放产生方波,电阻、运放会产生热噪声，使得电路的噪声增大。
NE555定时器内部的比较器灵敏度比较高,振荡频受电源电压和温度变化的影响很小，实现起来也不难，因此选用该方案。
1.3.2分频模块
利用CD4017B十进制计数器，以及TI公司的D触发器CD4013，分别对120kHz的方波信号进行12分频得到10kHz方波信号，进行4分频得到30kHz方波信号。
1.3.3滤波模块
任何一个周期性函数都可以用傅立叶级数来表示，这种用傅立叶级数展开并进行分析的方法在数学、物理、工程技术等领域都有广泛的应用。
例如要消除某些电器、仪器或机械的噪声，就要分析这些噪声的主要频谱，从而找出消除噪声方法；又如要得到某种特殊的周期性电信号，可以利用傅立叶级数合成，将一系列正弦波形合成所需的电信号等。
其原理为：
傅里叶解析认为任意一个逐段光滑的周期函数
均可分解出相应的三角级数，且其级数在每一连续点收敛于
，在每一个间断点收敛于函数
的左右极限的平均值。
反映到电子技术领域中，就是说任意一个非正弦交流电都可以被分解成一系列频率与它成整数倍的正弦分量。
也就是说我们在实际工作中所遇到的各种波形的周期波，都可以由有限或无限个不同频率的正弦波组成。
一个非正弦周期波可以用一系列频率与之成整数倍的正弦波来表示。
反过来说，也就是不同频率的正弦波可以合成一个非正弦周期波。
这些正弦波叫做非正弦波的谐波分量，其中频率与之相同的成分称为基波或一次谐波。
谐波分量的频率为基波的几倍，就称为几次谐波，其幅度将随着谐波次数的增加而减小直到无穷小。
波形所含有的谐波成分，按频率可分成两种不同的谐波。
一种频率为基波的1，3，5，7…..倍的谐波，称为奇次谐波；另一种频率为基波的2，4，6，8……倍的谐波，称为偶次谐波。
有些信号中还存在一定的直流成分，可看做零频率的谐波分量，也属于偶次谐波。
分解方法：
傅里叶分解公式
周期为T（角频率
）的周期量f（t）可分解为
将正弦函数展开，还可得到另一种形式
其中
称为傅里叶系数，可按下式计算
式（5.1）中的
本设计采用单运放带通滤波器将方波转换成正弦波，一阶带通滤波器滤去方波中高次谐波分量，只留F基波正弦分量。
用集成运放和RC网络组成的有源滤波器则比较适用于低频，它还具有一定的增益，且因输入与输出之间有良好的隔离而便于级联。
1.3.4幅度和相位调节模块
采用RC移相电路，在R-C串联电路中，若输入电压是正弦波，则电路中各处的电压、电流都是正弦波。
从相量图可以看出，以电阻电压作为输出电压时，输出电压相位超前输入电压相位一个φ角，如果输入电压大小不变，则当改变电源频率f或电路参数R或C时，φ角都将改变，而且A点的轨迹是一个半圆。
同理可以分析出，以电容电压作为输出电压时，输出电压相位滞后输入电压相位一个φ角。
因此，不论以R端或C端作输出，其输出电压较输入电压都具有移相作用，这种作用效果称阻容移相。
RC移相电路主要是由电容器的电流超前电压90度这一特性，使得RC之间的相位关系，超前或滞后，从而使相位发生变化。
1.3.5加法器合成模块
利用集成运算放大器实现信号的合成，在进行电压相加的同时，仍能保证各输入电压及输出电压间有公共的接地端。
由于"虚地"点的"隔离"作用，输出电压分别与各个输入电压间的比例系数仅仅取决于反馈电阻与各相应输入回路的电阻之比，而与其他各路的电阻无关。
因此，参数值的调整比较方便。
1.4幅值显示系统
1.4.1幅值检测模块
本设计采用桥式全波整流滤波的方式将正弦波转换成易测量的直流量。
如下图1-3，图1-4：
图1-3
经过电容滤波后的值为：
近似认为
。
图1-4
1.4.2模数转化模块
方案一：
ADC0809
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，转换时间约为100us。
方案二：
TLV1544
TLV1544是CMOS10位开关电容逐次逼近10位分辨率A/D转换器，器件片内具有11通道多路转换器，TLV1544可工作在宽电源电压范围，其转换间<10us。
方案三：
TLC2543
TLC2543是12位串行A/D转换器，可以节省I/O端口，转换时间为10us，具有线性误差。
方案比较：
TLV1544采用宽范围的单电源供电，芯片内部有着较高的转换速率，转换时间小于10us；在试验中我们采用IT公司提供的TLV1544，采用方案二。
1.4.3显示模块
方案一：
LCD1602液晶显示
液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。
方案二：
数码管显示
数码管是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较多，但是显示内容少。
方案选择：
综上，我们采用方案一，以达到题目要求。
2.硬件设计
2.1正弦波合成设计
2.1.1方波发生电路
本设计采用555定时器作为方波产生芯片。
利用CD4013进行二分频将其占空比调整为0.5。
集成555定时器因为其内部有3个精密的5KΩ电阻而得名。
后来国内外许多公司和厂家都相继生产出双极型和CMOS型555集成电路。
虽然CMOS型3个分压电阻不再是5KΩ,但仍然延用555名称。
555定时器是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成电路。
该电路功能灵活、适用范围广，只要外围电路稍作配置，即可构成单稳触发器、多谐振荡器或施密特触发器，因而可在定时、检测、控制、报警等方面。
CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。
每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。
在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。
置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。
在本电路中，555定时器主要作为构成产生方波的多谐振荡器的器件。
其电路图与工作波形如下图2-1（a）（b）所示：
图2-1
工作原理:
当接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。
当Uc上升到2VCC/3时，Uo=0，T导通，C通过R2和T放电，Uc下降。
当Uc下降到VCC/3时，Uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。
如此重复上述过程，在输出端Uo产生了连续的矩形脉冲。
其第一个暂稳态的脉冲宽度tp1，即uc从VCC/3充电上升到2VCC/3所需的时间：
tp1≈0.7（R1+R2）C
第二个暂稳态的脉冲宽度tp2，即uc从2VCC/3放电下降到VCC/3所需的时间
tp2≈0.7R2C
振荡周期：
T＝tp1＋tp2≈0.7（R1＋2R2）C
根据以上公式：
将R1=1k，R2为滑动变阻器，调节R2的阻值即可改变振荡周期与频率。
多谐振荡器输出120kHz的频率之后，经过4013分频之后，即可得到需要的波形。
2.1.2分频电路
本设计采用CD4017对120kHz的矩形波进行一次分频分别得到20kHz、60kHz的矩形波，然后用CD4013进行第二次分频得到占空比为0.5的10kHz、30kHz方波信号。
CD4017为十进制计数／分频器，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
CD4017有10个输出端（O0～O9）和1个进位输出端～O5-9。
每输入10个计数脉冲，～O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
CD4017有3个输入（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1～O9）均为低电平。
CP0和～CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CPl端输入。
CD4017在本电路中的功能：
其功能是：
当复位端Cr加上高电平和正脉冲时，输出端Q0为高电平，其余9个输出端Q0～Q9均为低电平。
时钟输出端CP对输入时钟脉冲的上升沿计数，EN则对时钟脉冲的下降沿计数。
Q0～Q9这10个输出端的输出状态分别与输入的时钟个数相对应。
如从0开始计数，则输入到第1个时钟脉冲时，Q1就变成高电平，输入第2个时钟脉冲时，Q2变成高电平……直到输入第6或第2个时钟脉冲，Q6或Q2变为高电平，然后复位，继续循环。
这样就会将20kHz，60kHz的矩形波分出来。
CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。
每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。
在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。
置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。
在本电路中，CD4013主要的的作用是进行二分频并将矩形波转换成占空比为0.5的方波信号。
分频电路的总电路图如下图2-2：
图2-2
2.1.3滤波电路
本电路采用LM324构成带通滤波器进行滤波。
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，lm324原理图如图2-3所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
lm324引脚图见图2-4所示。
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
图2-3图2-4
图2-5
在本设计中采用单运放带通滤波器，其原理图如图2-5所示。
2.1.4幅度和相位调节
本实验采用模拟移相，由R、C组成滞后移相网络进行移相，实现了对一定频率的输入信号进行相移，经过幅度和相移网络后，该信号发生幅度和相位的变化。
如图2-6所示。
图2-6
2.1.5加法电路
利用集成运放LM324实现信号的合成，在进行电压相加的同时，仍能保证各输入电压及输出电压间有公共的接地端。
由于"虚地"点的"隔离"作用，输出v分别与各个v间的比例系数仅仅取决于R与各相应输入回路的电阻之比，而与其他各路的电阻无关。
因此，参数值的调整比较方便。
其原理图如图2-7所示。
图2-7
2.2幅度显示系统
幅值检测电路采用整流滤波的方式将正弦波转换成平稳的正电压，并利用TLV1544进行模数转化，然后将转换后的数据送入单片机处理显示在LCD1602液晶显示器上。
2.2.1单片机最小系统
单片机是随着大规模集成电路的出现极其发展，将计算机的CPU，RAM，ROM，定时/计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成了芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机（singlechipmicroputer）.它拥有优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗的显著优点.主要应用于智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面,并且取得了显著的成果.单片机应用系统可以分为:
（1）最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。
这种系统成本低廉,结构简单，常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等。
片内有ROM/EPROM的单片机，其最小应用系统即为配有晶振，复位电路，电源的单个单片机.片内无ROM/EPROM的单片机，其最小应用系统除了外部配置晶振，复位电路，电源外，还应外接EPROM或EEPROM作为程序存储器用.
（2）最小功耗应用系统是指为了保证正常运行，系统的功耗最小.（3）典型应用系统是指单片机要完成工业测控功能所必须的硬件结构系统。
80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上[2]。
如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。
它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。
但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。
1微处理器
该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。
2数据存储器
片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。
3程序存储器
由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。
4中断系统
具有5个中断源，2级中断优先权。
5定时器/计数器
片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。
6串行口
1个全双工的串行口，具有四种工作方式。
可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。
7P1口、P2口、P3口、P4口
为4个并行8位I/O口。
8特殊功能寄存器
共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。
实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
最小应用系统设计
80C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图2-8所示。
由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
其应用特点：
（1）有可供用户使用的大量I/O口线。
（2）内部存储器容量有限。
（3）应用系统开发具有特殊性。
图2-8
1、时钟电路
80C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。
80C51单片机的时钟产生方法有两种。
内部时钟方式和外部时钟方式。
本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。
本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。
振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。
电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度
有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。
所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF。
在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。
为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。
2、复位电路
80C51的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。
时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1KΩ。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。
本设计就是用的按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
按键手动复位电路见图2-9。
时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200Ω，RK取1KΩ。
图2-9
2.2.2模数转换电路
此电路采用TI的模数转换芯片TLV1544， TLV1544是TI公司生产的CMOS型10b模数转换芯片，其内部采用开关电容逐次近似来得到模数转换结果。
芯片有4路模拟信号输入通道，通过芯片内部参数设置选择不同通道输入，进行A／D转换输出。
该器件非常适合于数据分析仪器仪表、医疗监护仪等，通过多通道输入不同信号并转换为数字信号，经DSP或微处理器进行数字信号处理得出所需的不同参数的值。
TLV1544的引脚功能如表2-10所示，封装图如图2-11所示，其与单片机的接口方式如图2-12所示。
图2-11图2-10
图2-12
2.2.3LCD1602液晶显示器
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
显示质量高：
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
数字式接口：
液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
体积小、重量轻：
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
功耗低：
相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
液晶显示简介
①液晶显示原理
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
②液晶显示器的分类
液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。
除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。
③液晶显示器各种图形的显示原理:
字符的显示
用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显
本设计采用的是LCD1602字符型液晶显示器，其外观图如图2-13，主要参数及接口信号说明，如下表2.1.
图2-13LCD1602外观图
表2.11602型LCD的接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
12
D5
DataI/O
5
R/W
读写选择端（H/L）
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负极
1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
引脚接口说明表：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，
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