数字波形合成器.docx

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数字波形合成器

电子技术课程设计

实验报告

数字波形合成器

一、实验背景

在某些场合，对于信号的频率，相位及其失真度要求较高。

例如，在精密陀螺测试中，对于400Hz三相正弦交流电源的这些参数要求就很严格，它要求频率稳定度△f/f≤0.0001，相位误差小于等于3度，正弦信号非线性失真系数小于1%等。

如果这些指标不满足，将会使陀螺角动量变动，电动机升温，产生干扰力矩，从而影响陀螺马达的正常工作和测试。

本课题要求采用数字合成技术，通过使用晶体振荡器，分频器及D/A转换器等数字波形合成方案，输出高频率相位稳定度高的波形。

二、实验目的

1.进一步学习电子电路系统的设计方法和实验方法；

2.进一步掌握Multisim仿真设计工具;

3.着重培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

三、实验要求

1.设计具有高频率稳定度和高相位稳定度的两相正弦信号源；

2.两相正弦信号频率f=400Hz；

3.两相信号A、B之间相位差90度；

4.幅值Vm=5V±0.2V。

四、设计原理

设要合成的正弦波频率为

幅值为

。

首先将它的一个周期分为N等分，用具有N个阶梯的阶梯波来逼近所要求的正弦波，如图1所示。

可见N越大，其逼近程度越好，失真也越小。

图1阶梯正弦波

数字波形合成器主要就是合成这种阶梯波形，然后通过低通滤波器滤除高次谐波分量从而获得所需的正弦波。

图2为正弦阶梯波合成器的原理框图。

其中脉冲发成器的振荡频率F与正弦波的频率f之间的关系为

即，

式中，N为分频器的分频系数，也称计数器的有效状态数。

计数器的N个有效状态与正弦波的N等分对应，也就是与阶梯波的N个阶梯对应。

用上述N个状态变量,分别控制正弦波加权D/A转换器的权电阻（该权电阻值等于该状态所对应当正弦值），就可以得到阶梯正弦波。

当要求输出相位差为φ的两路正弦波时，两路阶梯波对应的阶梯应错开M个计数器的状态，即

式中，

为计数器两个相邻状态之间的相位差。

5、实验实现

1.振荡器

把石英晶体与对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来就组成图3所示的石英晶体多谐振荡器。

图3晶体振荡器

由石英晶体的电抗频率特性可知：

当外加电压的频率为

时它的阻抗最小，所以把它加入多谐振荡器的正反馈环路中以后，频率为

的电压信号最容易通过它，并在电路中形成正反馈，而其他频率信号经过石英晶体时被衰减。

因此振荡器的频率也必然为

.由此可见，石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率，而与外接电阻，电容无关。

石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。

它的频率稳定度可达10e-10—10e-11,可以满足设计要求。

2.N分频器

采用6个D触发器构成6位扭环形计数器，实现12分频。

此时每一位Q输出都是400HZ，如图4所示

图46位扭环形计数器

计数器一共提供了12路输出，这12路输出每相邻两路相差30度。

其时序图及增量式阶梯正弦波图如图5所示。

图56位扭环形计数器时序图及增量式阶梯正弦波合成原理

要求输出的正弦波相差

，即隔开3个

。

因此第一路的输出状态变量为

第二路

。

3.正弦加权DAC

由电阻网、受数字控制的模拟开关、基准源

三部分构成。

图6A相正弦加权DAC

解码网的特点

每位一个电阻，称为位电阻，n位需n个电阻；取值上（电阻），按二进制整数代码权的规律取值：

、

、…、

，例如n=8，R=15K，则位电阻依次为：

、

、…、

；

4.二阶低通滤波器（LPF）

低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。

如图7（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。

它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。

图7（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。

（a）电路图　　　　　　　　　　　　　（b）频率特性

图7二阶低通滤波器

电路性能参数

　二阶低通滤波器的通带增益。

截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。

品质因数，影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

6、总体电路及仿真结果

合成两相频率为400赫兹、相位差为90度、幅值为5伏的正弦波信号电路如图5所示。

波形发生器可以采用频率稳定性好的石英晶体震荡电路。

这里N进制计数/分频器采用六位扭环型计数器,U1～U6为6个带有异步置位、复位端的D型触发器。

六位扭环型计数器共有12个状态（N=12）,每两个相邻状态间在相位上相差30度。

数字波形合成器仿真电路图如图8所示。

图8数字波形合成器仿真电路图

仿真结果如图9所示。

图9仿真结果

七、调试与结果分析

1.滤波电路中没有合适的电阻值，采用电阻的串联完成。

2.uA741芯片是有误差的，尤其是2片输出的幅值并不是严格相近，当然这和外围电路并不完全一样有一定关系。

在这时可以稍微调节反馈电阻，使其增加，将输入增大一些，输出的幅值改变很明显；反复调节直到电压达到5V±0.2V。

3.实验过程中，电阻值很难与理论值选用一致，只能使用大小相近的，这就导致了很多问题，其中波形失真是最为突出的一个。

在调试时，最好采用最为相似的组合。

八、实验心得

首先，使我对每个元器件的原理及性能有了更深入的理解和认识，较好的掌握了数字波形合成器的设计、组装与调试方法，进一步掌握了其工作原理。

其次，加深了我对理论知识的理解，进一步将在书本上面所学到的只是运用到实际的项目之中，做到了书本与实践的相结合。

同时，进一步学习了数电知识与电子电路系统的设计方法和实验方法。

最后，复习了Multisim仿真设计工具，提升了独立分析问题和解决问题的能力；为以后从事电子系统设计和开发应用打好基础。

九、参考文献

[1]李庆常,王美玲.数字电子技术基础[M].机械工业出版社,2013.

[2]张玉璞,李庆常.电子技术课程设计[M].北京理工大学出版社,1996.

[3]张玉平.通用电路模拟技术[M].机械工业出版社,1999.

[4]郝鸿安.模拟集成电路应用集锦[M].上海科学技术出版社,1984.

[5]王远.模拟电子技术第二版[M].机械工业出版社,1999.