电子电路课程设计报告----

信号波形合成实验电路设计报告计算机学院计算机科学与技术系 学号：B08030403 姓名：李佑娟信号波形合成实验电路目录第一章技术指标1系统功能要求2系统结构要求第二章整体方案设计1方案设计2整体方案第三章单元电路设计1方波震荡器电路设计2分频电路设计3滤波电路设计4移相和加法电路设计5整体电路图6整体元件清单第四章测试与调整1方波振荡电路调测2分频电路调测3滤波电路调测4移相和加法电路调测5整体指标测试第五章设计小结1设计任务完成情况2问题与改进3心得体会第一章技术指标1系统功能要求1.1基本要求(1) 方波振荡器的信号经分频滤波处理，同时产生频率为10kHz和30kHz 的正弦波信号，这两种信号应具有确定的相位关系；(2) 产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为6V和2V；(3) 制作一个由移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的10kH和 30kHz正弦波信号，作为基波和3次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为5V， 合成波形的形状如图1所示。图1利用基波和3次谐波合成的近似方波1.2发挥部分再产生50kHz的正弦信号作为5次谐波，参与信号合成，使合成的波形 更接近于方波。2系统结构要求2.1方波振荡器产生方波2.2由CPLD编程实现分频和移相电路2.3通过滤波电路才能产生比较干净稳定的正弦波2.4方波通过分频和滤波后，再通过限幅电路，将10kHz、30kHz以及50kHz 的正弦波的峰峰值分别调整为6V、2V和1.2V。2.5最后通过一个加法电路，将10kHz和30kHz的波形合成，由移相电路调整使波形如图1为止；再将10kHz、30kHz和50kHz三路波形通过加法电路合成， 同上调整，最终波形如图2。图2基波、三次谐波和五次谐波合成的方波2.6该系统整体结构第二章整体方案设计1方案设计该系统设计可以分为五部分：方波振荡器、分频器、滤波器、移相器和加法 器。1.1方波振荡器：可采用硅振荡器，其可产生高频方波；1.2分频器：该部分可在CPLD 上编程实现，分频可采用扭环计数器，最终得 到 10kHz、30kHz 和 50kHz 的方波；1.3滤波器：通过软件设计得到滤波电路，共有三个滤波电路，注意滤波电 路中的电阻的精度应该尽量高，这样才能将波滤的更干净；1.4移相器和加法器：移相器由D触发器组成，加法器的输入端用电位器以 方便波形调幅。2整体方案框图分成三路方波信号，10kHz；30kHz 50kHz分频电路方波振荡器痣波电路方波转换成 正弦波，频 率不变先将10kHz.如kHz的正 弦波合成，再将三路信号 同时舍成移相电路限帽电路将 10kHz：30kHz v加法器56kHz的峰 峰值务别 调整为的、 2V； 1. 27第三章单元电路设计1方波振荡器电路设计方波直接由一个硅晶体振荡器产生，此次实验中采用的是产生6MHz方波的 硅晶体振荡器。硅晶振的频率稳定度很高，这是在此次实验中选取硅晶振作为方波 振荡器的一个很重要的原因。2分频电路设计现在输入信号是6MHz的方波信号，要同时得到10kHz、30kHz和50kHz的方 波信号，我们可以用CPLD模拟，对12MHz的方波进行逐级分频。经过不断的试 验，最终我们选取了一个较为合理的分频步骤以及中间采用的电路设计如下：先通过模拟观察分频信号，再通过示波器测量每一个方波的频率，以验证电路的准确性。3滤波电路设计滤波电路可直接用FilterPro Desktop软件得到，10kHz、30kHz和50kHz 的滤波电路如下所示。图3 10kHz方波对应的滤波器OpAmpTout53fl. 5 Q图4 30kHz方波对应的滤波器OpAmpR1OpAmp图5 50kHz方波对应的滤波器三个带通滤波器用软件实现的方法一致，基本参数的设定方法也是一致的，其 参数设定原理如下：图6带通滤波器电路图带通滤波器电路图如上所示，根据图6可导出带通滤波器的传递函数为(1 + R).s.1R RC戮、V(s) A( s) =out匕(S)A =0附RC32W2 =R1 + R2(3)0 RRRCC12 3 12S2 + 1 + 1 +RC RCR1 +夫54URRRf4R+RRR1 RCC12312(1). (2)1111 , R、7+( 5) RC RC RC R3 11 12 14Q =RRRRCC(4)RR .(C + C)+ C R .R + R .(-R5)1 2122321 R4则得A( S) = ,“八s2 + s(w / Q) + w2(s / w )2 + s /(Qw ) + 1A (s-w )/QA s/(Qw )(5)式(5)为二阶带通滤波器传递函数的典型表达式，其中巧0成为中心角频 率。令$ = Jw，代入式(4)，可得带通滤波器的频率响应特性为A (加)=1川/(。叩(6)u1 - (w/ w )2 + jw/(Q-w )20 lgA (jw)uA0归一化的对数幅度响应为= -10lgQ 2.( *)-(二)2 + 1ww带通滤波器的通频带宽度为BWQ7 = w0 /(2兀Q) = fj Q，这样将通频带宽0度BW和Q值确定，并结合以上(1) (7)式，便可算出滤波器各参数值。4移相和加法电路设计采用D触发器使脉冲延迟的方法实现移相，因为用D触发器实现，方法简 单，对我们现在的知识水平可以独立完成，而且电路也很简单，实现效果较好。加法电路采用我们已修的模拟电子书籍上的反向加法器，但在这里，输入电 阻采用电位器，以方便调整波形的幅度；反馈电阻不要取的太大，这次设计中我们 选取的是20g的电阻；而异相断直接接地。加法电路如下图所示：图7加法电路5整体电路图图8分频电路和移相电路上图是分频和移相电路，由CPLD实现。滤波电路和加法电路见图3、图4、图 5和图7。6整体元件清单序号元件名称个数型号1个人计算机1Windows 20002单片机1XC95108PC843运算放大器2TL0844电源线25电容61036电阻按需分 配2个47kQ, 1个4.7kQ, 2个1.5kQ, 3个1k Q, 8个 10Q, 1个330Q, 1个300Q, 5个 510Q, 1个20kQ, 3个 1kQ7硅晶体振荡器1HS-spxo03298示波器1ds10529电子电路综合实验箱1DGDZ210直流稳压电源1DF1701S11导线若干根12面包板1第四章测试与调整1方波振荡电路调测用示波器检测晶振输出的波形是否和预期的一致。经调测，波形为方波，频率为12MHz，和理论一致，具体图略。2分频电路调测先用模拟方法观察，再直接用示波器调测，观察波形以及信号的频率。经调测，波形是方波，频率分别为10kHz、30kHz和50kHz，具体图略。3滤波电路调测10kHz、30kHz和50kHz方波通过滤波电路，由理论知识可知，应该得到同 频率的正弦波。下面各图为各调测结果：上面每个图上均标有峰峰值丫即(1)和波形频率Freq(1)，经观察，频率和峰 峰值均达到要求。4移相与加法电路调测加法电路实现将两个或是三个正弦波信号合成近似方波信号，但是每个信 号不可能一开始就同时上升沿或是下降沿，所以为了能够合成近似方波，必须添加 移相电路。在设计中已经提到，移相电路采用D触发器时钟延迟的方法实现，所以下 面只能重复做着添加触发器，观察合成波形以判断方波信号应该向哪个方向移动。 首先我们合成10kHz和30kHz的正弦波信号，不断移相，烧程序，使之成为近似方 波；然后按照同样的方法合成10kHz和50kHz的正弦波信号；最后，将三路信号合 成，10kHz正弦波作为基波，30kHz正弦波作为三次谐波，50kHz正弦波作为五次 谐波，在以上工作完成的前提下，这三路信号合成后基本已是近似方波，为了使方 波更加好看，还可以继续调测D触发器。调测最终结果如下所示:图9 10kHz和30kHz正弦波合成近似方波图10 10kHz和50kHz正弦波合成近似方波图11 10kHz、30kHz和50kHz正弦波信号合成近似方波5整体指标测试该实验的整体指标测试就是对10kHz、30kHz和50kHz正弦波信号合成近似 方波的测试，其调测过程如4所示，测试结果如图11所示。第五章设计小结1设计任务完成情况本次实验基本达到了设计要求。对10kHz、30kHz和50kHz正弦波信号合成近 似方波的整体指标测试波形不太标准，基础指标中将10kHz、30kHz合成的效果很 好，波形无失真，幅度、频率等硬性指标也很准确地完成，而将50kHz正弦波信号 加进合成时，由于对信号是否同时上升沿或是下降沿要求更为严格，所以实现也更 为困难，不过在不懈努力下，最终得到较为满意的波形，硬性指标也是基本达到 了，只是波形不可避免的出现了瑕疵（移相问题导致波形未完全到位）。2问题与改进问题1：如1中所说，此实验存在的最主要的问题是3种波形的相位没有调一 致，导致最后合成的波形不太标准。改进：加D触发器进行时延，使3种波形相位一致。问题2：在实验中用了很多的电阻，还有很多串联在一起，这样使得面包板上 的架构不是很好看改进：根据已设计好的滤波电路，整理出电阻的标称值，然后尽量找到和标称 值差不多的电阻，避免电阻的串联。这样既能使得电路的整体结构更加美观，还能 减少导线的连接。3心得体会通过这次课程设计，我初步学会了使用CPLD，和通过计算机辅助来设计滤波 器，同时加深了对数字电路和模拟电路的理解，此外，此次试验加强了我动手的能 力，更为重要的是，由于在做题之中，我有时会遇到一些问题，通过老师与同学的 帮助，这些问题很快就迎刃而解，在这之中，我学会了与人沟通，并让我体会到了 一个词的重要性teamwork。