信号波形合成实验电路

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,（,C题）,信号波形合成实验电路,1,目录,任务,1,要求及发挥,2,设计思想,3,焊接成功电路的演示和效果,4,你的结论,5,2,任务,任务,设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波和其他信号。电路示意图如图所示：,电路示意图,3,要求及发挥,基本要求,（,1,）,方波振荡器的,信号经分频与滤波处理，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,10kHz,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所示。,4,发挥部分,要求及发挥,（,1,）,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,）,根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号合成电路，将产生的,10kHz,、,30kHz,等各个正弦信号，合成一个近似的三角波形；,（,3,）,设计制作一个能对各个正弦信号的幅度进行测量和数字显示的电路，测量误差不大于,5,；,（,4,）,其他。,5,设计思想,分析电路,方波震荡电路,滤波电路,移相电路,加法器,6,设计思想,本设计方案利用任何一个周期性函数都可以用傅立叶级数来表示，实现了对方波信号的分解与合成。,一,，通过使用,ICL8038,芯片制作,方波振荡电路,，输出方波信号。,二,，根据傅里叶级数的特点可知，通过带通滤波电路可以产生多个不同频率、不同幅度的正弦信号，接着选用,LM324,和外围电路组成的,滤波电路,进行滤波。,三,，在通过滤波器或放大电路的过程中，利用一个移相器把信号移为同相信号避免了波形信号发生,移相,。,四,，同时还有效地使用,msp430,的片内资源，对产生的各个正弦信号的幅值进行测量，并将结果通过LCD直观地显示出来。,五,，通过示波器检测，分频产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为1:1/3：1/5，LCD显示幅值与示波器观察结果符合.,基本达到设计要求,。,7,方案一,设计思想,采用传统的直接频率合成器。,这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。,但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。,方波的设计与选择,8,方案二,设计思想,采用锁相环式频率合成器。,利用锁相环，将压控振荡器（,VCO,）的输出频率锁定在所需要频率上。,这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。,但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。,而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 相信都很难控制。,方波的设计与选择,9,方案三,设计思想,采用ICL8038,单片压控函数发生器,ICL,8038,可同时产生正弦波、方波和三角波。,改变ICL,8038,的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为,0.001Hz,300KHz,。,方波的设计与选择,综合分析，选择第三种方案。,10,ICL8038是精密波形产生与压控振荡器,设计思想,方波震荡电路,11,设计思想,方波震荡电路,可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形；,外接电阻、电容值可改变，输出信号的频率范围可为,0.001Hz,300KHz,；,正弦信号输出失真度为,1%,；,三角波输出的线性度小于,0.1%,；,占空比变化范围为,2%,98%,；,外接电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比（不对称度）；,频率的温度稳定度（典型值）为,120*10-6,（,ICL8038ACJD,）,250*10-6,（,ICL8038CCPD,）；,对于电源，单电源（,V+,）：,+10,+30V,，双电源（,+V,）（,V-,）：,5V,15V,。,基本特性,ICL8038,12,设计思想,方波震荡电路,通过对基本特性的比较，我们得出：,可以通过调节RV1调节占空比，RV2调节频率的大小来实现。,本设计得到了比较理想的结果,（TCL8038方波生成器电路原理图见附录图1）。,13,设计思想,方波震荡电路,如果波形产生失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此问题。,也有可能是因为8038功率太大发热导致波形失真，加装上散热片就可以了。,注,14,TCL8038,方波生成器电路原理图,设计思想,15,ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路。,只需调整个别的外部元件就能产生从 01001 300kHz的,低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。,输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。,另外由于该芯片具有调频信号输入端,所以可以用来对低频信号进行频率调制。,ICL8038,的简要介绍,设计思想,16,ICL8038,的简要介绍,ICL8038,的主要特点,(1)可同时输出任意的三角波、矩形波和正弦波。,(2)频率范围: 01001Hz30kHz,(3)占空比范围: 2%98%,(4)低失真正弦波: 011%,(5)低温度漂移: 50ppm ,(6)三角波输出线性度: 011%,(7)工作电源: 5V12V 或者+ 12V+ 25V,设计思想,17,设计思想,ICL8038,的简要介绍,18,设计思想,一般信号是由不同频率、幅度和相位的正弦波叠加而成的。,傅里叶分析法为信号与系统的频域分析提供了途径。,对于周期信号，我们可以通过傅里叶级数得到其线谱：,由此可知方波可以分解成为,（,2n-1)（n=1,2,3）各种不同频率的正弦波，,其幅值比例为1:1/3:1/5:。,选频网络可以将信号包含的某一频率成分提取出来。,方波的分解,分频,19,设计思想,LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运放。,与单电源应用场合的标准运放相比，它们有一些显著的,优点,。,该运放可以工作在低到,3.0V或高到32V的电源下，静态电流大致为MC1741的静态电流的1/5（对每一个放大器而言）。,共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合采用外部偏置元件的必要性。,输出电压范围也包含负电源电压。,满足设计要求,。,方波的分解,分频,20,设计思想,在设计元器件的过程中，我们参考了由谢自美主编的,电子线路设计实验测量带通滤波一节中的设计方法和步骤。,现将其主要步骤和电路图表述如下：,A,.选取滤波器的响应特性（在此选取切比雪夫）、滤波器的电路形式（MFBS）、滤波器的类型（带通）、滤波器的性能参数fc、AV、Q或BW。,B,.由表选取C值，使其满足K=100/（f,c,C）（1K10）。,C,.计算各电阻值，其中：,D,.各参数对应电路图如图2所示：,21,设计思想,在附录图2中我们给出了10KHz的滤波电路原理图，选择该滤波图的原因如下,图,2,滤波电路公式对应电路图,22,附录图,2,10KHz滤波器电路图,设计思想,23,设计思想,24,设计思想,25,设计思想,26,通过对以上几组电路图的分析知,10KHz的滤波电路原理图,是最理想的！,设计思想,27,方波和三角波合成后的结果,28,设计思想,LM324,简要介绍,29,设计思想,LM324,简要介绍,30,设计思想,移相电路,由于在通过滤波器的过程中，波形信号可能发生移相，,需要通过一个移相器把信号移为同相信号，方便后一级信号的合成，,R-C串联电路如图3（a）所示，电路的相量图如图3（b）所示。,（a） R-C移相电路 （b） 电路的相量图,31,设计思想,移相电路,图3 移相器原理图,从相量图可以看出，,输出电压相位引前输入电压相位一个角，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，,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。,我们推导一下,输出电与输人电压的大小和相位关系,。,32,设计思想,其模数和相位角：,输出电与输人电压的大小和相位关系,33,设计思想,显然,随着频率的改变，单节RC电路中产生的相移在0-90之间变化，,但最大相移不超过90,输出电压的幅度也随频率的变化而变化，相移大，输出电压小，,当输出90时输出趋近零。,由此可知,为了相移电路移相大于等于90，需要两节RC电路。,34,移相和波形合成电路,设计思想,35,1),在移相电路中,阻容移相最多只能移动,90。,实际调试中，90的移相可能不够，因此在移动比较大的相位时我们采用一个反相器和两级移相电路来实现大于90的移相。,我们采用TL084来实现信号的反向。,另外，为得到失真比较小的信号，在移相前我们加入一个射级跟随器。,注,设计思想,36,2),在AD采样模块时,方案一使用,TI 的24 位-型模数转换器 ADS1255，ADS1255 具有系统自校差，达到的18 位的分辨率（最后6 位跳变）电路简单容易实现，但价格昂贵。,方案二采用MSP430F149 内置AD采样，能够直接进行AD转换，在内部程序设计时进行相应的误差处理，即进行多次采样，提高AD转换的稳定性和精度。,设计要求并没有要求很高的精度，采用MSP430F149 内置AD采样已经足够。,注,设计思想,37,设计思想,加法器,方波的合成,方波的傅里叶级数变换,以上式中可知，方波由一系列正弦波(奇函数)合成。,这一系列正弦波振幅比为1:1/3:1/5，它们的初相位为同相,。,38,设计思想,加法器,A,.用李萨如图形反复调节各组移相器10KHz、30KHz、50KHz正弦波同位相。调节方法是示波器X轴输入10KHz正弦波：,而Y轴输入10KHz、30KHz、50KHz正弦波在示波器上显示图4波形时此时，基波和各阶谐波初相位相同,。,B,.调节10KHz、30KHz、50KHz正弦波振幅比为1:1/3:1/5。,C,.将10KHz、30KHz、50KHz正弦波输入加法器，观察合成波形。,39,附录图,4.,示波器显示的基波与三次谐波合成方波效果图,40,测试方法与数据,41,测试方法与数据,测试结果分析,42,测试结果分析,43,经过紧张的四天三夜的通力协作，团结互助，终于完成了本系统。,系统中采用的低功耗器件主要是TI公司大学计划赞助的高性能模拟器件（如LM324）和MSP430单片机。这些芯片优良的性能和较低的功耗使接收节点易于设计。,通过这几天的设计竞赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了理论联系实际的重要性，这对我们以后的学习和工作不无裨益。当然，我们在设计中还存在着一些缺陷，有待于在将来的设计中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。,你的结论,44,参考文献,【1】谢自美（主编）.电子线路设计实验测试（第三版）.华中科技大学出版社，2006.8,【2】谭博学，苗汇静（主编）.集成电路原理及应用.电子工业出版社，2008.1,【3】黄争(编).德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南.德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划部，2010.5,【4】沈建华，杨艳琴（编）.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践.北京航空航天大学出版社.2008.7,附录,45,