毕业设计（论文）信号波形合成设计

西安思源学院毕业设计GRADUATION PROJECT，XIAN SIYUAN UNIVERSIT教学单位 学生学号 XXX大学（学院）毕 业 设 计 (论文)题 目： 年 级： 学 号： 姓 名： 专 业： 指导教师： 2011 年 6 月 19 日1南京邮电大学通达学院2011届本科生毕业设计（论文）摘要本作品主要用于非正弦信号的分解与合成实验验证，包括电源电路模块，方波信号产生模块，放大、移相、波形合成模块、测量显示模块等。通过1MHz晶振电路产生1MHz方波信号，经计数、分频得到10kHz方波信号，利用LC并联谐振（滤波器）分离出10kHz、30kHz、50kHz正弦波信号，然后对三个正弦波信号进行放大、移相加到加法器中合成方波信号。把10kHz和30kHz正弦波信号送到减法器中合成三角波信号。三个正弦波信号的幅度通过单片机采样，由液晶屏显示出来。关键词：方波信号，滤波器，正弦波信号，分解，合成AbstractThis work is mainly used in the sine signal decomposition and synthetic experiment, including power circuit module, pulse signal generated module, amplification, phase and waveform synthesis module, measuring display module, etc. Through 1MHz crystals 1MHz circuit, signal by counting, pulse frequency, pulse signal 10kHz get by LC parallel resonant filter (10kHz isolated, 30kHz, 50kHz sine signals, then the three sine signals, adding to amplify the adder synthetic square-wave signal. The 10kHz and 30kHz sine signals to reduce time-multiplier synthetic triangular signal. Three sine signals by MCU, the amplitude of LCD display samples.Key words：Pulse signal，Filter，Sine signals，decomposition，Synthesis目录第一章 技术指标541系统功能要求541.1 基本要求541.2 发挥部分542 系统结构要求54第二章 整体方案设计762.1 方案设计762.2 整体方案框图76第三章 单元电路设计873.1 方波振荡器电路设计873.2 分频电路设计873.3 滤波电路设计983.4 移相和加法电路设计12113.5 整体电路图1312第四章 测试与调整16154.1 测试方法16154.2 方波振荡电路调测16154.3 分频电路调测16154.4 测试结果16154.5 滤波电路调测17164.6 移相与加法电路调测18174.7 整体指标测试23224.8 数据分析2322第五章 信号的频谱分析24235.1 信号的傅立叶级数展开与频谱分析24235.2 方波信号的频谱24235.3 方波信号的分解25245.4 信号的合成25245.5 连续信号的频谱26255.6 脉宽与频谱关系2726 5.7 周期与频谱的关系2726第六章 结束语28参考文献29致谢30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1 方波振荡器产生方波2 由CPLD编程实现分频和移相电路3 通过滤波电路才能产生比较干净稳定的正弦波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。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三路波形通过假发电路合成，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6 该系统整体结构 第二章 整体方案设计2.1 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。2.2 整体方案框图 第三章 单元电路设计3.1 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12MHz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。3.2 分频电路设计 现在输入信号是12MHz的方波信号，要同时得到10kHz、30kHz和50kHz的方波信号，我们可以对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。3.3 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 图4 30kHz方波对应的滤波器 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 则得 式（5）为二阶带通滤波器传递函数的典型表达式，其中成为中心角频率。令,代入式（4），可得带通滤波器的频率响应特性为 归一化的对数幅度响应为 带通滤波器的通频带宽度为，这样将通频带宽度BW和Q值确定，并结合以上式，便可算出滤波器各参数值。 3.4 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20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 3.5 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。原理图 图9 原理图版图图10 版图焊接后实物图 图11 实物图 第四章 测试与调整 4.1 测试方法（1）先测试第一级方波产生电路，调试输出一个30kHz的方波。（2）接着测试300kHz的方波经过六分频、十分频、三十分频分别得到的50kHz、30kHz和10kHz的方波频率。（3）然后测试滤波与放大电路，调试要求得到一个幅度为6V的10kHz正弦波、一个幅度为2V的30kHz正弦波以及一个50kHz的正弦波。(4)最后测试移相和加法电路的最终输出信号，载入10kHz和30kHz的正弦波，通过调节移相电路要求得到一个近似的方波，幅度为5V。（5）最后将50kHz的正弦波也一起载入，观察测试结果。4.2 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。 4.3 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。 4.4 测试结果（1）分频滤波放大测试结果如表一所示。表一频率大小10kHz30kHz50kHz实际测式值10.6kHz29.9kHz49.9kHz幅值大小6.16V2.15V5.44V（2）移相加法合成测试结果通过输入频率为10kHz和30kHz的正弦波信号，测试加法器的最终输出信号，可以的到一个近似的但不稳定的方波；接着接入50kHz的正弦信号，再次测量最终输出信号可以得到一个近似的三角波信号。4.5 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： 图12 图13 图14 上面每个图上均标有峰峰值和波形频率，经观察，频率和峰峰值均达到要求。 4.6 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，必须使用lattice软件添加移相电路。图15 lattice软件将程序烧入单片机 图16 lattice软件将程序烧入单片机图17 lattice软件将程序烧入单片机图18 lattice软件将程序烧入单片机图19 lattice软件将程序烧入单片机在设计中已经提到，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20 10kHz和30kHz正弦波合成近似方波 图21 10kHz和50kHz正弦波合成近似方波 图22 10kHz、30kHz和50kHz正弦波信号合成近似方波 4.7 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22所示。4.8 数据分析通过表一分析可知基本符合题目中给出的要求：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；产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为6V和2V。通过分析可知移相加法合成测试结果，可以合成一个近似方波，波形幅度为5V。加入50kHz的正弦波参与信号合成，得到一个近似的三角波。但由于电路做工问题，使得得到的波形达不到理想要求。第五章 信号的频谱分析5.1 信号的傅立叶级数展开与频谱分析 信号的时域特性和频域特性是对信号的两种不同的描述方式。对于一个时域的周期信号f(t)，只要满足狄利克莱条件，就可以将其展开成傅立叶级数：如果将式中同频率项合并，可以写成如下形式：从式中可以看出，信号f(t)是由直流分量和许多余弦（或正弦）分量组成。其中第一项A0/2是常数项，它是周期信号中所包含的直流分量；式中第二项A1cos(t+1)称为基波，它的角频率与原周期信号相同，A1是基波振幅，1是基波初相角；式中第三项A2cos(t+2)称为二次谐波，它的频率是基波的二倍，A2是基波振幅，2是基波初相角。依此类推，还有三次、四次等高次谐波分量。 5.2 方波信号的频谱 将方波信号展开成傅立叶级数为： n=1，3，5此公式说明，方波信号中只含有一、三、五等奇次谐波分量，并且其各奇次谐波分量的幅值逐渐减小，初相角为零。图23为一个周期方波信号的组成情况，由图可见，当它包含的分量越多时，波形越接近于原来的方波信号，还可以看出频率较低的谐波分量振幅较大，它们组成方波的主体，而频率较高的谐波分量振幅较小，它们主要影响波形的细节。 （a）基波 （b）基波三次谐波（c）基波三次谐波五次谐波（d）基波三次谐波五次谐波七次谐波（e）基波三次谐波五次谐波七次谐波九次谐波图23方波的合成5.3 方波信号的分解 方波信号的分解的基本工作原理是采用多个带通滤波器，把它们的中心频率分别调到被测信号的各个频率分量上，当被测信号同时加到多路滤波器上，中心频率与信号所包含的某次谐波分量频率一致的滤波器便有输出。在被测信号发生的实际时间内可以同时测得信号所包含的各频率分量。本实验便是采用此方法，实验中共有5路滤波器，分别对应方波的一、三、五、七、九次分量。 5.4 信号的合成 本实验将分解出的1路基波分量和4路谐波分量通过一个加法器，合成为原输入的方波信号，信号合成电路图如图24所示。 图245.5 连续信号的频谱 一个周期信号只要满足狄里赫利条件，则可以分解为一系列谐波分量之和。为了表征不同信号的谐波组成情况，时常画出周期信号各次谐波的分布图形，这种图形称为信号的频谱。描述各次谐波振幅与频率关系的是振幅频谱；描述各次谐波相位与频率关系的是相位频谱。根据周期信号展开成傅立叶级数的不同形式可分为单边频带谱和双边频带谱。 连续信号可分为连续周期信号和连续非周期信号。其中连续周期信号可以分解为一系列正弦信号之和，即 由式可见，周期信号的谱线只出现在频率为0，2，等离散频率上，即周期信号的频谱是离散谱。连续非周期信号可以认为信号的周期趋近无穷大，这样相邻谱线的间隔趋近与无穷小，从而信号的频谱密集成为连续频谱。 例如周期脉冲信号的频谱是由基波和它的各次谐波组成，即只有在其基波频率的等倍数的频率点上有值。脉冲时域波形与其频谱如图25所示。若上述信号只含有脉冲信号的一个周期，则此信号的频谱中有值的频率点数将增加到无穷大，最终形成连续的谱线。如图26所示。 图25周期脉冲信号及其频谱图26 脉冲信号及其频谱周期矩形脉冲信号的傅立叶级数是：其中,是脉冲信号的脉冲宽度；T是脉冲信号的周期，E是脉冲信号的幅值。从式中可以看出它的谱线离散，仅含有=n的各分量。相邻谱线间隔为（=2/T），脉冲周期T越大，谱线间隔越小，频谱越密；反之，则越疏。另外谱线按照Sa(/2)的规律变化。在=2n/（n1，2，）各点处包络为零，即该点频率分量为零。 5.6 脉宽与频谱关系 由公式可以看出，频谱包络线的零点=2n/为处，所以当脉冲信号周期不变，脉冲宽度变大时，相邻谱线的间隔不变，频谱包络线的零点频率逐渐变小，反之则变大。另外频谱中各频率点谱线的幅值与脉宽 也有关，且当信号周期不变，脉宽越宽其频率点谱线的幅值越大，反之则越小。其关系如图27所示。 5.7 周期与频谱的关系 从公式可以看出，信号的周期与频谱包络线的零点没有关系，所以当周期变化时，频谱包络线零点不变。然而当信号的脉宽不变，信号周期变大时，相邻谱线的间隔变小，频谱变密。如果周期无限增长（趋于非周期信号）那么，相邻谱线的间隔将趋近于零，周期信号的离散谱就过渡到非周期信号的连续谱。另外频谱中各频率点谱线的幅值与脉宽T也有关，且当信号脉宽不变，信号周期越大其频率点谱线的幅值越小，反之则越大。其关系如图28所示。图27 脉冲宽度与频谱的关系图28 脉冲信号周期与频谱的关系 第六章 结束语 本作品基本达到了题目基本要求和部分扩展功能及指标的要求，将不同频率的正弦波合成为近似的方波。本系统从方案设计，理论计算，实际制作，软硬件调试等方面进行了紧张而又认真仔细的工作，实现了信号波形合成。在理论设计计算方面，我充分利用所学的知识，力争做到最好。但由于时间紧，工作量大，设计电路还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间，经过改进，相信性能还会有进一步的提升。本次毕业设计极大的锻炼了我各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但在在欧阳老师的理解和支持下，一一解决了很多难道。我将在以后的工作和学习的道路上继续努力争取更大的进步。参考文献（1） 周良权、傅恩锡、李世馨编. 模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社, 2005年.（2） 杨志忠主编. 数字电子技术高等教育出版社，2003年.（3） 黄争. 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.上海：BEIJING 德州仪器半导体技术有限公司大学计划部，2010年.（4） 黄争. 运算放大器应用手册基础知识篇.北京：电子工业出版社 2010年（5） 信号与系统（第二版） 陈后金、胡健、薛健主编（6） 张明金.电工基础.北京：北京师范大学出版社，2008（7） 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2003（8） 谢兴红，林凡强等. MSP430单片机基础与实践. 北京：北京航空航天大学出版社，2008致谢经过半年的忙碌和学习，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在论文工作即将完成之际，深深感谢欧阳老师在我毕业设计期间给予的悉心指导。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，设计方案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，程序的编辑等整个过程中都给予了我悉心的指导。除了敬佩欧阳老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了他们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。31