数字波形合成器

北 京 理 工 大 学 本 科 生 课 程 设 计 电子技术课程设计 实验报告 数字波形合成器 北 京 理 工 大 学 本 科 生 课 程 设 计 北 京 理 工 大 学 本 科 生 课 程 设 计 1 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 0fmU 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 北 京 理 工 大 学 本 科 生 课 程 设 计 2 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 Nf Ff 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 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N 2 式中 为计数器两个相邻状态之间的相位差 M 2 0 u t N 1 2 3 北 京 理 工 大 学 本 科 生 课 程 设 计 3 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 0f 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0 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0f 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 北 京 理 工 大 学 本 科 生 课 程 设 计 4 图 4 6 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 5 6 位扭环形计数器时序图及增量式阶梯正弦波合成原理 北 京 理 工 大 学 本 科 生 课 程 设 计 5 要求输出的正弦波相差 即隔开 3 个 因此第一路的输出状 90 0 态变量为 第二路 1Q23456Q456Q123 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 RV 图 6 A 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R 02 1R 12 电阻依次为 K150 1K57 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 北 京 理 工 大 学 本 科 生 课 程 设 计 6 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 1fuPRA 截 止 频 率 它 是 二 阶 低 通 滤 波 器 通 带 与 阻 带 的 界 限 频 率 C2 fO 品质因数 影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状 uPA3 1Q 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 北 京 理 工 大 学 本 科 生 课 程 设 计 7 图 8 数字波形合成器仿真电路图 仿真结果如图 9 所示 北 京 理 工 大 学 本 科 生 课 程 设 计 8 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 北 京 理 工 大 学 本 科 生 课 程 设 计 9 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