彭超周壯張金成
摘要本設計採用ti公司生產的msp430f149微功耗微控制器作為系統的核心控制器，通過方波振盪電路模組，分頻與低通濾波模組，移相電路模組以及加法器模組的綜合設計，完成諧波訊號的產生與合成。綜合應用數位電路和模擬電路，實現正弦訊號幅度的實時測量與顯示。
關鍵詞 msp430；方波發生器； 分頻與低通濾波； 移相； 波形合成
1. 方案論證
1.1 方波振盪電路模組
根據設計要求，有多種可選的方案，主要是產生諧波所需訊號的不同：
方案一：利用數位電路產生方波。此方法優點在較低頻率的方波振盪電路中，占空比易調，方波比較穩定；缺點高頻率方波自激振盪過程中，產生較大毛刺，不易除去。
方案二：利用模擬電路產生方波。此方法採用高頻寬運放opa552非線性應用的最經典例項之一，產生的方波頻率穩定可靠。
根據題目的要求，我們選擇方案二。
1.2 分頻電路模組
分頻電路實現將某方波通過分頻產生10khz、30 khz和50 khz的新的方波。
方案一：利用窄帶濾波器直接從方波中提取所需的基波或諧波。此方法精度高，跟蹤效能好；缺點在提取速度與精度上要求較高，不易達到。
方案二：用數字分頻方案，從較高頻率的方波或矩形波中通過分頻獲得所需頻率方波並進行變換獲得正弦波。此方法可採用數字邏輯晶元方便實現。
根據題目的要求，我們選擇方案二。
1.3 濾波模組
方案一：採用無源rc低通濾波器，它的通帶放大倍數及其截止頻率都隨負載而變化，不符合訊號處理的要求，不考慮此方案。
方案二：採用op07巴特沃斯四階低通開關電容濾波器晶元，它具有濾波效能穩定、抑制波紋干擾能力強優點.
根據題目要求，我們選擇方案二。
1.4 移相模組
方案一：利用電容器的電流超前電壓90度原理構建rc移相電路，rc移相電路的電阻不好選擇，電阻較小時，相位差小於90°或沒相位差，且相位差不可調，不選此方案。
方案二：採用ti公司整合運算放大器op07和r、c網路實現相移，它具有低失調電壓電流、低供電電流等優點，此方案能夠對相位差可調，精確度高，電路簡單.
根據題目要求，我們選擇方案二。
1.5 加法器模組
前級訊號經過電壓跟隨器後輸出三路正弦波訊號ui1、ui2、ui3，經反相比例加法器，利用方波的傅利葉正弦展開式，把ui1作為基波、ui2作為三次諧波、ui3作為5次諧波，進行疊加合成乙個近似方波。
1.6 顯示模組
方案一：採用led數碼管顯示器。led數碼管在亮度高、醒目，但是其電路比較複雜，占用資源多，顯示資訊量較小。
方案二：採用lcd液晶顯示器1602。lcd顯示器具有微功耗、顯示資訊量大（還可以顯示漢字）、字跡清晰美觀、電路簡單等優點。
根據題目的要求，我們選擇方案二。
2. 總體方案描述
根據題目的要求，系統的設計可分為五部分，包括控制器模組、電源模組、方波振盪模組、分頻與濾波模組、移相模組、加法模組和顯示模組。圖1為系統設計總框架圖。
圖1 系統總框架圖
控制器模組採用msp430f149微功耗微控制器控制，使用片內adc進行取樣；電源採用78**，79**系列供電；方波振盪電路通過採用高頻寬運放opa552設計，通過製作後實測的效果看，所產生的頻率穩定可靠；分頻電路模組採用數字邏輯晶元74ls90、cd4017、cd4001分別五分頻，三分頻和占空比調節，獲得所需頻率方波；濾波模組採用op07巴特沃斯四階低通開關電容濾波器晶元，使得所獲波形具有濾波效能穩定、抑制波紋干擾能力強優點.；移相模組採用運放與r、c網路設計實現相移，相對誤差可調，且精確度高；加法器模組採用反相比例設計，依照傅利葉正弦展開，波形疊加近似方波；lcd液晶顯示器1602由msp430控制，實現正弦訊號幅度的測量和顯示。
3. 硬體設計
3.1 方波振盪電路
本設計方波發生器部分採用運算放大器設計，作為運算放大器非線性應用的最典型例項之一，如圖2.
通過製作後實測的效果看，所產生的頻率穩定可靠。圖中，r1和r2用於改變滯回係數，（r3+r4）與c5決定了充放電的速率，充電週期為t1，放電週期為t2，且這裡的t1=t2，設總的充放電週期為t，由於r1=r2；
所以t=2×（r3+r4）×c5×ln（1+2r1/r2）=2.2×（r3+r4）×c5
若所選頻率f=150khz=150000hz，並且c5=1000p，
則t=1/f=1/150000hz（s）=6.6666666×10－6（s）
選擇r4電位器為2kω，配合330ω的電阻，調節電位器改變振盪頻率。
圖2 方波振盪電路
3.2 分頻電路模組
根據題意要求，在某特定頻率的方波上要產生幾個其他頻率方波，題目要求的三個頻率為10khz、30khz和50khz，其公倍數為150khz， 150khz頻率5分頻得30khz，3分頻50khz，30khz 3分頻得10khz，如圖3。
圖3 分頻電路模組
3.3 濾波電路模組
3.3.1 10khz正弦波的產生如圖4所示：
10khz的正弦波採用有源低通濾波電路，利用op07的放大及其反饋作用，從同頻率的方波中濾出所產生的。其頻率主要由r1以及c2的數值所決定的，f=1/2πrc 。圖中的r3起的調節電壓幅度的作用。
根據需要選取相應的數值，並放大一定幅度如圖4，從而得到所需的正弦波，並放大一定幅度。
圖4 10khz正弦波產生電路
3.3.2 30khz正弦波的產生如圖5所示：
30khz正弦波採用四階的有源帶通濾波電路和簡單的rc低通濾波電路結合所產生的。帶通濾波電路則同樣由基於op07cp濾波的兩個帶通濾波電路所構成的。由於帶通之後所得出的波形有點不穩定，所以在圖5 30khz正弦波產生電路
增加了簡單的濾波電路，用來濾除雜波，穩定波形，其中r1與r4用來調頻。
3.4 移相電路模組
在上述變換電路中曾出現過rc積分電路的應用，則會產生一定的相移，為了使合成波形達到相位要求，必須實現三路波形同步，這裡的移相電路便實現這個功能，如圖6。
圖6 移相電路
3.5 加法器模組
用運放op07cp做成的加法電路（移相器和加法器），根據傅利葉級數將幅度比為3：1的10khz與30khz的正弦波合成方波，如圖7。
圖7 加法器電路
4. 軟體設計
系統軟體顯示了友好的人機介面，液晶顯示可以時時觀測正弦波的振幅的變化情況，從而更好的理解方波的傅利葉分解。軟體流程圖如圖所示。
5測試方法與資料
5.1測試方法和過程
下列測試均在+5v與-5v進行。
通過電源模組供電，方波振盪器產生150khz方波，經74ls90分頻後得到所需頻率方波，用泰克示波器測量，然後經濾波轉換成對應頻率正弦波，比較10k與30k正弦波相位差，移相加法得到近似方波，整個過程使用泰克示波器跟蹤測量。
最終合成的方波如圖所示：
5.2測試儀器
tektronix 模擬雙通道示波器
afg3102 訊號發生器
fluke17b 數字萬用表
5.3測試結果分析
經過測試分析，測試基本都達到了要求,10k與30k的分頻濾波比較理想，但也存在一些誤差，如頻率不是很穩定，振幅不過精確等，尤其是在多階濾波部分，存在許多干擾，在此部分若採用整合晶元，會大大降低誤差，提高精準度，與穩定性。為了增強可調性，最好採用滑動變阻器與可調電阻。
6 結語
本系統設計經過多次測量，基本上滿足設計要求所需的各項指標。方波振盪器產生的高頻方波完全符合題目要求，經分頻濾波後得到的正弦波無明顯失真，10khz和30khz正弦波訊號經移相加法之後合成的近似方波幅值5v，符合題目要求，完成了正弦波幅值轉換與lcd的顯示。
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