訊號波形合成實驗電路
設計報告
題目： 訊號波形合成實驗電路
隊員姓名 ： 馬亮葉建成湯立新
指導老師趙娟
訊號波形合成實驗電路
一、課題的任務和要求
課題任務是對乙個特定頻率的方波進行變換產生多個不同頻率的正弦訊號，再將這些正弦訊號合成為近似方波和近似三角波。
課題要求是首先設計製作乙個特定頻率的方波發生器，並在這個方波上進行必要的訊號轉換，分別產生10khz、30khz和50khz的正弦波，然後對這三個正弦波進行頻率合成，合成後的目標訊號為10khz近似方波和近似三角波。另外設計乙個正弦訊號幅度測量電路，以測量出產生的10khz、30khz和50khz正弦波的的幅度值。
流程圖：
圖1 電路示意圖
二、總體方案的設計與實現
1．方波發生器電路的設計與實現
方案一：採用555定時器產生300k方波，產生的方波超過250k開始出現毛刺和失真。
方案二：採用dds （ad9850）產生300k方波，波形理想。
2．分頻電路的設計與分析
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。
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，可按照這些頻率的最小公倍數×2為原則，題目要求的三個頻率為10khz、30khz和50khz，其公倍數為150khz，再乘以2，則上述方波發生器為300khz。300khz頻率3分頻得到100khz，再2分頻得到50khz，然後300k5分頻得到60khz，再2分頻30k，得到的60k3分頻得到20k再2分頻得到10k，這樣就可以產生10khz、30 khz和50 khz的新的方波。
採用十進位制計數分配器cd4017配合d觸發器cd4013實現分頻為上述3個頻率的方波，cd4017預設10分頻，下圖中二極體正極連線位置決定分頻係數。對於cd4013，所起的作用是將由cd4017分頻後非50%占空比調節為50%。設計電路見圖3所示，300khz輸入訊號送cd4017的clk（14pin），輸出訊號從cd4013的q端送出。
圖3 分頻器電路(4腳接地)
該圖中由於d2接cd4017的q3，因此實現將300khz 3分頻，為
300khz/3=100khz
再經后級cd4013進行2分頻，獲得了
100khz/2=50khz
的頻率。
對於30khz和10khz的分析計算方法相同
3．方波——正弦波變換電路
方波——正弦波變換電路採用具有可調放大效果的兩級低二階通濾波器電路實現，見圖5所示。
圖5 方波——正弦波變換電路
4．移相電路
在上述變換電路中會產生一定的相移，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，見圖6所示。其中圖6（a）實現滯後相移90 o；圖6（b）實現超前相移90 o。
（a）滯後移相b）超前移相
圖6 移相電路
根據需要，後續電路可接入超前移相的或滯後移相的移相器。
5．合成電路的分析和計算
課題要求合成後的波形類同於方波和三角波，將濾波器產生的三個正弦波通過移相電路調節到合適的相位後，加到乙個加法器組成的疊加電路中，實現所要達到的相應的波形。設計的電路見圖7所示。
圖7 疊加電路
在進行訊號合成前，各波形（10khz的基波、30khz的三次諧波、50khz的五次諧波）的幅度和相位都要進行按規定調節好。
1）方波
由傅利葉級數對方波予以分解可得
可見各級諧波的係數比為。合成方波時，據題意，正弦波的峰峰值為6v，正弦波的峰峰值為2v，正弦波的峰峰值應為1.2v。
另外，這些諧波要求初相位相同，由式可知，初相位均為零。各自所需幅值可通過調節三個放大器的放大量獲得，初相可通過上一節對相位調節電路的調節來獲得。
6．微控制器的監測電路和檢測顯示流程
微控制器的任務就是測量某路的正弦波的幅值和送顯示
圖8 微控制器檢測和顯示系統框圖
整個專案的程式編制尤為簡單，如下框圖所示。
圖14 程式流程圖
四、整機指標及系統測試
1．整機指標
1）電源供電：雙dc5v,dc±12v，60ma
2）mcu檢測系統的檢測誤差：小於等於5%
2．系統測試
合成波形與系統**效果基本一致幅度有小幅衰減
1）目標為方波系統時分解後的各訊號測試
分離的正弦波幅度（vp—p）：10khz為6.03v；30khz為2.01v；50khz為1.18v
2）目標為三角波系統時分解後的各訊號測試
分離的正弦波幅度（vp—p）：10khz為6.03v；30khz為0.63v；50khz為0.26v
3）合成後的方波：（10khz+30khz）失真度22%，幅值：5.08v
10khz+30khz+50khz）失真度17%，幅值：4.93v
附錄：10k方波10k正弦波
30k方波30k正弦波
50k方波50k正弦波
正弦波10k+30k+50k的近似方波
製作心得體會：
製作過程中需要注意很多事情也遇到很多問題，首先在焊接模擬電路時訊號線一定要短，電源最好用在一起，地線一定要粗一點，並且電源線不能過長和並行，而且對電源要進行去耦否則都會影響實驗效果，小組的配合也很重要，各級的製作誤差都要小，可調的範圍要大，我製作的是移相電路和疊加電路和峰值檢測電路，設計中移相電路移動的範圍有點小，可以採用兩級，但是分壓效果很大，導致合成的訊號峰值不夠；加法電路開始設計成固定增益的，後來改為可調的加法疊加電路，可以調節合成波形的增益，這樣就可以彌補兩級移相電路的壓降。 多級連起來之後存在的問題主要是移相範圍不夠導致波形不算太漂亮而且通過加法器放大後也有小幅的移相效果，峰值檢測電路效果良好，總體效果還可以。但是整體製作中還有許多細節問題需要注意，在以後的製作中還要加以改進。
----- 湯立新
這次設計製作我主要負責低通濾波部分，剛開始做的時候，先用了別人的巴特沃斯低通濾波電路**了一下，發現效果還行，但幅度不行。於是自己找來模電書，利用二階有源低通濾波電路,自己算了一遍，試著先焊了其中10khz濾波部分，發現波形仍有少許毛刺，幅度也達不到題目要求，於是我想到開始時看到的巴特沃斯濾波電路，於是在其後又加了一級濾波電路，發現效果大有改觀，但波形線條還未達到很好效果，於是我在兩級之間加了乙個30歐的電阻，其後104的電容到地，波形變得非常好，但幅度又是問題，定值電阻畢竟很難達到要求的值，於是想到將反饋電阻用滑動變阻器，幅度可調，可得到滿足題目要求的幅值。 整個製作過程中發現，理論與實際真的是有很大差別，很多原件的引數總是在實際的測試中才能得到真正的值，也深深體會到，模擬電路只有多動手，多思考，多問為什麼，積累經驗，才能做得更好。
-----葉建成
這是我第一次動手做模擬電路，通過做這個題目給我的感觸很深，把以前學的模電理論知識應用到的實踐，讓我學到了很多。在製作過程中我做的是方波發生和分頻電路，最後要得到10khz、30khz、50khz方波且占空比為50%，所以首先應產生300khz的方波再分頻。對於方波產生電路，因為學了數電，所以一下就想到用555定時器，於是參考數電學的555知識，計算出了所用的電阻和電容值大小，但是當焊出來的時候發現555產生的波形有很大毛刺，於是我用施密特觸發器進行波形整形，但是產生的方波訊號很容易受干擾，訊號波形不穩定不利於分頻，所以我最後不用555做方波，用dds直接產生方波；分頻我用的是cd4017和觸發器cd4013，只要掌握他們的原理，做起來很方便，因此很容易就做出來了。
當每個模組都做出來後，進行合成，這是給我感觸最深的，一合成要輸出5v的近似方波，波形還不錯（當時我們都很開心），但是幅值達不到，我們做的只有2v多，通過檢查發現移相會改變其幅值大小，於是我們在移相後面加了放大電路，結果不行，又轉向在最後輸出加放大電路，結果還是不行，也想不出是什麼原因，我想這和焊電路與理論有關係，理論有時候應用到實踐的時候總是有差距，所以在這方面我需要加強，需要不斷的學習和積累經驗，不斷改進，為以後的製作打好基礎。馬亮
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