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全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽2010年TI杯模擬電子系統(tǒng)專題邀請賽設(shè)計(jì)報(bào)告題 目: 信號波形合成實(shí)驗(yàn)電路(C題)學(xué) 校: 武漢大學(xué) 指導(dǎo)老師: 參賽隊(duì)員姓名: 日 期:2010年08月24日2010年TI杯模擬電子系統(tǒng)專題邀請賽試題信號波形合成實(shí)驗(yàn)電路(C題)一、課題的任務(wù)和要求課題任務(wù)是對一個(gè)特定頻率的方波進(jìn)行變換產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的正弦信號,冉將這些正弦信號合成為近似方波和近似三角波。課題要求是首先設(shè)計(jì)制作一個(gè)特定頻率的方波發(fā)生器,并在這個(gè)方波上進(jìn)行必要的信號轉(zhuǎn)換,分別產(chǎn)生10KHz30KHzffi50KHz的正弦波,然后對這三個(gè)正弦波進(jìn)行頻率合成,合成后的目標(biāo)信號為10KHz近似方波和近似三角波。另外設(shè)計(jì)一個(gè)正弦信號幅度測量電路,以測量出產(chǎn)生的10KHz30KHz和50KHz正弦波的的幅度值。課題還給出了參考的實(shí)現(xiàn)方法,見下圖。圖1電路示意圖圖1課題參考實(shí)現(xiàn)方案二、實(shí)現(xiàn)方案的分析.基本方波發(fā)生器方案的分析方波的產(chǎn)生方法很多,如用運(yùn)算放大器非線性產(chǎn)生、用反向器及觸發(fā)器產(chǎn)生、也可用模數(shù)混合時(shí)基電路ICL7555產(chǎn)生等。本例采用第一種方案,最符合題意要求。.波形變換電路方案的分析從某方波中提取特定頻率的正弦波方案很多,如用窄帶濾波器直接從方波中提取所需的基波或諧波;用鎖相方法進(jìn)行分頻或倍頻產(chǎn)生所需頻率;用數(shù)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并進(jìn)行變換獲得正弦波。本課題采用第三種方案。.移相方案分析在方波一一正弦波轉(zhuǎn)換中,難免會產(chǎn)生附加相移,通過移相來抵消附加相依,以便信號合成時(shí)重新實(shí)現(xiàn)同步。根據(jù)微分電路實(shí)現(xiàn)相位超前、積分電路實(shí)現(xiàn)相位滯后的理論,因此,采用微伏和積分來實(shí)現(xiàn)移相。.信號合成方案分析方波信號經(jīng)過波形變換和移相后,其輸出幅度將有不同程度的衰減,合成前需要將各成分的信號幅度調(diào)整到規(guī)定比例,才能合成為新的合成信號。本課題采用反向比利運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)整,采用反向加法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)信號合成。.信號檢測和顯示方案分析信號檢測和顯示部分采用MSP430單片機(jī),由于信號最高頻率僅50KHz,采用高速運(yùn)放TLC083I配合高頻檢波二極管和周圍阻容元件制作一個(gè)平均值檢測電路, 送單片機(jī)的10位AD
轉(zhuǎn)換并換算,得到其幅值,送顯示器LCD1602空制顯示三、總體方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).方波發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本課題的方波發(fā)生器部分采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì),作為運(yùn)算放大器非線性應(yīng)用的最典型實(shí)例之一,通過制作后實(shí)測的效果看,所產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定可靠。圖中,R1和R2用于改變滯回系數(shù),(R3+RW1與C5決定了充放電的速率,充電周期為T1,放電周期為T2,且這里的T1=T2,設(shè)總的充放電周期為T,由此可得:圖2模擬電路300KHz方波電圖2模擬電路300KHz方波電T=T1+T2;T=2T1T=2X(R3+RW1XC5XLn(1+2R1/R2)由于R1=R2所以T=2X(R3+RW1XC5XLn(1+2R1/R2)=2.2X(R3+RW1XC5若所選頻率f=300KHz=300000Hz并且C5=1000P則T=1/f=1/300000Hz(S)=3.333333X106(S)6貝U2.2X(R3+RW1XC5=3.333333X10(R3+RVV1=(3.333333X106)/(2.2X1000X1012)=1500(。)=1.5(KQ)選才?RW\電位器為2KQ,配合330。的電阻,調(diào)節(jié)電位器改變振蕩頻率。.分頻電路的設(shè)計(jì)與分析分頻電路實(shí)現(xiàn)將某方波通過分頻產(chǎn)生10KHz30KHz和50KHz的新的方波。根據(jù)題意要求,在某特定頻率的方波上要產(chǎn)生幾個(gè)其他頻率方波,可按照這些頻率的最小公倍數(shù)X2為原則,題目要求的三個(gè)頻率為10KHz30KHz和50KHz,其公彳數(shù)為150KHz再乘以2,則上述方波發(fā)生器為300KHz驗(yàn)證一下:300KHz頻率30分頻得10KHz,10分頻30KH馬6分頻50KHz采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)分配器CD401酒己合D觸發(fā)器CD401故現(xiàn)分頻為上述3個(gè)頻率的方波,CD4017默認(rèn)10分頻,下圖中二極管正極連接位置決定分頻系數(shù)。對于CD4013所起的作用是將由CD4017分頻后非50砧空比調(diào)節(jié)為50%設(shè)計(jì)電路見圖3所示,300KHz輸入信號送CD4017MCLK(14pin),輸出信號從CD4013B勺Q端送出。圖3分頻器電路該圖中由于D2接CD4017的Q3,因此實(shí)現(xiàn)將300KHz3分頻,為300KHz/3=100KHz再經(jīng)后級CD4013a彳T2分頻,獲得了
100KHz/2=50KHz的頻率。對于30KHz和10KHz的分析計(jì)算方法相同,不再細(xì)述。.方波-方波.三角波-三角波三角波變換電路-三角波變換電路采用由運(yùn)算放大器組成的有源積分電路實(shí)現(xiàn),見圖.方波-方波.三角波-三角波三角波變換電路-三角波變換電路采用由運(yùn)算放大器組成的有源積分電路實(shí)現(xiàn),見圖圖4波波——三角波變換電路一正弦波變換電路—―正弦波變換電路采用單級RC無源積分電路實(shí)現(xiàn),見圖5所示。圖5三角波——正弦波變換電路4所示。.移相電路在上述變換電路中曾出現(xiàn)過RC積分電路的應(yīng)用,則會產(chǎn)生一定的相移,為了使合成波形6所示。其達(dá)到相位要求,必須實(shí)現(xiàn)三路波形同步,這里的移相電路便實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,見圖中圖6(a)實(shí)現(xiàn)滯后相移90°;圖6(b)實(shí)現(xiàn)超前相移906所示。其20K1Kui_2K——? 才的范型叫池路入超前移相的或滯后移相的移相Ca)滯后移相1K20K(u086移相電路20K1Kui_2K——? 才的范型叫池路入超前移相的或滯后移相的移相Ca)滯后移相1K20K(u086移相電路2K超前移相6.比例運(yùn)算期和合成電路的分析和計(jì)算 小課題要求合成三的波形類同于方波和三角波,則三個(gè)頻率分量要包傅立葉變換系數(shù)的要求,這里就需要系數(shù)矯正電路,即比例運(yùn)算電路,通過比例調(diào)節(jié)后詞二個(gè)加法器組成的uo77所示。疊加電路中,實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的相應(yīng)的波形。設(shè)計(jì)的電路見圖圖7比例運(yùn)算和和疊加電路在進(jìn)行信號合成前,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(jìn)行按規(guī)定調(diào)節(jié)好,以下探討信號疊加前各波形之間的相位和關(guān)系。1)方波由傅立葉級數(shù)對方波予以分解可得1:1:1可見各級諧波的系數(shù)比為 35。合成方波時(shí),據(jù)題意,10kHz正弦波的峰峰值為6V,30kHz正弦波的峰峰值為2V,50kHz正弦波的峰峰值應(yīng)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(diào)節(jié)三個(gè)放大器的放大量獲得,初相可通過上一節(jié)對相位調(diào)節(jié)電路的調(diào)節(jié)來獲得。2)三角波
同樣由傅立葉級數(shù)對方波予以分解可得可見前三級各級諧波的系數(shù)比為1:1:1。合成三角波時(shí),據(jù)題意,10kHz正弦波的峰925峰值為6V,30kHz正弦波的峰峰值為0.67V,50kHz正弦波的峰峰值應(yīng)為0.24V。另外,這些925諧波中每隔一個(gè)相位取反。各自所需幅值可通過調(diào)節(jié)三個(gè)放大器的放大量獲得,初相可通過上一節(jié)對相位調(diào)節(jié)電路的調(diào)節(jié)來獲得。.單片機(jī)的監(jiān)測電路和檢測顯示流程單片機(jī)的任務(wù)就是測量某路的正弦波的幅值和送顯示,其組成部分有精密檢波電路、平滑濾波電路、單片機(jī)MSP430F22741小系統(tǒng)和LCD1602?符液晶顯示器等幾個(gè)部分組成,見被測信號10KHz30KHz、平滑
濾波MSP430F2274D-BUSADLCD液晶顯小器被測信號10KHz30KHz、平滑
濾波MSP430F2274D-BUSADLCD液晶顯小器50KHz] .圖8小彈機(jī)檢測和翅示系統(tǒng)神Lcb盍該數(shù)場H僉波電路采用平均值全波精密檢波方案,實(shí)現(xiàn)將一F0KHz30KHz、50KHz各個(gè)正弦波被測信號轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)全波直流電,其電路圖和波形圖如圖 9所示。ui(b)ui(b)濾波上圖中的脈平直撫網(wǎng)即坪海啊測,可加uo\yR\^W蜉后為平滑直流電,如圖*10岫 3、」uouo(a)RC平滑濾波電路整個(gè)項(xiàng)目保魁臧制尤為簡單,如下框圖所示。圖10rC?^!濾捌i瀾!四、整機(jī)指標(biāo)及系統(tǒng)測試.整機(jī)指標(biāo)1)電源供電:雙DC8m2V,60mA2)使用環(huán)境:溫度-20OC——+80OC;濕度0——95%RH3)外觀尺寸420X360X75MCU僉測系統(tǒng)的檢測誤差:小于等于2%.系統(tǒng)測試1)目標(biāo)為方波系統(tǒng)時(shí)分解后的各信號測試
分離的正弦波幅度(V-P):10KHz為6.03V;30KHz為2.01V;50KHz為1.18V分離的正弦波失真度:10KHz為20%30KHz為16%50KHz為9%2)目標(biāo)為三角波系統(tǒng)時(shí)分解后的各信號測試分離的正弦波幅度(V-p):10KHz為6.03V;30KHz為0.63V;50KHz為0.26V分離的正弦波失真度:10KHz為20%30KHz為14%50KHz為21%3)合成后的方波:(10KHz+30KHz失真度22%幅值:
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