2022年TI杯电子设计竞赛信号波形合成电路报告.doc

大学生电子设计竞赛
TI杯模仿电子系统专项邀请赛
信号波形合成实验电路（C题）

组号：51

信号波形合成实验电路

摘要 本电路实现了基于多种正弦波合成方波与三角波等非正弦周期信号电路。使用TLV3501电路构成基准300KHz方波振荡信号，以74LS161、74LS74实现前置分频形成10KHz、30kHz、50kHz方波信号，运用有源滤波器获得其正弦基波分量，以TLC085实现各个信号放大、衰减和加法功能，同步使用有源RC移相电路实现信号相位调节；使用二极管峰值包络检波电路获得正弦信号幅度，以MSP430F147作为微控制器对正弦信号进行采样，并且采用点阵液晶实时显示测量信号幅度值。
核心词：方波振荡 方波分频及滤波 移相 信号合成 峰值检测MSP430F147

1、方案设计
1.1系统分析和整体设计
根据题目规定，通过方波振荡电路产生方波信号，经分频后得到各路需要信号，因而方波振荡电路产生信号频率应为各路信号频率公倍数。由于需要信号频率为10KHz，30KHz和50KHz，其最小公倍数为150KHz，若使用偶数分频，则应产生f=300KHZ方波,分别通过6分频、10分频和30分频得到10KHz、30KHz、50KHz方波，然后通过滤波器得到相应正弦信号；用放大电路弥补分频滤波过程中衰减，并将幅度调节至合成所需比例关系。由傅里叶变换可以证明方波可体现为：
三角波可体现为：

因此频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ、70KHZ……相应幅值为正弦波可合成方波，频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ、70HZ……相应幅值为正弦波可合成三角波。同步，各分量相应相位关系也由三角函数形式及前面符号所决定。因而，还需要通过移相使各频率信号相位关系符合方波及三角波合成规定，然后将相应幅度不同频率正弦波形通过加法电路叠加成近似方波和三角波。同步，通过峰值检测电路检测各路正弦信号幅度，并通过MSP430单片机内置AD对电压幅值进行采样及显示。整个系统原理框图如图1.1所示。
方波振荡电路
方波分频
滤波
信号放大
波形移相
波形叠加
峰值测量
液晶显示
单片机解决系统

图 1.1 系统框架图
1.2系统方案设计、比较与论证
根据题目规定对其中某些重要某些进行方案设计、比较与论证：
1.2.1可调电压源设计方案
集成稳压电路一般分为5某些，即交流降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、保护电路。交流220V电压经电源变压器降压整流得到直流电压Vin，此电压通过滤波电路输入到带过流保护功能LM317集成稳压器输入端，在集成稳压器输出端可得到1.25～37V直流电压。我们制作电源中有常用定值电压±5V、±12V和±18V可调电压。
1.2.2方波振荡电路方案
本系统中方波振荡电路是后续各级信号产生基本，对频率精确度和稳定度规定较高。
方案一：555定期器构成多谐振荡器，直接调节至300KHz左右对称方波。此方案成本低廉，实现以便， 但其稳定性受到外部元件影响，在振荡频率较高时频率稳定度不够。
方案二：使用石英晶振构成高稳定度频率参照源，并使用计数器和集成锁相环芯片构成分频/倍频环，以产生300KHz方波。该措施产生信号稳定度高，但需要搭建石英晶体振荡电路，并进行锁相环分频、倍频，电路较复杂。
方案三：采用基于比较器和RC积分电路方波产生电路。该电路构造简朴，性能稳定，重要限制因素在于比较器速度。TI公司轨至轨高速比较器TLV3501，具有4.5ns翻转速度，结合恰当RC参数，可以达到300KHZ振荡频率。
因而。本系统采用方案三，此电路构造简朴，产生方波稳定性较好。
1.2.3滤波电路设计方案
本系统中需要得到正弦波均来自于相应方波信号基频，因而只需使用低通滤波器，并将截止频率设立为高于基波频率并低于谐波频率即可。
方案一：使用TI集成低通滤波器芯片TLC041进行低通滤波。采用晶振分频方波作为芯片外部时钟输入来控制滤波器截止频率。该方案实现简便，但灵活性较差，不便于截止频率微调。
方案二：同样使用TLC041集成滤波芯片，但是通过外接电容电阻来控制其内部时钟进行滤波。与方案一相比，灵活性较大。
方案三：直接采用TI 运放TL072及电阻、电容元件构成二阶巴特沃思低通滤波器进行有源滤波。
方案一、二虽然充足运用了TI滤波器件，可以在其工作频率范畴内得到较好成果，但是TLC041构成低通滤波系统最高截止频率一般不超过40KHz，用于本题中50KHz正弦波滤波，衰减过大。因而，本系统中统一采用方案三，滤波器构造清晰，截止频率可以进行充足调节，具有较好滤波效果，可以产生非常抱负正弦波。
1.2.4移相电路设计方案
移相电路对分频滤波后各路正弦信号进行相位移动，使它们相位关系满足信号合成需要。
方案一：采用无源RC移相网络。该方案电路简朴，可以实现移相目，但是通过相移网络后信号有衰减，并且在调节相移同步，信号幅度也会发生变化，需要在后级再加入放大器进行补偿，增长了系统复杂性。
方案二：采用有源RC移相电路，通过合理设计，可以实现信号幅度增益恒定为1，相位可调效果。因而，本系统中采用方案二进行移相电路设计。

2、系统实现
2.1硬件设计
2.1.1 方波振荡电路
方波振荡电路如图2.1所示，它是在高速比较器TLV3501基本上，增长了一种由R1、C1构成积分电路，把输出电路经R1 、C1反馈到比较器反相端。在接通电源瞬间，设输出电压偏于正饱和值，即Vo=+Vcc时，加到电压比较器同相端电压为+FVcc，而加于反相端电压，由于电容C上电压Vc不能突变，只能由输出电压Vo通过电阻R1按指数规律向C1充电来建立。如此循环，形成一系列方波输出。调节电位器R1可变化产生方波频率，范畴在0~1MHZ之间。同步，在输出端再接上一级比较器进行方波整形，以使产生方波边沿更加陡峭。

图2.1 方波振荡电路
2.1.2分频器电路
分频器电路由可同步预置计数器74LS161、D触发器74LS74及与非门74LS00构成。
以生成10KHZ方波为例，将300KHz原始方波作为时钟信号送入计数器74LS161CP端，使其开始计数，当计数值达到14时，通过逻辑门使并行置数端有效，从而在下一种时钟脉冲到来时将计数值置为0，以此实现15个状态循环，同步，每次计数值满信号还被送入D触发器接成T’触发器，实现高、低电平翻转，从而实现15×2=30分频，且输出波形为对称方波。以此类推，还可实现30KHZ、50KHZ分频。如图2.2所示，依次为10KHZ、30KHZ、50KHZ方波分频电路。此外，为使分频后各路信号相位关系在每次上电时都保持一致，使用了电阻、电容构成上电复位电路对各计数器和触发器进行上电复位。

图2.2 方波分频电路
2.1.3 滤波器电路
根据前述方案设计，采用运放TL072搭建二阶巴特沃思有源低通滤波电路，如图2.3所示。由图可见，它是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路构成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。当R5=R6=R，C2=C3=C时，其3dB截止频率为.图2.4中采用2K电位器调节截止频率，当2K电阻所有接入时，其3dB截止频率约为8KHz，减小电阻值可以提高截止频率。10KHz、30KHz和50KHz正弦波均由该构造滤波电路经调节获得。

图2.3 滤波器电路

2.1.4放大电路
用TI运放TLC085构成放大倍数在0~10可调反相放大电路。如图2.4所示，电压增益 = 。调节反馈电阻R10可变化增益。

图2.4 信号放大电路
2.1.5移相电路
根据前述方案设计，采用有源RC移相电路，如图2.5所示。
根据电路图可求得该电路闭环增益:

即
当时有
，，
相移，即通过调节电位器W值，可以变化相移，且不变化波形幅度。

图2.5 移相电路
2.1.6波形叠加电路
用TI运放TLC085实现增益可调求和电路，如图2.6所示，此电路可以实现波形互相叠加.
图2.6(a)是实现合成方波电路。图2.6(b)是实现合成三角波电路。

图2.6(a) 方波合成电路

图2.6(b) 三角波合成电路
2.1.7峰值测量
输入信号通过比较器输出信号对电容充电，并把充电稳定后电位反馈到比较器，循环比较，直至达到输入信号峰值，从而测出峰值。

图2.7 峰值检测电路
2.1.8 硬件设计抗干扰措施
该系统同步具有模仿和数字某些，硬件设计上需要应用抗干扰技术。
①避免数字信号与模仿信号耦合导致干扰
由于系统为数字系统与模仿系统互相联系混合系统，采用如下措施解决数字信号与模仿信号耦合问题：数字信号尽量远离模仿信号；在模仿信号与数字信号之间设立屏蔽；在数字地和模仿地之间接磁珠避免两地线之间串扰。
②避免电源干扰
由于数字电路在电源电路会产生峰值很大尖峰电流，供电电源是外部瞬时脉冲窜入系统重要通道，必要对其采用必要抗干扰措施：在放大器芯片电源输入处采用一种0.1uF 瓷片电容和一种10uF电解电容并联，作为旁路电容滤除纹波，有效地克制了来自电源线干扰影响；电容连线接近电源端并尽量粗短。
2.3软件设计
2.3.1 软件功能描述
软件运营于MSP430F147单片机上，可以对各个正弦信号幅度进行测量和数字显示，并且可以设定幅值上限报警值，达到报警值时开蜂鸣器报警。
2.3.2 软件流程
控制系统软件设计流程如图2.8、2.9所示。

图2.8主流程 图2.9 AD转换中断程序流程

3、作品性能测试
3.1系统测试措施
1）启动电源，检查±5V和±12V电源输出，通过导线给各模块供电。
2）方波振荡电路测试。调节电位器微调输出方波频率，同步使用数字示波器进行实时观测，直至方波频率调节为300KHz.
3）分频器测试。将300KHz方波信号输入分频器，用示波器观测输出10KHZ、30KHz和50KHZ方波波形和频率。
4）滤波器测试。观测三路滤波器输出正弦波波形，看有无明显失真及与否能在示波器上同步显示。
5）放大器测试。调节放大器增益，使正弦波幅度达到题目规定值。
6）移相测试。使用多通道示波器同步观测各路正弦波，调节移相器，使波形相位关系基本满足叠加规定
7）加法器测试。观测叠加后波形，看与否达到题目规定。若波形有轻微失真，调节移相器进行微调。
8）幅度测量和数字显示测试。观测单片机液晶模块显示各正弦波幅值数据，并与示波器观测值相比较。
3.2作品测试成果
1）基本规定某些
分频滤波解决后正弦波，如图3.1(a)(b)所示。波形无明显失真，幅度峰峰值为6V、2V。通过移相和加法器后合成近似方波，峰峰值5.04V，如图3.2所示。

图3.1(a) 图3.1(b) 图3.2
2）发挥某些
产生50KHz正弦信号，如图3.3所示；用基波、3次谐波和5次谐波合成近似方波如图3.4所示；合成三角波如图3.5所示。

图3.3 图3.4 图3.5
对正弦信号幅度进行测量和数字显示，成果如表3.1所示
表3.1 正弦信号幅度测量成果
频率
10KHz
30KHz
50KHz
实际幅度（峰峰值）
6.00V
2.00V
1.20V
测得幅度
6.08V
2.10V
1.26V
相对误差
1.33%
5%
5%
测量相对误差在±5%以内，符合规定。
系统报警功能测试:设定报警值为7V，调节放大器增益，使正弦波幅度增大，达到7V时，蜂鸣器开始报警。
4、总结与展望
本系统使用TI公司提供芯片TLV3501、TL072、TLC085、OPA2227、MSP430F147，电路简洁，功能发挥充足。此外，本设计具有如下特点：
（1） 在设计过程中，某些电路先采用原理仿真，使得设计更加可靠；
（2） 波形合成核心是移相电路，为保证移相电路精确度。此模块中均采用精密元件。
（3） 整个系统中在电源、方波产生、滤波、放大、移相、波形叠加模块均采用电位器进行手动调节各模块精度，使系统达到最佳效果。
（4） 通过核算，作品成本不超过100元人民币。此系统性价比高，实用性强。
参照文献
[1] 康华光编著.《电子技术基本模仿某些（第四版）》.高等教导出版社
[2] 康华光编著.《电子技术基本数字某些（第四版）》.高等教导出版社
[3] TLV3501 Datasheet，Texas Instruments，
[4] TL072 Datasheet，Texas Instruments，
[5] TLC085 Datasheet，Texas Instruments，
[6] OPA2227 Datasheet，Texas Instruments，
[7] MSP430F147 Datasheet，Texas Instruments，