1、1信号波形合成实验电路的设计与制作摘要：任何电信号都是由不同频率、幅值、初相的正弦波叠加而成的。本方案设计了一个信号波形的合成电路，通过方波振荡器产生的一定频率的方波，经分频，滤波后得到按傅里叶级数展开的基波和 3 次、5次谐波，经移相后将其中的基波与多次谐波相叠加后模拟合成方波。本方案采用了大量 TI 公司的芯片例如CD4046、CD4018、MSP430F149、OPA820 等。 关键词：CD4046 CD4018 MSP430F149 OPA820 基波 谐波 方波 1 方案设计 1.1 系统分析 系统设计框图如图 1 所示。 图 1 系统分析 该系统主要由方波振荡电路、分频滤波电路、
2、移相电路、加法电路及幅值测量显示电路组成。由方波振荡电路产生 150KHZ 方波，经分频分别得到 10KHZ、30KHZ 和 50KHZ 的方波，通过滤波得到 10KHZ、30KHZ 和50KHZ 正弦波。正弦波经移相后由加法电路叠加生成合成信号，同时由幅值测量显示电路显示对应正弦波的幅值。 1.2 系统设计与理论计算 振荡电路 振荡电路如图 2 所示。该模块主要由锁相环 CD4046 构成的电路来实2现。要产生频率为 10kHz 和 30kHz，幅度为 6V 和 2V 的正弦波信号，则输入信号幅度必须大于 6V，锁相环锁定在 30KHZ 附近。 图 2 振荡电路 CD4046 是通用的 CM
3、OS 锁相环集成电路，其锁相环采用的是 RC 型压控振荡器。当 9 脚输入端输入 5V 电源时，电路即起基本方波振荡器的作用。振荡器的充、放电电容 C1 接在 6 脚与 7 脚之间，调节电阻 R2 的阻值即可调整振荡器振荡频率，振荡方波从 4 脚输出。 f0=1/8*C1*（V1-VGS）R1+（VDD-2*VTP）R2） 其中 V1 是 9 脚的输入电压，VGS 是锁相环内部 MOS 管的栅-源极压降，VTP 是栅极的开启阈值电压，VDD 是工作电压。 当 C1=103Pf，R1=100k 时，振荡频率变化范围为 80- 150KHZ。 分频电路 CD4018 是一个高电压型可预置 1/N
4、计数分频器，固定可编程2，3，4，5，6，7，8，9，10 分频。包括 5 级约翰逊计数器，提供时钟，复位，数据，预置允许，特点是额定电压达 20V，全静态工作，标准化对称输出特性，5V 电压，10V 和 15V 参数级别。5 分频电路如图 3 所示。 图 3 5 分频电路 图 4 滤波电路 滤波电路 本模块采用 TI 公司 UAF42 有源滤波器。UAF42 是具有高集成度，特点是通用性强，可根据需要设计成低通，高通，带通和带阻滤波器，具3有高精度频率和高 Q 值，片内集成有 1000pF5%的电容。本设计三路正弦波都采用低通滤波，电路相似，参数不尽相同。其中 10K 正弦波滤波电路如图 4
5、 所示。 当采用如图 4 电路时，为低通滤波器，此时有 f= /2，2=R2/R1RF1RF2C1C2，其中 f 为滤波器截止频率。根据 UAF42 内部电路可知：R1=R2=50K，C1=C2=1000PF，同时外部电路满足RF1=RF2=R5+R6=R7+R8，所以 与 f 就与 R5，R6，R7，R8 有关，调节R6、R7 来满足要求。 滤波器品质因数 Q=（1+R4（RG+RQ）/RGRQ）/（1+R2/R1）*（R2RF1C1/R1RF2C2）1/2，其中 RG 为增益控制电阻，RQ 为品质因数调节电阻，RG=R3，RQ=R4，UAF42 内部 R4=50K，于是 Q 就与图中的R3
6、，R4 有关，调节 R4 来满足要求。 移相电路 图 5 移相电路 移相电路如图 5 所示，由两级运放组成，本设计中采用 LF353，第一级运放与 C17、R23 构成有源微分网络，第二级运放与 R24、C19 组成有源积分网络。当输入正弦交流信号时，第一级运放输出超前相位信号，第二级运放输出一滞后相位信号，通过调节 R24 可使输出信号与输入信号相位发生变化。 加法电路 加法电路如图 6 所示，本设计采用同相输入加法电路。输出Uo=（1+R25/R27） （U1+U2+U3） 。当 R25=R27 时，Uo=2（U1+U2+U3） ，此时4实现输入信号叠加。 图 6 加法电路 图 7 峰值检
7、波电路 幅值检测显示电路 该电路由峰值检波电路和显示电路组成。 峰值检波电路 如图 7 所示，峰值检波电路由二极管，电解电容，和一个大电阻组成。 峰值显示电路 本电路由 TI 公司 MSP430F149 单片机及相应电路组成，电路如图 8所示。 图 8 MSP430F149 幅值测量显示电路 其中 MSP430F149 是 TI 公司 16 位超低功耗单片机。由 2 个 16 位定时器、8 路快速 12 位 A/D 转换器、2 个通用串行同步/异步通信信号接口和 18 个 I/O 引脚等构成的微控制器。其特点是电源电压范围为 1.8V-3.6V，超低功耗，内部集成看门狗定时器。 通过 F149
8、 单片机的 P1.0、P1.1 和 P1.2 口分别进行 AD 采样，得到10KHZ、30KHZ 和 50KHZ 正弦波的幅值，通过按键 SW1、SW2、SW3 切换在12864 液晶上显示各自峰值。 2 测试结果 在测试阶段，我们对得到的正弦波进行了频率、峰峰值的测量并计算了峰峰值测量误差。测试得到的数据如表 1 所示。 5表 1 数据分析表 参考文献： 1康华光.电子技术基础模拟部分 ，高等教育出版社，2006. 1. 2SLAU049D，MSP430x1xx Family Users Guide，Texas Inst- ruments，USA. 3MSP430x1xx Family Users Guide Errata，Texas Inst- ruments，USA.
