1、摘 要 随着数字集成电路、微电子技术和 EDA 技术的深入研究，现代频率合成技术具有很大研究性。根据题目要求，我们以单片机 LM3S811 为核心，辅以必要的模拟电路，设计合成信号发生器。该系统主要由 LM3S811 单片机、方波发生器、分频电路、滤波电路、调理电路、加法电路等模块组成。本系统采用TLC083 芯片产生方波振荡电路，通过施密特触发器 CD40106 芯片进行波形变换后得到 300KHz 方波信号，经过 30 分频、10 分频、 6 分频电路后得到10KHz、30KHz、50KHz 信号，经过 TLC04 芯片进行滤波，得到相应频率但不同幅值的正弦信号，再通过由 TLC085 构
2、成的调理电路对相位和幅度进行调节，最后通过加法电路将三路正弦信号合成近似方波和三角波。测试表明，其结构紧凑，电路简单，可扩展性强，统功能完善，很好的实现了各项设计指标。关键词：信号波形合成 分频器 滤波器2AbstractAlong with the digital integrated circuits, microelectronics technology and EDA technology research, has great modern frequency synthesis technology research. According to the topic request
3、, we LM3S811 as the core, with single-chip microcomputer with necessary analog circuits, design and synthesize signal generator. This system mainly consists of LM3S811 single-chip microcomputer and square-wave generator frequency circuit, filtering, points circuit and regulate circuit, addition circ
4、uit module. The system USES the TLC083 chip produce square-wave oscillating circuit, through CD40106 chips for waveform Schmitt toggle 300KHz square wave signal transformation, after get 30 points frequency, 10 points frequency, 6 points frequency circuit 10KHz, 30KHz, after we get TLC04 50KHz signa
5、ls, after filtering, obtained corresponding chip frequency but different amplitude of the sine signals, then TLC085 constitute by the modulation circuit to phase and amplitude adjustment circuit will last through the addition of three road sine signal synthetic approximate square-wave and delta wave
6、s. Tests showed that the structure is compact, simple circuit, extensibility, perfect functions, ec well implemented the design indexes.Keywords：Signal waveform synthesis frequency divider filter3目 录摘 要 .2目录 .4引 言 .5第一章 系统总体设计和任务要求 .6第二章 方案论证与比较 .71.1 系统设计方案： .7第三章 理论分析计算和器件选型 .8第四章 系统的硬件设计 .84.1 方波
7、振荡电路设计 .84.2 无源滤波电路设计 .94.3 峰值检波电路设计 .94.4 加法电路设计 .10第五章 系统的软件设计 .105.1 系统软件设计概括 .105.2 软件设计流程图 .11第六章系统测试及结论分析 .116.1 测试仪器 .116.2 测试方法 .116.3 测试结果 .126.4 测试结论分析 .12第七章总结 .13参考文献 .144引 言信号源是现代电子系统的重要组成部分，它在通信、测控、导航、雷达、医疗等众多领域都有着广泛的应用，而且信号源还可以作为现代电子产品设计和生产中的重要工具，其必须满足高精度、高速度、高分辨率、频率可调等许多要求。凡 是 能 产 生
8、测 试 信 号 的 仪 器 ， 都 统 称 为 信 号 源 ,也 称 为 信 号 发 生 器 ，它 能 够 用 于 产 生 被 测 电 路 所 需 特 定 参 数 的 电 测 试 信 号 。 在 测 试 、 研 究 或 调 整电 子 电 路 及 其 设 备 时 ， 为 了 测 定 电 路 的 一 些 电 参 量 ， 如 测 量 频 率 响 应 、 噪 声系 数 ， 为 电 压 表 定 度 等 ， 都 要 求 提 供 符 合 所 定 技 术 条 件 的 电 信 号 ， 以 模 拟 在实 际 工 作 中 使 用 的 待 测 设 备 的 激 励 信 号 。 当 要 求 进 行 系 统 的 稳 态 特
9、 性 测 量 时 ，需 要 使 用 振 幅 、 频 率 已 知 的 正 弦 信 号 源 ； 当 测 试 系 统 的 瞬 态 特 性 时 ， 又 需使 用 前 沿 时 间 、 脉 冲 宽 度 和 重 复 周 期 已 知 的 矩 形 脉 冲 源 ； 并 且 要 求 信 号 源输 出 信 号 的 参 数 ， 如 频 率 、 波 形 、 输 出 电 压 或 功 率 等 ， 能 够 在 一 定 范 围 内进 行 精 确 调 整 ， 其 有 很 好 的 稳 定 性 和 输 出 指 示 等 。 信 号 源 可 以 根 据 输 出 波形 的 不 同 ， 划 分 为 正 弦 波 信 号 发 生 器 、 矩 形
10、脉 冲 信 号 发 生 器 、 函 数 信 号 发 生器 和 随 机 信 号 发 生 器 等 四 大 类 。 其 中 正 弦 信 号 是 使 用 最 广 泛 的 测 试 信 号 。因 为 产 生 正 弦 信 号 方 法 简 单 ， 且 用 正 弦 信 号 测 量 较 方 便 。 正 弦 信 号 源 又 可 以根 据 工 作 频 率 范 围 的 不 同 划 分 为 若 干 种 。 合成信号源的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成所需要的任意频率信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。合成信号源主要由晶体振荡器、频率合成单元、调制单元、电平
11、控制单元组成。5第一章 系统总体设计和任务要求总体框图由以上分析，系统的总体功能如图 1 所示：300KHZ方波振荡器30 分频10 分频6 分频无源低通滤波器调理电路无源低通滤波器有源低通滤波器信号合成电路MCU显示调理电路调理电路调理电路调理电路峰值检测电路500KHZ 1.5MHZ峰值检测电路峰值检测电路图 1 总体设计框图1.任务要求设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波和其他信号。（1） 基本要求1）方波振荡器的信号经分频与滤波处理，同时产生频率为 10kHz 和 30kHz 的正弦波信号，这两种信号应具有确定的相位关系；2）产生的信号波形无明
12、显失真，幅度峰峰值分别为 6V 和 2V；3）制作一个由移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的 10kHz 和30kHz 正弦波信号，作为基波和 3 次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为5V。（2） 发挥部分1）再产生 50kHz 的正弦信号作为 5 次谐波，参与信号合成，使合成的波形更接近于方波；2）根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号合成电路，将产生的10kHz、30kHz 等各个正弦信号，合成一个近似的三角波形；3）设计制作一个能对各个正弦信号的幅度进行测量和数字显示的电路，测量误差不大于5 ；6第二章 方案论证与比较1.1 系统设计方案：我们用 TLC083 芯片产生 300
13、KHz 的方波，经分频电路、TLC04 芯片滤波电路后得到一个正弦波，然后用峰值检波电路检测其峰峰值，最后用加法电路合成题目所求方波。1.1.1 方波振荡电路方案一：用 555 定时器接成的多谐振荡器，能使产生的方波占空比可调，即高电平持续时间与低电平持续时间的比值可调，占空比 1090，适合低中频振荡电路。方案二：用 TLC083 芯片，压摆率可达到 19V/us,带宽 10MHz，可实现高频振荡电路。通过以上比较分析，我们选用方案二。1.1.2 滤波电路方案一：采用 RC 滤波电路，由于电阻 R 与频率变化无关，RC 低通滤波器在器件选材方面要相对简单，但不适合大功率输出，仅可作为弱信号处
14、理与微小功率应用。方案二：采用 TLC04 芯片，四阶低通滤波器，TLC04 的截止频率的稳定性只与时钟频率稳定性相关，截止频率时钟可调，其时钟截止频率比为50：1，因而设计截止频率为 1/1.69RF1CF150=251.8Hz，能够满足振动时效和振动焊接工艺的要求。通过以上方案比较，我们选用方案二。1.1.3 峰值检波电路方案一：将交流信号与一直流信号叠加使之变成单极性，将其分压后用单片机 A/D 采样其值。方案二：采用 TLC372 和 LM358 芯片，通过峰值检波电路可以对交流信号进行绝对值处理，便于加速度值的进一步数字显示，电路构成相对简单。通过以上方案比较，我们选用方案二。1.1
15、.4 加法电路方案一：采用同向求和运算电路，同向求和电路的各输入信号的放大倍数互不影响，不能单独调整，因此同向求和电路调节不如反向求和电路方便。7方案二：采用反向求和运算电路，其电路中某一信号的输入电阻的阻值不影响其他输入电压与输出电压的比例关系，因此调节更方便。通过以上方案比较，我们选用方案二。第三章 理论分析计算和器件选型任何周期函数 f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即：10 )sinco(2)(n tbtatf 其中：第一项 为直流分量， 为角频率， ，T 为周期。20 2所谓周期性函数的傅里叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有阶谐波的迭加。方波为奇函数，它没有
16、常数项。数学上可以证明此方波可表示为： 411()sini3sin5si7)fttttt = 1()i(2)nt同样，对于三角波也可以表示为： 222281()sisi3si5sin7)fttttt = 1228()i()n t根据题目分析可得，基波峰峰值为 6V 时，方波三次谐波峰峰值为基波峰峰值的三分之一，方波五次谐波峰峰值为为基波峰峰值的五分之一；三角波三次谐波峰峰值为为基波峰峰值绝对值的九分之一,三角波五次谐波峰峰值为基波峰峰值的二十五分之一。第四章 系统的硬件设计4.1 方波振荡电路设计此电路由运算放大器 TLC083 和施密特触发器 CC40106 组成，振荡频率取决于 C1R3
17、的大小 ,频率计算公式 f=1/（1.39 C 1R3） 。其设计电路图如图 4 所示：8图 4.方波振荡电路4.2 无源滤波电路设计无源低通滤波电路主要由 TLC04 芯片组成，其 8 脚输入 10KHz 的方波，2脚由单片机产生 500KHz 的载波，输出幅度为 6V 的正弦波。同理，其 8 脚输入30KHz 的方波，2 脚由单片机产生 1.5M 的载波， ，输出幅度为 2V 的正弦波。其设计电路图如图 5 所示：图 5.无源滤波电路4.3 峰值检波电路设计将输入加法器的正弦信号输入峰值检波电路，得到正弦波信号的峰值送至单片机 A/D 转换后显示,其电路图如图 6 所示：9图 6.峰值检波
18、电路4.4 加法电路设计加法电路相当于输入端有三个电压源，相应的输入电阻决定了每个电压对电路的作用，而且反馈电阻和输入电阻的比例决定增益的大小。因为R11=R12=R13=R14,所以 Uo=U1+U2+U3,为避免静态偏移，要将相同端用电阻接地，接地电阻为 R15=R11/R12/R13/R14。其设计电路图如图 7 所示：图 7.加法电路第五章 系统的软件设计5.1 系统软件设计概括系统的软件设计主要用来产生两路载波和对三个电路的峰值进行采样并显示。LM3S811 本身带有 PWM 波形发生器和 AD 采样芯片，只需调整系统晶振和PWM 波周期、脉宽，便可输出 500KHZ 和 1.5MHZ 的方波信号，将 AD 芯片三路端口使能后，便可时时采样电压，采样数据送给单片机处理后，再由单片机送给 LCD 显示。105.2 软件设计流程图开始初始化Vpb11AD 采样显示三角波测量参数显示方波测量参数结束输出两种正弦波信号流程图第六章系统测试及结论分析6.1 测试仪器示波器、函数信号发生器、数字万用表、模拟万用表、直流稳压电源。6.2 测试方法（1）用示波器观察产生频率为 10KHz、30KHz、50KHz 的正弦波信号，（2）利用峰值检波电路对各个正弦信号的幅度进行测量，液晶屏将显示幅值。然后观察不同幅值下 10KHz、30KHz、50KHz 正弦波迭加的波形。
