波形合成器
更新时间:2024-06-06 07:06:01 阅读量: 综合文库 文档下载
2012年南京邮电大学电子设计竞赛
波形合成器(D题)报告
摘要:
本系统主要由rc文氏桥正弦波发生器,过零比较器,低通滤波电路,分频电路,相加器增益调节器,方波和三角波合成电路等实验电路组成。系统基本工作过程:正弦波发生器产生30KHZ的正弦波,经过过零比较器变为方波,通过分频电路转化为1KHZ,3KHZ,5KHZ的三路方波,分别由低通滤波器滤出对应频率的正弦波,最后通过方波和三角波合成器合成较标准的三角波和方波。结果表明,系统合成波符合理论傅里叶分析结果,实验误差小于5%,符合题目要求。 一.
实验要求 1.基本要求
(1)正弦波发生器能产生所需要的的正弦波波形(频率自行确定); (2)设计2至3组分频电路和有源滤波器电路(分频比自行确定);
(3)将分频滤波后的波形进行合成,在1k?负载条件下,输出信号的频率为1KHz,电压峰-峰值Vopp为5V,波形为三角波;
(4)调节各信号间的比例关系,产生方波波形,;输出信号的频率为1KHz,电压峰-峰
值Vopp为5V;
(5)输出信号波形不能有明显失真; 2.发挥部分
(1)增加一组分频电路和有源滤波器电路,以改善输出信号失真;
(2)在50?负载条件下,输出信号的电压峰-峰值Vopp在0~5V范围内可调; (3)工艺,创新及其他.
二. 总体方案设计
总体方案框图如下图1:
30分频电路 方波变换 1k低通滤波 同相 加法器 30kHz正弦 信号 发生器 过零比较器 10分频电路 方波变换 3k低通滤波 6分频电路 方波变换 5k低通滤波 移相器 同相 减法器
图1
(1)方案一:
正弦波发生器产生30KHZ的正弦波,经过过零比较器变为方波,通过分频电路转化为1KHZ,3KHZ,5KHZ的三路方波,分别由低通滤波器滤出对应频率的正弦波,最后通过方波和三角波合成器合成正确的三角波和正弦波型。
(2)方案二
产生1khz的正弦波,经过过零比较器变为方波,直接从1khz的方波中提取出1khz,3khz,5khz的谐波分量,再通过低通滤波器转化为正弦波,最后通过方波和三角波合成器合成正确的三角波和正弦波型。
比较两种方案,方案二对高Q值的带通滤波器设计要求较高,设计难度较大;方案一的方法比较单一,电路简化,利于器件的采购。因此本文采用方案一作为系统总体方案。
二. 单元电路设计
1. 基本正弦波发生器方案
正弦波产生方案有很多,如rc桥式正弦波发生器,LC振荡电路产生正弦波,晶体振荡器产生正弦波。出于实验需要30khz的正弦波和设计成本和复杂程度的考虑,而且LC振荡电路其产生高频波时才更接近于正弦波,选用RC文氏桥正弦波发生器,它能很简单地产生1Hz~1MHz的正弦波波形稳定,但是它的缺点是频率调剂困难。
我们使用100k阻值的滑动变阻器来进行对于RC电路起振的调节。由期f?1,经计算及multisim仿真,求得C=0.01uF,R=500Ohm。具体电路如图2:
2?RC
图2
2.过零比较器
比较器有很多种,对于本实验的30khz的正弦波,我们采用LM339电压比较器构成简单的过零比较电路。使得正弦波变为较严格方波,再用稳压管来限制输出方波的幅度。具体电路如图3:
图3
3.分频电路
本设计中,原始频率选择为30khz。要得到1khz,3khz,5khz的方波,需要对原始信号进行30,10,6分频。采用计数器74161实现上述三个分频电路。将30kHz方波输入各计数器时钟端,通过输出的波形达到分频目的,具体如下:
6分频电路即使74161从001开始计数,每到110便重新置数,如此Qc端即产生000111序列,即每六个周期产生一周期信号,达到6分频目的。
10分频同样原理使计数器从0011到1100计数,取Qd端即可得到10分频信号。
30分频需要使两片74161级联。因为74161最大为16进制计数器,若要30分频必须使其可以计数30个,所以要通过级联将其扩展为32进制,利用前一片的RC端控制后一片的T、P端,同步时钟,达到控制计数器工作的目的。将级联后的计数器控制在00001到11110计数,第二片74161的Qa即30分频输出信号。
由于我们所使用的multisim7中没有74161,所以仅以74160模拟6分频电路,具体电路如图4:
图4
4.低通滤波器
利用数字电路方法分频后,需要将信号还原为正弦波,我们使用低通滤波器完成该功能。
因为方波信号可以分解为许多高次谐波项的叠加,低通滤波器的作用是过滤高频信号保留低频信号,我们可以将低通滤波器的门限设置成方波的基波频率(基波频率与方波频率相同),这样就可以得到较严格正弦波且频率不变。
低通滤波器中存在电感,主要起到调节正弦波相位的作用,通过不断的尝试我们最终得到了合理数值。
下面具体电路仅以1kHz低通滤波器为例,如图5:
图5
5.方波合成器
由于要将方波滤出来的正弦信号按照y?20?sin3wxsin5wx?sinwx????的比例相??35?加,所以我们先对滤波后的信号进行了分析得出了一定的比例,再让这三路分频信号按幅度
为1:3:5的比例相加。所以我们不难想到要用运算放大器V1做加法器,由于反向加法器比同相加法器计算更简便,所以采用了反向加法器,通过计算各端阻值如下图6。
因为题目中明确要求输出的信号峰峰值为5V,而且拓展部分要求实现峰峰值由1~5V的变化,所以在V1后面加上另一个反向可调比例放大器V2,根据模拟的数值,我们知道最大要将最终幅值放大50倍,所以我们做了一个最大可达50倍的可调增益,通过计算得到滑动变阻器及各端电阻值如下图6:
图6
6.移相电路
由于在合成三角波的时候所需要的信号是coswx,cos3wx,cos5wx,所以要在我们滤波得到的正弦信号上进行90度的移相。我们可以利用RC的相平特性实现。波形图如下图7:
图7
7三角波合成器
由于要将三角波滤出来的信号按照y??20?cos3wxcos5wx?coswx???的比例相2???925?加,所以我们先对滤波后的信号进行了分析得出了一定的比例,再让这三路分频信号按幅度
为1:9:25的比例相加。所以我们不难想到要用运算放大器V1做加法器,由于反向加法器比同相加法器计算更简便,所以采用了反向加法器,通过计算各端阻值如下图7。
因为题目中明确要求输出的信号峰峰值为5V,而且拓展部分要求实现峰峰值由1~5V的变化,所以在V1后面加上另一个反向可调比例放大器V2,根据模拟的数值,我们知道最大要将最终幅值放大30倍左右,所以我们做了一个最大可达33倍的可调增益,通过计算得到滑动变阻器及各端电阻值如下图8:
图8
三.测试方案与测试结果
1.测试方案及测试条件
3.1.1单元一正弦信号发生器仿真波形如下图9:
图9
从上图8我们可以看到,RC文氏桥振荡器产生的波形虽然不是严格的30KHz的波形,但是处于误差范围内,基本上成功。
3.1.2单元二过零比较器仿真波形如图10:
图10
从上图9,可看出虽然正弦波转换为方波不是严格的相位一致,但由于这是分频之前的源信号,分频是在它的基础上,所以不会使得分频后信号不同相,所以相位变换在此不考虑。
3.1.3单元三分频仿真波形
我们仍以74160所做6分频进行仿真,如图11:
图11
从该波形可以明显看到每个高电平对应源信号的三个高电平,即产生严格的6分频。
3.1.4单元四低通滤波电路仿真波形:
我们仍以分频后所得1kHz方波信号进行滤波仿真,如图12:
图12
通过该图,可以看到方波严格的滤成相对应的基波,且没有相位偏移。
3.1.5单元五方波合成器如图13:
图13
我们可以看到经过按比例合成后的方波基本满足题目要求。
3.1.6单元六移相电路仿真如图14:
图14
从图14,我们可以看出移相后的波形和移相前的符合严格90度的关系。
3.1.6单元六三角波合成器如图15:
图15
通过此图我们可以看到,经由反向变换和比例合成后,得到较严格的三角波。
2测试结果分析
通过对于该题目的仿真,我们可以看到30kHz正弦波经过A/D变换、分频和D/A变换后,可以严格的达到分频目标,并且通过由运放构成的加(减)法器,及相应的相位变换,可以达到合成方波(三角波)的目的。
通过测试结果,我们可以确定该电路设计的正确性,通过对于实物的焊接制作,也遇到了不少问题,后发现都是制作过程中出现的问题,设计图没发现问题。
在后来的实际测试中,在误差允许的范围内也得到了较好的30kHz正弦波、1kHz方波以及1kHz三角波。
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