信号波形合成实验C题解析

模板—信号波形合成实验电路设计报告电子竞赛一等奖信号波形合成实验电路（C题）摘要：本系统利用有源晶振产生方波，设计了分频、滤波和放大电路得到基波至9次谐波正弦信号，通过移相电路，将不同频率的信号进行特定的相移，基于同相加法器实现信号相加，合成出近似方波信号和近似三角波信号，超出了发挥部分的要求，最后利用TI公司MSP430单片机和检波电路实现各个正弦信号的幅度测量和数字显示。

关键词：信号合成，傅里叶分解，分频，移相，MSP430一、系统方案1. 方案比较与选择该系统要求通过分频与滤波方式产生基波和各次谐波，基于此合成近似的方波和三角波信号，经过计算选择42MHz有源晶振产生方波，经过分频准确地产生10kHz至70kHz各个方波信号和近似90kHz方波信号，为有效地将各个方波信号中的谐波分量滤除，须保证滤波器具有优良的近似垂直截止特性，为此选择独立设计针对各个方波信号的四阶低通有源滤波电路。

经隔直电路后，选择反相比例放大电路，可将各个正弦信号的峰峰值灵活地放大或衰减至合成所需的数值。

为保证信号经过移相后不改变幅值，设计了有源滞后网络。

在信号处理末级电路中，选择同相加法器完成方波和三角波的合成。

1.1 方波信号产生方案一：利用TI公司的555芯片为核心实现，但难以产生高频方波信号且波形容易失真。

方案二：采用施密特触发器结合RC充放电电路实现，但此种实现方式频率稳定度不高。

方案三：直接利用有源晶振产生，可以得到所需频率的方波信号，且频率稳定度高。

经过比较，方波信号产生选择方案三实现。

1.2 分频电路方案一：利用FPGA技术，易于实现，但FPGA价格昂贵，增大了作品实现成本。

方案二：以TI公司的74系列数字集成电路为主，设计分频电路，在每个分频电路的最后一级采用D触发器构成的T触发器，可保证分频后信号50%的占空比，且电路的稳定性较好。

经过比较，为提升作品性价比，放弃现有的FPGA模块，选择方案二实现分频。

实验讲义—信号波形发生与合成I实验题目一、任务设计制作一个电路，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信号。

系统框图如图1所示。

矩形波基波三次谐波移相后基波合成信号图1系统框图二、要求㈠实验1—矩形波发生电路1、矩形波发生电路产生1kHz的方波（50%占空比），频率误差小于5%，方波波形幅度为5V，幅度误差小于5%。

r=50Ω。

2、矩形波发生电路输出阻抗o3、使用示波器测量矩形波的上升时间和下降时间，用数学表达式表达输出的矩形波信号。

㈡实验2—滤波分频电路1、矩形波发生电路产生的信号经两路不同频率有源滤波处理，同时产生频率为1kHz和3kHz的正弦波信号。

2、其中基波产生采用低通滤波器，要求-3dB带宽为1kHz，带外衰减≥-40dB/十倍频程下降，产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值为12V，幅度误差小于5%。

3、其中三次谐波产生采用带通滤波器，要求中心频率为3kHz，-3dB带宽小于500Hz，带外衰减≥-40dB/十倍频程下降，产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值为4V，幅度误差小于5%。

4、使用示波器观察基波和三次谐波的波形，测量基波和三次谐波的延迟时间大小。

㈢实验3—移相器电路1、设计并制作一组移相电路，完成对基波正弦信号的移相，使移相后的基波和三次谐波的波形如图2所示，要求移相电路的增益为1，增益误差≤5%。

图2 移相后的基波和三次谐波波形㈣实验4—加法器电路1、设计并制作加法器将3中移相器输出的基波与三次谐波相加，合成近似正弦波，波形幅度为5V，误差不大于0.5V。

合成波形的形状如图3所示。

图3 利用基波和3次谐波合成的近似方波三、说明1、可以用实验直流稳压电源提供±9V、±12V电源供电。

2、留出关键的测试点（输入、输出、中间某些关键点），以备测试。

3、设计报告1）电路设计（根据技术指标要求及提供的器件（运算放大器、电阻、电容），说明设计思路及参数计算过程，并画出电路原理图）。

实验一波形合成与分解实验目的在理论学习的根底上，通过本实验熟悉信号的合成、分解原理，了解信号频谱的含义，加深对傅里叶变换性质和作用的理解。

实验原理根据傅里叶分析的原理，任何周期信号都可以用一组三角函数{sin(n 0t);cos(n0t)}的组合表示，即：x(t) a0a1cos(0t) b1sin( 0t) a2cos(20t) b2sin(20t)即可以用一组正弦波和余弦波来合成任意形状的周期信号。

实验内容〔1〕方波的合成图示方波是一个奇谐信号，由傅里叶级数可知，它是由无穷个奇次谐波分量合成的，本实验用图形的方式来表示它的合成。

方波信号可以分解为:x (t)2Asin(2nf0t)1,n1,3,5,7,9, n1n用前5项谐波近似合成50Hz,幅值为3的方波，写出实验步骤。

a.只考察从t0s到t10s这段时间内的信号。

b.画出基波分量y(t) sin(t)。

c.将三次谐波加到基波之上，并画出结果，并显示。

y(t) sin(t) sin(3*t)/3再将一次、三次、五次、七次和九次谐波加在一起。

y(t) sin(t) sin(3*t)/3 sin(5*t)/5 sin(7*t)/7 sin(9*t)/9(2)合并从基波到十九次谐波的各奇次谐波分量。

将上述波形分别画在一幅图中，可以看出它们逼近方波的过程。

注意“吉布斯现象〞。

周期信号傅里叶级数在信号的连续点收于该信号，在不连续点收敛于信号左右极限的平均值。

如果我们用周期信号傅里叶级数的局部和来近似周期信号，在不连续点附近将会出现起伏和超量。

在实际中，如果应用这种近似，就应该选择足够大的N，以保证这些起伏拥有的能量可以忽略。

设计谐波合成三角波的实验，写出实验步骤，并完成实验。

设计分析方波、三角波频谱的分析实验，写出实验步骤，并完成实验〔并比拟二者频谱的特点〕。

实验报告要求简述实验目的及原理，按实验步骤附上相应的信号波形曲线，总结实验得出的主要结论。

信号波形合成实验电路（C题）参赛队学校：武汉工业职业技术学院参赛队号： 327001参赛队员：吴思超周杰何远健信号波形合成实验电路（C题）摘要：随着电子技术的发展，电子系统对信号波形的合成要求更高。

本信号波形合成实验电路由555多谐振荡电路输出一个方波，然后对方波信号进行分频和滤波分别得到10kHz、30kHz、和50kHz频率的正弦波信号，最后经过信号放大移相电路和信号加法合成电路得到一个近似的方波和三角波，用单片机控制模块控制经AD转换输出正弦信号的幅值、经LCD液晶数字的显示幅值以及键盘输入的选频电路。

本系统具有结构紧凑，电路简单，涉及的知识范围广、功能强大、可扩展性强等优点。

关键字:555振荡信号；滤波分频；移相；加法合成一．系统方案1．方案论证与选择（1）方波发生电路方案方案一：采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，然后根据需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。

这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。

方案二：采用555振荡电路或函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。

不用依靠单片机，用滑动变阻器调节频率，电路简单。

其缺点是这种模块产生的波形都不是纯净的波形，所以要有滤波电路。

根据题意，本系统需要一个300kHz的方波，所以选择方案二，用555振荡电路产生一个方波。

（2）滤波方案方案一：采用实时DSP数字滤波技术，数字信号灵活性大，可以在不增加硬件成本的基础上对信号进行有效的滤波，但要进行滤波，需要A/D、D/A既有较高的转换速率，处理器具有较高的运算速度，成本高。

方案二：以集成运放为核心的有源滤波电路，结构简单，所需元件少，成本低，且电路输入阻抗高、输出阻抗低，并有专门的设计软件。

所以根据实际情况，选择方案二作为系统的滤波方案。

（3）幅值检测与显示方案通过单片机系统的键盘输入控制选频，选择检测信号的输入，通过TLC549将采集的模拟信号转化为数字信号幅值，从而通过液晶显示器显示出来。

信号波形发生与合成摘要本实验设计验证制作一个电路，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信号。

本实验使用了集成运放TL081A产生幅值为5V，频率为1kHz的方波，再利用有源低通滤波器电路进行滤波，得到幅度峰峰值为12V，频率为1kHz的正弦基波分量，同时，利用有源带通滤波器可得到幅度峰峰值为4V，频率为3kHz的正弦三次谐波分量。

再用移相电路对正弦基波分量进行相位调节，最后用加法器电路将移相后的基波和三次谐波相加合成近似方波信号，近似方波信号幅度为5V。

所有误差幅度要求小于等于5%。

关键词：方波发生电路、幅值、有源低通滤波电路、有源带通滤波电路、峰峰值、移相电路、加法器一、设计选题 1. 题目设计：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信号。

系统框图如图1所示。

矩形波发生电路滤波分频移相器加法器正弦波产生实验方波合成实验矩形波测试点基波测试点三次谐波测试点移相后基波测试点合成信号测试点图1 系统框图2. 实验要求：（1）实验1—矩形波发生电路1、矩形波发生电路产生1kHz 的方波（50%占空比），频率误差小于5%，方波波形幅度为5V ，幅度误差小于5%。

2、矩形波发生电路输出阻抗o r =50 Ω。

3、使用示波器测量矩形波的上升时间和下降时间，用数学表达式表达输出的矩形波信号。

（2）实验2—滤波分频电路1、矩形波发生电路产生的信号经两路不同频率有源滤波处理，同时产生频率为1kHz 和3kHz 的正弦波信号。

2、其中基波产生采用低通滤波器，要求-3dB 带宽为1kHz ，带外衰减≥-40dB/十倍频程下降，产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值为12V ，幅度误差小于5%。

3、其中三次谐波产生采用带通滤波器，要求中心频率为3kHz ，-3dB 带宽小于500Hz ，带外衰减≥-40dB/十倍频程下降，产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值为4V ，幅度误差小于5%。

摘要本系统主要以TL081A运放为核心，由方波发生器、滤波分频电路、移相电路、加法器电路模块组成。

实现了产生多个不同频率的正弦信号与基于多个正弦波合成方波信号的电路功能.系统基本工作过程为：1kHz方波信号通过低通滤波器和带通滤波器得到按傅里叶级数展开的1kHz基波正弦波信号和3kHz三次谐波正弦波信号。

而后将基波信号通过移相电路使其相位调整到与三次谐波相同，然后通过加法电路将信号合成近似的方波信号。

输出波形结果表明，系统合成波形符合理论傅里叶分析结果，比较准确.正弦波及合成波的幅值测试误差小于5%，符合题目要求。

关键词：方波发生器；傅里叶级数；分频;滤波;移相一．总体方案设计及论证1.1题目设计任务设计制作一个电路，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信号。

系统框图如下图所示：具体要求:正弦波产生实验方波合成实验矩形波基波三次谐波移相后基波合成信号1.2 方案论证比较1.2.1 系统总体方案方波发生电路产生1kHz方波,对其中的基波和三次谐波分量进行提取，1kHz 基波可用截止频率为1kHz的巴特沃斯低通滤波器滤波得到，3kHz谐波可用中心频率设为3kHz的高Q值带通滤波器滤波得到。

最后再经相位调整重新合成近似方波.1。

2.2方波振荡电路的选择本系统中的方波发生电路是实现后续各级电路功能的基础，对频率准确度和稳定度的要求较高。

方案一：555定时器组成的多谐振荡器，直接调节至1KHz左右的对称方波。

此方案成本低廉，实现方便，但其稳定性容易受到外部元件的影响，在振荡频率较高时频率稳定度不够。

方案二:使用石英晶振组成高稳定度的频率参考源,并使用计数器和集成锁相环芯片构成分频/倍频环,以产生1KHz的方波。

该方法产生的信号稳定度高，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:采用基于反相输入的滞回比较器和RC电路的方波产生电路。

该电路结构简单，性能稳定，主要的限制因素在于比较器的速度。

实验二波形的合成和分解一. 实验目的1. 加深了解信号分析手段之一的傅立叶变换的基本思想和物理意义.2。

观察和分析由多个频率、幅值和相位成一定关系的正弦波叠加的合成波形.3. 观察和分析频率、幅值相同,相位角不同的正弦波叠加的合成波形.4. 通过本实验熟悉信号的合成、分解原理,了解信号频谱的含义。

二。

实验原理按富立叶分析的原理,任何周期信号都可以用一组三角函数｛ , }的组合表示:也就是说，我们可以用一组正弦波和余弦波来合成任意形状的周期信号。

对于典型的方波，其时域表达式为：根据傅立叶变换，其三角函数展开式为:由此可见，周期方波是由一系列频率成分成谐波关系，幅值成一定比例，相位角为0的正弦波叠加合成的.那么，我们在实验过程中就可以通过设计一组奇次正弦波来完成方波信号的合成，同理，对三角波、锯齿波等周期信号也可以用一组正弦波和余弦波信号来合成。

三。

实验内容用前5项谐波近似合成一个频率为100Hz、幅值为600的方波。

四. 实验仪器和设备1。

计算机 1台2。

DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套五。

实验步骤1. 运行DRVI主程序,点击DRVI快捷工具条上的"联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”。

2. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址,“c:\Program Files\Depush\DRVI3。

0”，在实验目录中选择“波形合成与分解实验”，建立实验环境，如图1。

图1 波形合成与分解实验环境下面是该实验的装配图和信号流图，如图3,图中的线上的数字为连接软件芯片的软件总线数据线号,6015、6029、6040、6043为定义的四片脚本芯片的名字。

图3波形合成与分解实验装配图3。

在“波形合成与分解”实验中的频率输入框中输入100，幅值输入框中输入300，相位输入框中输入0，然后点击“产生信号"按钮，产生1次谐波,并点击“信号合成”按钮将其叠加到波形输出窗中。

信号波形合成实验电路（C 题）摘要：该系统由方波振荡电路产生300k 方波，经三分频和十分频，同时得到10K,30K,50K 的方波。

使用TI 公司的四阶开关电容低通滤波器TLC041D ，可同时产生几路正弦信号，再经移相和加法器合成方波信号或三角波，由单片机采样峰值进行液晶显示.整个系统简易实现，性价比高。

关键字：方波振荡器 开关电容滤波器TLC041D 移相器 峰值检测 液晶显示1. 方案设计1.1 总体方案与系统框图题目要求从方波中提取基波和三次谐波，五次谐波，再合成方波，为实现题目要求，本系统的各个模块如图1所示。

由施密特触发器构成方波振荡电路，由简单的门电路和触发器构成分频电路，使用通用运放组成滤波，放大，移相电路合成方波或三角波。

图11.2 理论分析及TI 芯片选用依据任何具有周期为T 的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，如式（1-1）：）（公式1)sin cos (21)(10∑∞=++=n n n t n b t n a a t f ωω对于方波和三角波分别可以通过傅立叶展开，如式1-2，1-3所示：）（公式2)7sin 715sin 513sin 31(sin 4)( ++++=t t t t ht f ωωωωπ）（公式3)7sin 715sin 513sin 31(sin 8)(2222+-+-=t t t t ht f ωωωωπ结合题目要求，本系统主要需要以下器件：（1） 信号源施密特触发器CD40106产生300K 方波；（2） 300K 方波分别经分频器 得到50K ，30K ，10K 方波；（3） 滤波芯片TLC041，通用运算放大器OP 系列，以及电流监测芯片））（4）INA1270单片机Atmaga16。

因此，在选用本系统的集成芯片（IC）时，低功耗，高精度，性能稳定的芯片就是选用的目标。

TI公司的相关芯片可满足本系统的要求。

选用TI芯片介绍：TLC041D是TI公司推出的四阶巴特沃斯型开关电容滤波器，该滤波器的截至频率可从0.1Hz到30KHz，且稳定度只取决于时钟的稳定性，时钟与截至频率之比为50：1。