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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:CD4046CD4018MSP430F149OPA820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、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CMOS 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C 1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。
f 0=1/8*C 1*((V 1-V GS )R 1+(V DD -2*V TP )R 2)其中V 1是9脚的输入电压，V GS 是锁相环内部MOS 管的栅-源极压降，V TP 是栅极的开启阈值电压，V DD 是工作电压。
当C 1=103Pf，R 1=100k 时，振荡频率变化范围为80-150KH Z 。
分频电路CD4018是一个高电压型可预置1/N 计数分频器，固定可编程2，3，4，5，6，7，8，9，10分频。
信号波形合成实验电路+电路图信号波形合成实验电路+电路图第一章技术指标1 系统功能要求2 系统结构要求第二章整体方案设计1 方案设计2 整体方案第三章单元电路设计1 方波振荡器2 分频电路设计3 滤波电路设计4 移相电路设计5加法电路设计6整体电路图第四章测试与调整1 分频电路调测2 滤波电路调测3 移相电路调测4加法电路调测5整体指标测试第五章设计小结1 设计任务完成情况2 问题与改进3 心得体会第一章技术指标1 系统功能要求1.1 基本要求(1)方波振荡器的信号经分频滤波处理，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10kH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，合成波形的形状如图1所示。
图1 利用基波和3次谐波合成的近似方波1.2 发挥部分再产生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 系统结构要求2.1 方波振荡器：产生一个合适频率的方波，本实验中选择6MHz；2.2 分频器：将6MHz方波分频出10kHz、30kHz和50kHz的方波；2.3 滤波器：设计中心频率为10kHz、30kHz、50kHz三个滤波电路，产生相应频率的正弦波；2.4 移相器：调节三路正弦信号的相位；2.5 加法器：将10kHz、30kHz和50kHz三路波形通过加法电路合成，最终波形如图2。
2.6该系统整体结构如图3图2 基波、三次谐波和五次谐波合成的方波图3 电路示意图第二章整体方案设计1 方案设计1.1理论分析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n阶谐波的迭加。
数学上可以证明方波可表示为：（1）其中A=4h/ ，h为方波信号峰值。
已知基波峰峰值要求为6V，故A=3 ，所以3次谐波对应的幅值为1V，5次谐波对应的幅值为0.6V。
信号波形合成实验电路摘要：本设计通过ICL8038产生300K方波信号，再通过计数器CD4518及74LS161与D 触发器分频成多个不同频率的方波信号，并将这些信号经过巴特沃斯低通滤波器、反相比例运放电路、 型滤波电路、跟随器，将其转换为10K、30K、50K正弦信号，再经RC移相电路之后，利用同相输入求和加法器将峰峰值分别为6V、2V、1.2V的正弦波合成为近似方波及其他信号。
Abstract：This design can produce 300KHz square-wave signals by ICL8038, then spilt frequency through CD4518 counter with D flip-flop 74LS161 , and will put these signals through butterworth low-pass filter, opposite proportion amp circuit, filter circuit and follower circuit,and will produce 10KHz,30KHz and 50KHz sine signals, then by using RC phase-shifting circuit with these signals and same-phase sum adder,it can compound 6V、2V、1.2V sine signals to produce approximate sine signals and other signals.一、系统方案与论证1.1高频方波产生电路的比较方案一：采用555定时器，555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容就可以产生方波。
缺点是本电路需要产生高频方波，而用555定时器产生的高频方波不稳定。
方案二：采用ICL8038精密压控函数发生器，ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～1M Hz的正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。
波形产生电路实验报告一、实验目的本实验旨在探究波形产生电路的基本原理和实现方法，并通过实验操作，了解不同电路参数对波形产生的影响。
二、实验器材1.示波器2.函数信号发生器3.电阻、电容等元器件4.万用表三、实验原理1.基本原理：波形产生电路是指能够产生各种规定形状的周期性信号的电路。
其中，常见的信号有正弦波、方波、三角波等。
2.具体实现：通过改变元器件参数或改变连接方式，可以得到不同形状和频率的周期性信号。
例如，正弦波可以通过RC滤波电路产生；方波可以通过比较器电路和反相放大器电路产生；三角波可以通过积分放大器电路和反相放大器电路产生。
四、实验步骤及结果分析1.正弦波产生电路：（1）将函数信号发生器输出连接至RC滤波电路输入端；（2）调节函数信号发生器输出频率为1000Hz；（3）调节RC滤波电路中的R值和C值，观察示波器上输出的正弦波形状，并记录下所使用的元器件参数；（4）重复以上步骤，改变RC电路中的R和C值，观察输出波形的变化情况。
实验结果：通过调节RC电路中的R和C值，可以得到不同频率和振幅的正弦波。
2.方波产生电路：（1）将函数信号发生器输出连接至比较器电路输入端；（2）设置比较器电路阈值电压为0V；（3）调节函数信号发生器输出频率为1000Hz；（4）观察示波器上输出的方波形状，并记录下所使用的元器件参数；（5）重复以上步骤，改变比较器电路阈值电压和函数信号发生器输出频率，观察输出波形的变化情况。
实验结果：通过调节比较器电路阈值电压和函数信号发生器输出频率，可以得到不同占空比和频率的方波。
3.三角波产生电路：（1）将函数信号发生器输出连接至积分放大器电路输入端；（2）将积分放大器电路输出连接至反相放大器输入端；（3）调节函数信号发生器输出频率为1000Hz；（4）观察示波器上输出的三角波形状，并记录下所使用的元器件参数；（5）重复以上步骤，改变积分放大器电路中的R和C值，观察输出波形的变化情况。
信号波形合成实验电路（C 题）内容介绍：该项目基于多个正弦波合成方波与三角波等非正弦周期信号的电路。
使用555电路构成基准的方波振荡信号，以74LS161实现前置分频形成10KHz 、30kHz 、50kHz 的方波信号，利用TLC04滤波器芯片获得其正弦基波分量，以TLC084实现各个信号的放大、衰减和加法功能，同时使用RC 移相电路实现信号的相位同步；使用二极管峰值包络检波电路获得正弦信号的幅度，以MSP430作为微控制器对正弦信号进行采样，并且采用段式液晶实时显示测量信号的幅度值。
1方案 1.1题目分析考虑到本设计课题需要用多个具有确定相位和幅度关系的正弦波合成非正弦周期信号，首选使用同一个信号源产生基本的方波振荡，使得后级的多个正弦波之间保持确定的相位关系。
在滤波器环节，为了生成10kHz 、30kHz 和50kHz 的正弦波，我们需要使用三个独立的滤波器，由于输入滤波器的是10kHz 、30kHz 和50kHz 的方波信号，所以可以使用带通滤波器或者低通滤波器，并且尽量维持一致的相位偏移。
从Fourier 信号分析理论看，合成 数学上可以证明此方波可表示为：)7sin 715sin 513sin 31(sin 4)( ++++=t t t t h t f ωωωωπ三角波也可以表示为：)7sin 715sin 513sin 31(sin 8)(2222 +-+-=t t t t h t f ωωωωπ由以上的数学分析可知，保持各个正弦波之间的相位和幅度的准确关系是准确合成方波和三角波的关键，为此，需要为各个频率的正弦波设计移相电路和放大电路以调节大小和相位关系。
在正弦波幅度测量与显示部分中，需要使用MCU 采集并处理信息，使用液晶显示数值。
1.2系统结构系统结构如图1所示，使用同一个方波发生器作为基准，以便实现相位同步；为补偿在分频器和滤波器中出现的相位偏移，需要后级进行相位和幅度校准。
信号波形合成实验电路摘要：本文介绍了一个信号波形合成的电路方案。
该电路能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三角波。
该电路用运放构成的迟滞比较器并结合RC震荡电路产生了方波，产生的方波再经滤波电路进行分频产生出不同频率的正弦波，这些不同频率的正弦波经移相电路形成不同相位的正弦波，再经由运放构成的加法器电路最终产生合成信号。
此外，该电路还以LM3s811为主控制器对产生的信号的幅度和频率进行测量和数字显示。
所有指标都达到题目要求。
关键词：方波电路分频与滤波移相电路加法器电路Abstract：This article describes a signal waveform synthesis circuit scheme. The circuit can produce several different frequency sinusoidal signal, and these signals and then to an approximate square wave synthesis and other signals. The circuit amplifier consisting of comparator with hysteresis RC oscillation circuit produced a square wave, square wave generated by the filter circuit for frequency division produces different frequency sine wave, these different frequency sine wave and then via the formation phase-shift circuit different phase sine wave, then through the amplifier consisting of Adder the resulting composite signal. In addition, this circuit is also the main controller LM3s811 circuit on the amplitude of the signal measurement and digital display. All indicators have reached the required title.Key words:：The shock wave circuit, frequency division and filtration, phase-shifting circuit, adder circuit一、作品简介根据题目要求，此波形发生器的设计主要包括四个部分：方波振荡电路、分频与滤波电路、移相电路、加法器电路。
信号波形合成实验电路（C题）摘要本系统主要基于傅里叶分解的原理，根据其逆运算将满足一定相位关系的不同频率正弦波叠加合成近似方波和一些其他波。
555振荡器产生的高频方波经分频滤波得到不同频率正弦波，再由OPA842、OPA820构成的比例放大器进行幅值调整，移相叠加后即可合成不同类型的波形。
系统中以MSP430F449单片机为主处理器利用TLC084I构成的峰值检波电路对各种频率的正弦波电压采集进行测幅并进行液晶显示。
在系统设计中由于参数设计精确科学、匹配电路设计合理、运行效率高，各部分电路采用有源工作，分频、滤波、调幅、移相、信号合成均效果很好，系统具有较强的抗干扰能力和稳定性，这也是本系统的特色。
关键字：OPA842 OPA820 TLC084I MSP430F449 方波信号合成1 方案论证与比较由设计要求可知系统需要方波振荡器、分频器、选频滤波电路、移相器，和加法器。
对于各个环节方案选择如下：1.1方波振荡器方案一由UA741放大电路外接若干电阻，电容和二极管形成方波振荡电路。
此方案硬件电路复杂，可靠性差。
方案二用MAX0832集成芯片产生所需方波，可靠性好，稳定性好，但是经济价值过高。
方案三用NE555时基电路构成的多谐振荡器产生方波，电路简单，参数易于计算，经济合理。
综合上述本系统选用方案三作为方波振荡电路。
1.2分频器方案一利用单片机实现分频，占用CPU过多，单片机信号的复制要求较大。
方案二利用由D触发器构成的约翰逊计数器进行同步计数分频，电路简单经济，但是分频倍率为2n。
方案三利用74LS161计数器进行分频，分频电路简单，经济合理，符合系统要求。
本系统中选用第三种方案1.3选频滤波电路方案一双T型RC选频网络，选频效果好，参数不易设置。
方案二串联谐振电容选频电路，电路简单，选频效果不太好方案三采用有源滤波，此方案幅值衰减可以减小，其阻抗特性易于匹配。
1.4调幅电路方案一采用电位器降压，此方案电路简单经济，但对于多环节系统影响较大。
TI 杯江苏省模拟电路设计竞赛论文参赛题目：信号波形合成实验电路指导老师：王鸿磊贾伟伟队员姓名：陈志斌胡闯郦宝鹏学校：徐州工业职业技术学院摘要本作品基于方波的傅里叶分解与合成设计，电路主要由MSP430、滤波电路模块、放大器模块、移相器模块和加法电路模块组成，具有信号波形合成的功能。
首先通过有源晶振产生10kHz、5v方波信号源，经过电压跟随器增强其带负载能力；然后将信号输入二级滤波网络，得到10kHz、30 kHz和50 kHz三种正弦波信号，通过OP07芯片组成的放大电路进行信号放大；最后分别将10kHz、30kHz、10kHz、30kHz和50kHz通过移相电路和加法器完成信号的合成，输出一个近似方波和三角波。
通过MSP430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％，满足设计要求。
本方案完成了全部基本功能和部分的扩展功能。
关键词：信号分解与合成傅里叶变换滤波AbstractThis work is based on the Fourier decomposition square with synthetic design, the main circuit, filter circuit module by MSP430, amplifier module, phase shifter module circuit module, and the addition of signal waveform synthesis has the function. First 10khz produced by active crystals, after voltage pulse signal 5-v with its load ability is enhanced, Then will signal input secondary filter, 10 kHz, network 30 kHz and 50 kHz three sine signals, through the OP07 chips amplifier circuit for amplification, Finally, 10 kHz will 30Khz, 10Khz and 30 kHz, 50 kHz and phase shifting through adder circuits and finish the synthesis, output signal an approximate square-wave and triangle. Through the design of a MSP430 each sine signal amplitude of the measurement and digital display circuit, the measurement error less than 5%, and meet the design requirements. The basic function and completed all part of function expansion.Keywords：Signal decomposition and composition Fourier transform Filtering一、 系统方案设计与论证1.1方案设计1.1.1方波产生输出模块方案一：采用74L161芯片和4Mhz 晶振的组成的分频电路。
通过74L161芯片组成反馈清零电路，计数到100时输出一个高电平，因为经计数器以后的波形占空比很小，所以用74LS74将波形变成占空比50%的完美方波。
频率为10KHz 。
方案二：本方案采用由MSP430F4270内部通过定时器产生方波，由单片机对电压的高低电平的控制，并通过P1.0端口输出。
经试验论证，方案二虽比较简单、功耗小，但信号分解后频率抖动比较严重，因此我们选用方案一，通过有源4Mhz 晶振完成10Khz 信号输出。
1.1.2 滤波电路模块方案一：并联RLC 的是电流谐振，谐振时流过电感和电容上的电流是信号源电流的Q 值，并联阻抗最大。
方案二：串联RLC 的是电压谐振，谐振时电感和电容上的压降是信号源压降的Q 值，Q 就是LC 的品质因数, 串联阻抗最小。
考虑到后级电路需要较高、较稳定的电压，我们选用RLC 串联滤波电路。
1.1.3移相电路模块本方案采用简单的RC 移相电路，RC 移相电路主要是利用电容器的电流超前电压90度特性，因为电容要充电，所以电压要比电流滞后90度，等电容充满电后才有电压。
所以可以完成90度移相。
1.2 理论分析与参数计算1.2.1方波的合成根据以下公式可知，方波由一系列正弦波(奇函数)合成，这一系列正弦波振幅比为 1: 1/3: 1/5。
)7sin 715sin 513sin 31(sin 4)( t t t t h x f ωωωωπ+++= 1.2.2三角波的合成根据以下公式可知，三角波由一系列正弦波(奇函数)合成，基波和各阶谐波振幅比为：)77sin 55sin 33sin 1sin (8)(22222 +-+-=t t t t h t f ωωωωπ采用滤波电路来获取10khz 、30khz 和50khz 的信号。
考虑到当Q 值较大时，在0ω附近的频带宽度较狭窄，但Q 值过大会影响到后期电路的电压输入。
因此，22271:51:31:1Q 值取Q <10。
根据0ω=LC1得：10kHZ : C=1/（4*3.14*3.14*f 0*f 0*10-2）=25000pf 30KHZ : C=1/（4*3.14*3.14*f 0*f 0*10-2）=2777.778pf 50KHZ : C=1/（4*3.14*3.14*f 0*f 0*10-2）=1nf 根据Q ＝RL0ω得：10kHZ : R=(2*3.14*f 0*10-2)/10=62.8Ω 30KHZ : R=(2*3.14*f 0*10-2)/10= 188.4Ω 50KHZ : R=(2*3.14*f 0*10-2)/10= 314Ω 1.2.3放大器稳定性（1）放大器板上所有运放电源线均有极性和无极性电容滤波。
有极性的1000μF 大电容可滤除电流上的高频信号，无极性的电容滤除低频信号干扰它们配合在一起可较好地滤除电路上的串扰。
安装时尽量靠近IC 、电源和地。
（2）数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时数字地和模拟地电源地一点相连。
二、 电路与程序设计2.1 硬件电路设计2.1.1系统框图本系统主要由MSP430F4270单片机、比较电路模块、跟随器、谐振电路模块、移相电路模块、加法器和电源模块组成。
为了提高方波电压稳定性，我们外接一个比较器，为了提高后级电路带负载能力，我们又外接一个接射级跟随器。
由于一级滤波电路滤波后外加较多的杂波信息。
我们特意在此之后外接一个二级滤波电路，进行二次滤波。
如图1所示图1 系统框图2.2主要模块电路2.2.1选频电路我们用RLC 串联谐振电路作为二级选频电路，我们通过外接滑动变阻器选择Q值0-10可调。
电路原理图见图2 ：图2 选频电路原理图2.2.2 反相加法电路加法器构成的信号合成电路，将产生的10kHz、30kHz和50KHZ正弦波信号，作为基波、3次谐波和5次谐波，合成一个近似方波,因为R1=R2=R3=R4,所以同相输入电阻R=R1//R2//R3//R4，因此输出电压u0= - RF /R (ui1+ui2+ui3)，输出电压5V，符合要求。
电路原理图如图3：图3 反相加法电路原理图2.3软件设计软件主要进行本实验所需的方波输出及显示功能。
软件流程图如图4：主程序 服务程序图 4 软件流程图三、 测试方案和测试结果分析3.1 测试仪器（1） LDS20205数字示波器 （2） YB1620函数信号发生器 （3）泰克 TDS1002 60M 数字示波器3.2 测试方法（1）方波振荡器的信号经分频与滤波处理，测量频率为10kHz 、30kHz 、50kHz 的正弦波信号，并具有确定的相位关系；（2）经分频和滤波产生，测量10kHz 、30kHz 、50kHz 的正弦波信号的峰峰值分别为6V 、2V 和1.2V 。
（3）通过移相器和加法器构成的信号合成电路，将10kHz 和30kHz 正弦波信号作为基波和3次谐波，测量合成的近似方波的测量幅度为5V 。
（4）将10kHz 、30kHz 、50kHz 正弦波信号作为基波和5次谐波信号作为5次谐波合成，测合成波形根接近方波。
（5）在同相情况下，改变正弦波幅度，将10kHz 、30kHz 、50kHz 正弦波信号合成三角波。
（6）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％。
3.3 数据测试及数据分析3.3.1频率测试分析测试滤波器性能，调节信号源，输入周期方波：F=10KHZ，连接到滤波器输入端，用示波器观察滤波器输出信号的波形，并测试相关参数，作数据记录，如表1：由表1可以看出滤波电路在10kHz信号时精度最好，其次50kHz信号，由于30kHz携带的10kHz的谐波分量比较多，因此，30kHz的信号精度比较差，而且电压抖动比较严重。
但经过二级放大后，30kHz正弦波频率优化最明显，10kHz 无明显改善。
3.3.2 电压测试分析我们将9v电压对应0.6v电压检测，通过数值分析，通过matlab方针运算得出一个阻尼系数，得出9v电压对应0.6v电压一一对应关系。
不但可以检测2v-6v峰峰值电压，而且扩大到1.2v-9v峰峰值检测。
2v以上检测偏差±1％，2v 一下检测误差±5％，满足设计要求。
表2 电压测试实验数据3.4 合成信号的输出图形3.4.1 10kHz和30kHz正弦波信号合成近似方波波形结果分析通过以上的理论计算与分析可知，方波可以由一系列正弦波(奇函数)合成，将滤波电路输出的10kHz和30kHz信号作为基波和3次谐波，通过放大器放大，并进行信号的迭加，波形幅度为5V，从FFT图显示，合成效果非常好，满足设计要求。
合成波形的形状如图5所示。
图5 由10kHz 和30kHz 正弦波信号合成近似方波波形3.4.2 由10kHz 、30kHz 和50KHz 正弦波信号合成近似方波波形分析将10kHz 、30kHz 和50kHz 信号作为基波、和3次谐波5次谐波，参与信号合成。
使得合成的波形更接近于方波，通过示波器测试，合成的信号幅度为1.02V ，从FFT 图显示，合成效果非常好。
