信号波形合成实验电路设计
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设 计 报 告
信号波形合成实验电路
2016-1-17
设计报告
信号波形合成实验电路
摘要：利用NE555产生10kHz的基准方波信号，用CPLD EPM1270对方波信号进行分频，分别产生10KHZ,30KHz,50KHz的方波信号，以及500KHz，的时钟信号（用于巴特沃斯低通滤波器的时钟信号），并完成数据转换控制及LCD显示驱动；用TI的TLC04ID四阶巴特沃斯低通滤波器对10KHz,30KHz方波进行低通滤波，产生相应的正弦波信号，而50KHz的正弦波信号，用二阶有源带通滤波器对50KHz的方波进行处理来获得；采用有源RC网络对正弦波进行移相，调整电阻R可实现对10KHZ，30KHz，50KHz的正弦波信号约101度范围的移相；采用运放求和电路对10KHZ，30KHz，50KHz的正弦波信号进行相加，实现近似方波、三角波的合成。另外，用AD563将正弦交流电压转换成直流电压，用TI的ADC TLC549进行电压幅度检测，测量误差在5%以内。完成了该题目的基本要求和发挥部分的全部内容。共用TI公司五种IC。
关键词：波形合成 滤波器 移相网络 电压测量
一、 系统方案论证
根据题目要求，设计制作一个电路，将产生的频率为6MHz方波信号，经分频滤波后得到10KHz、30KHz、50KHz频率的正弦信号，然后将这些信号再合成为近似方波信号和近似三角波信号，并制作数字显示电表，检测并显示各正弦波信号的幅值。
1． 方波振荡器方案比较
方案1：555电路产生方波信号
方案2：运放电路产生方波信号
方案3：用门电路及石英晶体产生方波信号。
其中，方案1、2所产生的方波信号频率不高，频率稳定性较差，而方案3产生的方波信号频率稳定度高，也可产生较高频率（MHz以上）信号，故采用方案3产生方波信号。
2． 分频电路方案比较
方案1：采用选频电路提取方波的谐波信号，分别得到基波、三次谐波和五次谐波频率信号。
缺点：对选频电路的指标要求高，电路不易实现，得到的谐波信号也不稳定。
方案2：采用CPLD进行分频
优点：电路实现简单，也易于得到各频率点的方波信号。
本设计选用方案2。
3． 滤波电路方案比较
方案1：用LC或有源方法，采用低通或带通方式，将方波的基频信号提取出来；
方案2：采用TI专用芯片TLC04组成四阶巴特沃斯低通滤波器实现。
电路实现简单，但该芯片的最高截止频率只有30KHz，无法实现50KHz信号的滤波。
本设计，结合方案1、方案2，10KHz，30KHz的低通滤波采用TI专用芯片TLC04来实现，而50KHz的正弦波信号提取却采用二阶有源带通滤波来实现。
4． 移相电路方案比较
可采用无源或有源RC网络进行移相。
本设计采用有源移相方式。理论上，可实现0—180度的相移。另外，可结合实际的相移需要，在大相移范围要求时，用CPLD实现，小范围（0-90度）移相可用有源RC网络来调整。
5． 电压检测及显示电路方案比较
方案1：采用高速A/D进行交流电压检测，并用LCD显示；
方案2：采用专用电路AD563进行交流电压变换为有效值直流电压，并用ADC 进行电压检测，最后LCD或用四位数码管进行电压显示。
相比之下，方案1要求ADC的转换速率要求较高，数据处理量较大，一般要结合MCU才能实现。本设计，结合以上两方案的优点，先用AD563进行交流电压变换为直流电压，再用TI的ADC TLC549进行电压检测，并用CPLD完成测量数据转换、控制及LCD显示驱动，由1602 LCD进行电压显示，得到所测正弦波电压的峰值。
本设计的完整电路组成框图见图1所示。
CPLD LCD显示 多路开关
10KHz 10KHz 6Vpp
正弦波 10KH z
30KHz 30KHz 2Vpp
正弦波 30KHz
50KHz 50KHz
正弦波 50KHz
+12V
220V/50Hz -12V
+5V
-5V
+
图1 信号波形合成实验电路组成框图
二、 理论分析与计算
1． 方波、三角波信号的傅里叶级数表达式
方波、三角波的傅里叶级数展开式分别为：
方波：U(t)=4Um𝜋(sinωt+13 sin3ωt+15 sin5ωt+17 sin7ωt+…)
三角波：U(t)=8Um𝜋2(sinωt - 19 sin3ωt+125 sin5ωt-…)
若基波为10KHz，幅度为6Vpp的正弦波信号，则合成近似方波所需的30KHz,50KHz的正弦波信号幅度分别应为2Vpp，；同理，合成近似三角波所需的各信号幅度分别应为，，且各信号均为同相信号。
2． 有源二阶带通滤波器参数分析与计算 方波振荡
电路 CPLD分频 巴特
沃斯
巴特
沃斯
BPF 500KHz方波 电压转换及ADC
放大
放大
放大 移相及幅
度调整
移相及
幅度调整
移相及
幅度调整 有源加法器
5Vpp方波
移相及
幅度调整
移相及
幅度调整 移相及
幅度调整 有源加法器
5Vpp三
角波 三角波合成 近似方波
合成
电
源
电
路
多路开关 电压转换及ADC CPLD LCD显示 常用的巴特沃斯有源滤波器的形式主要有压控电压源二阶带通滤波器和无限增益多路负反馈二阶带通滤波器，其组成原理图分别如图2、图3所示。其中，压控电压源二阶带通滤波器的带宽与 中心频率点的电压增益有关，带宽越窄，电压增益越大。如若带宽为中心频率的10%，则中心点的电压增益为29。本设计中，带通滤波器的输入电压约，为防止输出饱和，放大量不宜过大；再则，压控电压源二阶带通滤波器的控干扰能力也不如无限增益多路负反馈二阶带通滤波器，故本设计采用无限增益多路负反馈二阶带通滤波器。
R4 R5 C
R3
ui R1 C A uo
ui R1 C
uo
C R3 R2
R2
图 2 压控电压源二阶带通滤波器 图3 无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波器
在图3中，电路的传输函数：
213232111121)(RRRCsCRssCRsAu22ooouosQssQA （1）
上式中：21o 为带通滤波器的中心角频率。1、2分别为带通滤波器
的高、低截止角频率。
中心角频率： 2123111RRCRo （2）
通带中心角频率o处的电压放大倍数：
132RRAuo （3）
302CRQ （4）
品质因数： ffBWQ00 时）0(BW （5）
设计指标：Q=7，f0=30KHz，取pFFFfC200)(3000010)(100，则
R1=≈56 K，R3= K≈220 K，R2=≈
3. 移相电路分析与计算
图4是移相电路的原理图。类似于差分放大电路，在f0=12πR0Co的频率点，低于f0的频率超前相移，高-++U1 TLC081R1R0C1RW2 24kRf+Vi于f0的频率作滞后相移。若将R0作∞～0Ω的连续变化，理论上可获得0°～180°的相移效果。
在设计时，取f0为10KHz, C=1nF,可求得 R0=Ω。
在实际电路中，用24KΩ电位器进行调节。具体看电路设计部分的仿真结果。
图4 移相电路原理图
三、 电路与软件设计
1． 方波产生电路设计
石英晶体的选频特性非常好，可用其与反相器一起产生方波信号。
如图5,反相器为TTL门电路，则R1、R2常选取～2KΩ； C1和C2用作反相器间的信号耦合；最后一级反相器用作提高输出驱动能力。
2． 巴特沃斯低通滤波器设计
以TI的TLC04巴特沃斯低通滤波器芯片来实现。其中，该四阶低通滤波输出截止频率fout为输入时钟频率的1/50,且其最大截止频率为30KHz。为此， 可用其来实现10KHz,30KHz方波信号提取其基波，从而分别得到10KHz、30KHz
的正弦波信号。
其中，设计的截止频率分别为10KHz、30KHz，所需的500KHz、时钟信号由CPLD分频得到。
3．50KHz 带通滤波器设计
R2 220kR3 56kV3 12V4 12R5 220+VG2C1 200pC2 200p-++U2 TLC081-++U1 TLC081R1 10kR4 10kV1 12V2 12R6 5kVF2
50KHz滤波器输出调整
图7 50KHz带通滤波器电路 图8 50KHz带通滤波器仿真结果
根据前面的参数计算结果，设计的50KHz带通滤波器如图7，图8是仿真结果。可看出，较好达到设计要求。 图5方波产生电路
图6 巴特沃斯低通滤波器设计 在滤波器输出端接一级反相放大器，以调整输出信号幅度为：对方波合成为：,对于三角波合成为：。
4． 移相电路设计
表1 移相电路仿真结果
10KHz 30KHz
50kHz
Rw=0
Rw=24KΩ
相差（度）
从仿真结果可看出，通过调整电位器Rw1的电阻，较好地实现对输入信号的移相，移相范围可达 101度。在调整Rw1时，输出信号幅度略有变化，可通过调整Rw2来使输出幅度，达到合成前的各谐波电压要求。
设计六路移相器，分别对方波、三角波合成时的三个正弦波信号的移相。
5．加法器设计
图10 合成近似方波的求和电路 图11 合成近似方波电路仿真结果
根据前述的方波、三角波分解的表达式，合成方近似方波的电路及其仿真分别如图10、图11所示。其中，后级用于调整输出信号幅度。
同理，合成方近似三角波的电路及其仿真分别如图12、图13所示。
-++U1 TLC081V1 12V2 12R1 10k+VG1VF1
