设计报
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 ,1.5MHz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。
电压转换及ADC
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：
4Um
1
1
1
方波：U(t)= 齐(sin 31+3 sin3® t+5 sin5® t+- sin7 31+ …)
8Um
1
1
三角波：U(t)=^^(sin 3 t - 9 sin3® t+亦 sin5 3 t-…)
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 , 1.2Vpp ;同理，合成近似三角波所需的各信号幅度分别
应为0.67Vpp , 0.24Vpp ，且各信号均为同相信号。
5Q0KHZ 方波
10KHZ
巴特 沃斯
方 波 振 荡 电 路
C P L
D 分 频
30KHz
----
►
巴特 沃斯
BPF
6V pp 1 1
移相及幅
放大
—< 1 K
十
度调整 -
有源加 法器
LCD 显示
CPLD 1.2 50
5Vpp 方波
30K 幅度调整
放大
近似方波 合成
5Vpp 角波
移相及 幅度调整
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
{t |移相及
50KHz
正弦波 30KHz [―— 正弦波放大
电压转换及ADC _______ 多路开关
三波成
正弦波
