信号波形合成实验电路设计

_____________________________________________________________________________

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，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。

本设计的完整电路组成框图见图1所示。

多路开关 CPLD LCD显示 方波振 荡 电路 CPLD分频 500KHz方波 电压转换及ADC 10KHz 巴特 沃斯 10KHz 正弦波 放大 6Vpp 10KH z 移相及幅 度调整 电 220V/50Hz 源 电 路 30KHz 巴特 30KHz 沃斯 正弦波 放大 1.5MHz 2Vpp 30KHz 移相及 幅度调整 有源加法器 50KHz 50KHz BPF 正弦波 放大 近似方波 合成 1.2Vpp 50KHz 移相及 幅度调整 5Vpp方波 移相及 幅度调整 +12V -12V +5V -5V 移相及 幅度调整 三角波合成 有源加法器 移相及 幅度调整 +3.3V CPLD 电压转换及ADC 多路开关 5Vpp三 角波 LCD显示 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)=三角波：U(t)=

(sinωt+ sin3ωt+ sin5ωt+ sin7ωt+…) (sinωt - sin3ωt+ 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，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。 2． 有源二阶带通滤波器参数分析与计算

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1.2Vpp，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：

 Au(s)1sR1CAuos2oQs （1）

s2上式中：o2111s2R3CCR3R1R2oQ2so12 为带通滤波器的中心角频率。1、2分别为带通滤波器

1R3C211R （2） R21的高、低截止角频率。

中心角频率： o通带中心角频率o处的电压放大倍数： AuoR3 （3）

2R1

0Q2 （4） CR3品质因数： Q0BWf0 (BW0时） （5） f1010(F)(F)200pF，则 f030000RfR1-C1+Vi+U1 TLC081设计指标：Q=7，f0=30KHz，取CR1=55.73K≈56 K，R3=222.92 K≈220 K，

R2=1.16K≈1.1K 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，

RW2 24kR0在的频率点，低于f0的频率超前相移，高于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=15.92KΩ。

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0.7～2KΩ； 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。

图5方波产生电路

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

图6 巴特沃斯低通滤波器设计

为10KHz、30KHz，所需的500KHz、1.5MH时钟信号由CPLD分频得到。

3．50KHz 带通滤波器设计

C2 200pR4 10kR2 220kV4 12VF2 -V1 12+U2 TLC081V3 12R1 10k-++U1 TLC081V2 12C1 200pR3 56k+R5 220+VG250KHz滤波器R6 5k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。

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：1.2Vpp,对于三角波合成为：0.24Vpp。 4． 移相电路设计

表1 移相电路仿真结果

VF2 V2 12RW2 24k Rw=0 Rw=24KΩ 相差（度） 10KHz 165.73 61.53 104.2 30KHz 138.15 21.88 116.27 50kHz 113.98 +VG1R1 10k-C1 1n++U1 TLC081VF1 12.65 101.33 R0 2kV1 12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

R9 5kR4 12k图9 移相电路

V4 12R2 12k-R3 12kR5 10k+U1 TLC081V3 12-++V2 12VF1 ++VG30kR1 12kR6 12k+VG10kU2 TLC081近似方波输出VG50kR7 5k+V1 12加法器输出幅度调整

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。

R9 5kR4 12kV4 12R2 12k-R3 12kR5 10k+U1 TLC081V3 12-++V2 12VF1 ++VG30kR1 12kR6 12k+VG10kU2 TLC081VG50kR7 5k+V1 12

RW1 24k

图12 合成近似三角波的求和电路 图13 合成近似三角波电路仿真结果 ６．电压检测及显示电路设计

CPLD交直流变换AD563ADCTLV549LCD1602 图14 电压检测及显示

电路框图如图14。其中，AD563的测量误差为0.2%，AD虽为8位，但选取参考电压为2.5V，只要被测电压为200mv以上，即可满足5%的测试精度要求。有效值转化为峰值，由CPLD来完成。 ７．电源电路设计

根据电路功能要求，需提供±1２V、±5V、+3.3V的直流电压。设计的电源电路由变压、滤波、稳压等部分组成，其中，以LM317、LM337为核心，实现±1２V、±5V的输出电压可调的电源；3.3V采用BB1117芯片来实现，确保电路的正常稳定工作。 电路部分请参看附录。

8．CPLD软件设计

CPLD部分要完成对6MHz方波信号的分频，电压检测控制、有效值与峰值的转换及LCD显示驱动功能。 CPLD组成图如右。

四、 测试结果及分析

1．系统测试条件

系统测试框图如图15。 所需的测试设备主要有:

图15 测试系统框图 DH1718E-5型双路稳压电源，

EE1411：函数发生器，

ADS7022S：数字示波器，UT60C ：万用表 2．测试结果

（1）滤波器测试结果

分别测试了10KHz 巴特沃斯低通滤波器、30KHz 巴特沃斯低通滤波器和50KHz带通滤波器的频响特性，测试结果分别如图16、图17、图18所示。

图16 10KHz LPF测试结果

从测试结果可看出，所设计的滤波器性能完全能满足要求。

图17 30KHz LPF测试结果

图18 50KHz BPF测试结果

（2）移相电路测试结果

由于示波器只有两路，无法同时显示三个正弦波信号，只好先调两个信号，然后再交换另一路信号的方法进行调试。如：先测试10KHz和 30KHz的相位。调整电位器的电阻，使得两路信号的过零点重合，此时10KHz信号的一个周期，应刚好含三个周期的30KHz信号，如图16。

调试结果，改变电位器Rw1的电阻，较好地实现约100度范围的移相功能。由于三路正弦波信号都经过相同的

图19 10KHz和 30KHz信号相位关系

放大等处理电路，相差不是很大，此移相范围基本能满足要

求。若不够，可调整CPLD分频输出信号的相位，从而实现任意角度的移相要求。 （3）正弦波电压测试结果

分别输入10KHz，30KHz，50KHz的正弦波信号，电压检测的测试结果见表1.

表1 电压检测结果

Vi(mv) 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 Vo(mv) 966 1215 1465 1787 2050 2299 2533 2782 3032 其中，Vi、Vo分别是输入电压的峰值及其测试结果。从测试结果可看出，测量误差均在5%以内。为提高测试精度，测试电压为放大至1v以上（峰值）。 （4）近似方波及三角波的合成结果波形

图19 近似方波合成图形（10KHz，30KHz，50KHz正弦波） 图20 近似方波合成图形（10KHz，30KHz，50KHz正弦波）

3． 结果及展望

从测试结果可看出，从方波信号滤波得到的正弦波信号无明显失真；设计的移相电路移相范围宽，可实现约101度范围的移相，结合CPLD数字分频时的移相功能，可方便实现正弦波信号任意角度的移相。本设计实现近似方波及近似三角波的合成，波形较好。正弦波电压的检测误差在 5%以内。

完成了课题的基本要求及发挥部分的全部要求。

共使用TI公司集成电路型号有：BB1117，OP07C，TL084，TLC04，TLC549。

由于时间紧迫，无法制作正规的PCB板，干扰信号对波形有所影响；电压检测目前还未实现量程自动转换功能，选用AD位数偏低，造成测试误差偏大等，有待以后继续努力。

参考文献

[1] 胡宴如，耿苏燕.模拟电子技术[M], 第二版.北京：高等教育出版社,2004. [2] 杨志忠，卫桦林.数字电子技术[M], 第二版.北京：高等教育出版社,2003. [3] 蔡锦福.运算放大器原理与应用[M].北京：科学出版社,2005.

[4] 孙加存.电子设计自动化[M].西安：西安电子科技大学出版社,2008.

附录

1． 作品照片

TLC04

OP07C

TL084

2． 部分测试波形

6MHz方波

3． 部分电原理图（见附录3） 4． CPLD软件清单

5． 元器件清单

Designator D5 U2 U1 U3 U4 C10 C11 C12 C15 C17 C18 C20 C22 C23 C25 C5 C6 C9 T D C13 C14 C16 C19 C21 C24 C26 C7 C8 C1 C2 C3 C4 Rp1 Rp2 R7 R1 R2 Value 103 104 104 104 103 104 104 103 104 104 104 104 103 100uF 100uF 100uF 100uF 100uF 100uF 10uF 100uF 100uF 3300uF 3300uF 3300uF 3300uF 2.2K 2.2K 250K 120 120 电源模块 备注 Comment Quantity TI公司芯片 BB1117 1 LM337BT 1 LM317BT 1 LM317BT 1 LM317BT 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 Trans CT 1 Bridge1 1 Cap Pol1 1 Cap Pol1 1 Cap Pol1 1 Cap Pol1 1 Cap Pol1 1 Cap Pol1 1 Cap Pol1 1 Cap Pol1 1 Cap Pol1 1 Cap Pol3 1 Cap Pol3 1 Cap Pol3 1 Cap Pol3 1 RPot 1 RPot 1 250K 1 Res Semi 1 Res Semi 1 R3 R4 R5 R6 120 360 120 360 Res Semi Res Semi Res Semi Res Semi 1 1 1 1 方波产生及分频电路电路 Designator Value Comment Quantity C1 100pF 1 Cap C2 100pF 1 Cap R1 1K 1 Res Semi R2 1K 1 Res Semi U1 1 74LS04 Y 6MHz 晶体 1 BB1117-3.3 LDO AMS1117-2.5 LDO EPM1230 CPLD 滤波电路（低通滤波） Designator Value LibRef Quantity R1 5K Res1 1 R2 10K Res1 1 U1 OP07C 1 U2 OP07C 1 U3 OP07C 1 OP07C TLC04 2 OP07C 1 滤波电路（带通滤波） Designator Value Comment Quantity R1 10K 1 Res Semi R2 220K 1 Res Semi R3 56K 1 Res Semi R4 10K 1 Res Semi R5 1.1K 1 Res Semi R6 5K 1 Res Semi C1 200pF 1 Cap C2 200pF 1 Cap U1 1 TL084 U2 OP07C 1 U3 OP07C 1 U4 TL084 1 U5 TL084 1 备注 TI公司 备注 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 备注 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 Designator R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 RW1 RP1 C1 C2 C3 U1 U2 U3 U4 U5 U6 Value 2K 10K 10K 10K 2K 10K 10K 2K 10K 10K 10K 5K 10K 10K 5K 10K 10K 5K 24K 24K 1nF 1nF 1nF 方波合成移相电路 Comment Quantity Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 Res Semi 1 RPot 1 RPot 1 Cap 1 Cap 1 Cap 1 OP07C 1 OP07C 1 OP07C 1 OP07C 1 OP07C 1 OP07C 备注 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 三角波合成移相电路 Designator Value LibRef Quantity R1 10K Res Semi 1 R2 10K Res Semi 1 R3 10K Res Semi 1 R4 2K Res Semi 1 R5 10K Res Semi 1 R6 10K Res Semi 1 R7 2K Res Semi 1 R8 10K Res Semi 1 备注 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 RW1 P1 P2 C1 C2 C3 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U10 U11 10K 10K 5K 10K 10K 5K 10K 10K 5K 24K 24K 24K 1nF 1nF 1nF Res Semi Res Semi Res Semi Res Semi Res Semi Res Semi Res Semi Res Semi Res Semi RPot RPot RPot Cap Cap Cap OP07 OP07 OP07 OP07 OP07 OP07 OP07 OP07 OP07 OP07 OP07 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 TI公司 合成电路(合成方波) Designator Value Comment Quantity 12K 1 R1 Res Semi 12K 1 R2 Res Semi 12K 1 R3 Res Semi 12K 1 R4 Res Semi 10K 1 R5 Res Semi 12K 1 R6 Res Semi 5K 1 R7 Res Semi 5K 1 R9 Res Semi TL084 1 U1 备注 TI公司 Designator Value 10K R1 20K R2 电压检测 Comment Quantity 备注 1 Res Semi 1 Res Semi R3 R4 RL C1 C2 CaV U1 U2

20K 10K 10K 0.1uF 1uF 4.7uF Res Semi Res Semi Res Semi Cap Cap Cap TLC549CD AD563 1 1 1 1 1 1 1 1 TI公司