信号波形合成实验报告

　信号波形合成实验电路 摘

　要：

　本设计包含方波振荡电路，分频电路，滤波电路，移相电路，加法电路，测量显示电路。题目要求对点频率的各参数处理，制作一个由移相器和加法器构成的电路，将产生的10KHz 和30KHz 正弦信号作为基波和三次谐波，合成一个波形幅度为5V、近似于方波的波形。振荡电路采用晶振自振荡并与74LS04 结 合，产生6MHz 的方波源。分频电路采用74HC164 与74HC74分频出固定频率的 方波，作为波形合成的基础。滤波采用 TI公司的运放LC084，分别设置各波形 的滤波电路。移相电路主要处理在滤波过程中相位的偏差，避免对波形的合成结 果造成影响。

　关键词 ：方波振荡电路 分频与滤波 移相电路 加法器

　 Experimental waveform synthesis circuit

　Abstract ：The design consists of a square wave oscillator circuit, divider circuit, filter circuit, phase shift circuits, addition circuits, measurement display circuit. Subject of the request of the point frequency of the various parameters of processing, production of a phase shifter circuit consisting of adders, will have the 10KHz and 30KHz sinusoidal signal as the fundamental and third harmonic, synthesis of a wave amplitude 5V, similar to square wave waveform. Since the oscillating crystal oscillation circuit combined with the 74LS04 to produce a square wave source 6MHz. Frequency circuit 74HC164 and the 74HC74 divider out of a fixed frequency square wave, as a basis for waveform synthesis. Filtering using TI"s op LC084, respectively, set the waveform of the filter circuit. Phase-shifting circuit in the main processing phase in the filtering process deviations, to

　avoid prejudicing the outcome of the waveform synthesis. Keywords ：Square-wave oscillator circuit

　Frequency and filter Phase-shifting circuit

　1. 课题技术指标

　 1.1 基本要求

　对一个特定频率的方波进行变换并产生多个不同频率的正弦信号，再将这些正弦信号合成为近似方波。

　 设计制作一个特定频率的方波发生器，并在这个方波上进行必要的信号转换，分别产生10KHz、30KHz和50KHz的正弦波，然后对这三个正弦波进行频率合成，合成后产生目标信号为10KHz近似方波(如下图)。

　 1.2 附加要求

　利用方波发生器进行信号转换后的10KHz、30KHz和50KHz的正弦波进行频率合成，合成后产生目标信号为10KHz近似三角波。

　1.3 设计条件

　运放 TL084 2只 计数器 74164 4只 反相器 7404 1只 触发器 7474 1只 硅晶体 6MHz 1只 电位器 51k 6只 导线

　若干 电阻

　若干

　2. 系统设计

　2.1 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 再合成为近似方波和其他信号。电路示意图如图1 所示：

　2.2 系统框图

　 . 3. 方法论证

　3 3 .1 信号发生器电路

　方案一：数控振荡器（NCO）产生时间离散和幅度离散的正弦信号和余 弦信号， 在模拟调制中，利用NCO 可以直接产生调频信号（FM），虽然结合FPGA 可以完成调频信号的输出，但是数控振荡器（NCO）的平台搭建需要时间。

　方案二：采用非门与晶振组合成形成正反馈电路产生正反振荡，其中采用的

　6MHZ 的晶振是起滤波作用。只有6MHZ 频率的脉冲信号容易通过该正反馈电路，其它频率的信号被抑制。故电路表现为只有6MHZ 的方波信号。该电路输出稳定，容易搭建。

　方案三：锁相环 CD4046。CD4046 是通用的 CMOS 锁相环集成电路，具有电源电压范围宽（为 3V－18V），输入阻抗高(约 100MΩ)，动态功耗小的特点。产生的方波信号频率满足设计需要，并且波形理想。故本设计采用该方法实现方波振荡电路。

　综上，选取方案二。

　3.2 分频电路

　方案一：采用单片机与FPGA 结合，省去许多分立的逻辑集成电路，使电路的集成性和可靠性大大提高。另编程简单容易实现，且容易实现并可以产生固定频率的波形，并省去分频电路，是电路简化。但是FPGA 平台的搭建占用时间太长，不利于实现。

　方案二：分频电路采用逻辑元件74164、7474、7404 搭建而成。电路如下图所示：振荡电路所产生的频率为6MHz 的方波送到74164构成10分频电路，输出频率为600KHz 的方波。频率为600KHz 的方波再经74164构成10 分频，输出频率为

　60KHz、占空比50%的方波。频率为600KHz 的方波再经分频，得到频率为50KHz、占空比50%的方波。同时60KHz 的方波经过7474二分频输出30kHz、占空比50%的方波。60KHz再经74164六分频得到10KHz 的信号分频电路如下图所示。

　采用方案二。

　3.3 滤波电路

　方案一：采用LC 或RC 无源滤波，电路图如图6 所示，电路简单，参数 易于计算。但滤波效果差，而本题目只要给指定频率的波形滤波，并且达不 到题设要求。可以根据中心频率公式：

　来匹配R、C 的参数。

　 图6 无源RC 低通滤波器

　 方案二：采用TI 公司提供的TLC084 运算放大器，搭建一个带通有源 滤波器电路图如图7 所示

　 采用方案二。

　3.4

　调幅电路

　信号经滤波后得到完整的正弦波。调幅电路采用运放组成的反相输入比例放 大器.电路如下图11 所示。比例放大器的主要作用是调节基波、3 次波和5 次波 的峰峰值。

　相关环节电路原理相同。

　3.5 加法电路

　为了产生包含10kHz 为基波、30kHz 为3 次波和50kHz 为5 次波合成一个近 似方波，采用运放组成的信号调幅、叠加电路。波形幅度为5V，调幅、加法电路如下图所示。

　调幅、加法电路

　 当 R = 2 R = 3 R = F R 时，就是三个信号的叠加。

　对与合成方波，加法起的运算为

　对与合成三角波，加法起的运算为

　 . 3.6 6 反相器电路

　为了得到三角波，需要把30kHz 的3 次波和50kHz 的5 次波进行反相。

　反相器用运放组成的反相端输入的1：1 比例放大器来实现。采用TL084运算放大器搭建一个反相电路如下图

　. 4. 整体设计

　经过方案比较与论证，最终确定的系统组成框图如图16 所示。其中利用晶振、74LS04 产生振荡方波，74LS390 和CD4566 进行分频，获得题目中所要求的各频率信号。滤波器电路分别对10K、30K、50K 设计相应的参数电路，利用TL084搭建有源滤波器。

　 整体电路见附录1. 5. 系统测试结果

　5.1 、测试仪器与设备

　表4.1.1 测试用仪器与设备 仪器名称 型号 数量 双通道数字示波器 DS1022C 1

　合成信号发生器 NDY-EE1410 1 数字万用表 TY360 1 直流稳压电源 DF1731SC2A 1 计算机联想 PC 机 1 5.2 、系统试验结果

　5.2.2 基波10KHz、测量峰峰值6±0.01V 实测波形 图19 基波10KHz、测量峰峰值6±0.01V 实测波形 19 5.2.3 三次波30KHz、测量峰峰值2±0.01V 实测波形如图20 图20 三次波30KHz、测量峰峰值2±0.01V 实测波形

　5.2.4 五次波50KHz、测量峰峰值1.2±0.03V 实测波形如图21 图21 五次波50KHz、测量峰峰值1.2±0.03V 实测波形 5.2.5 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值2V 叠 加后实测波形如图22

　图22 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值2V 叠加后实测波形 5.2.5 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值2V 及 五次波50KHz、测量峰峰值1.2V 叠加后实测波形

　 图23 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值2V 及五 次波50KHz、测量峰峰值1.2V 叠加后实测波形 5.2.6 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值0.667V 相减及五次波50KHz、测量峰峰值0.24V 叠加后实测波形。

　图24 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值0.667V 相减及五次波50KHz、测量峰峰值0.24V 叠加后实测波形。

　经 ,10K与30K搭接

　电阻。

　. 6. 元件清单

　运放 TL084 2只 计数器 74164 4只 反相器 7404 1只 触发器 7474 1只 硅晶体 6MHz 1只 电位器 51k 6只 导线

　若干 电阻

　若干 双通道数字示波器 DS1022C 1 合成信号发生器 NDY-EE1410 1 数字万用表 TY360 1 直流稳压电源 DF1731SC2A 1 计算机联想 PC 机 1 . 7. 结语

　意各方面的细节。这次设计使我们各方面都得到了一定的锻炼。

　参考文献：

　1. 及力，张涛，王永成. Protel99SE原理图与PCB设计教程.电子工业出版 社.修订版 2. 华永平模拟电路设计与制作. 北京：电子工业出版社,2007.7 4． 高吉祥，黄智伟，丁文霞. 数字电子技术[M]. 北京：电子工业出版社，2003 年，第1版 5. 邹其洪黄智伟高嵩.电工电子实验与计算机仿真[M].北京：电子工业出版 社，2003年，第1版

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