信号波形合成实验电路电子信息工程毕业设计.doc 38页

'信号波形合成实验电路毕业设计说明书毕业设计题目信号波形合成实验电路系电子信息工程系专业班级姓名学号指导教师2011年5月29日-33- 信号波形合成实验电路摘要近年来，以信息技术为代表的新技术促进了电子行业的飞速增长，随着科学技术的不断进步，人们利用各种方法增加对世界的感知，这些外界信息往往都是连续变化的模拟量，如热电偶、压力应变片等，所以要对模拟量系统进行数字控制，就必须对模拟量采集、处理和显示，因此信号波形合成的应用比较广泛。系统主要分四大部分，即方波振荡电路，分频与滤波，移相处理，加法器。系统模拟部分分别使用了TI公司的电源芯片MC34063，滤波芯片TLC04，运放芯片OPA820、OPA842、OP07，计数器74LS194，并在设计中利用TI公司的MSP430F149完成了对各正弦波的测量以及数显功能。本文通过模拟电路来完成方波信号的产生、分频、滤波、放大、衰减、移相以及合成等功能。在信号处理中，根据设计要求和方波、三角波傅里叶变换后的特性来决定各产生波形的幅度和相位。利用MSP430F149完成了对各正弦波的测量以及数显功能。本系统电路结构简单、各波形良好，测量结果精确。关键词：振荡电路，分频滤波，傅里叶变换-33- 信号波形合成实验电路AbstractInrecentyears,InformationTechnologywhichistherepresentativeofnewtechnologiespromotetheelectronicsindustry"sdevelopment,Withthecontinuousprogressofscienceandtechnology,Peopleusevariousmethodstoincreasetheperceptionoftheworld,Theseexternalinformationareoftenanalogwhichiscontinuouschange,suchasthermocouples,straingaugesandsoon,Soifwewantcontroltheanalogwiththedigital.Weshouldacquisition,processinganddisplaytheanalog.Thereforethewaveformsynthesisarewidelyused.TheSystemisdividedintofourparts,namelysquare-waveoscillatorcircuit,frequencydivisionandfiltering,phaseprocessingandtheadder.SimulationpartusesthechipsofTIcompanypowerchipMC34063,filterchipTLC04,op-ampchipOPA820,OPA842,OP07,counter74LS194,andinthedesignusingTI"sMSP430F149tocompletedameasurementofthesinewaveanddigitaldisplayfeatures.Inthispaper,wetakeuseofanalogcircuittocompletethesquarewavesignalgeneration,frequency,filtering,amplification,attenuation,phaseshiftandsyntheticfunctions.Insignalprocessing,accordingtothedesignrequirementsandthesquarewave,trianglewaveFouriertransformtodeterminethecharacteristicsofthewaveformofthegeneratedamplitudeandphase.WeusetheMSP430F149tocompletethemeasurementofthesinewaveanddigitaldisplayfeatures.Thesystemissimplecircuitstructure,thewavesareperfectandthemeasurementsareprecision.Keywords:oscillationcircuit,frequencyfiltering,Fouriertransform-33- 信号波形合成实验电路目　　录第1章绪论-1-第2章系统方案介绍-2-2.1方案论证-2-2.1.1方波振荡电路的选择-2-2.1.2低通滤波电路的选择-2-2.2整体系统方案-2-第3章模块介绍-4-3.1电源模块-4-3.1.1主要元件介绍-4-3.1.2电源模块电路-6-3.2方波振荡模块-7-3.2.1主要元件介绍-7-3.2.2方波振荡模块电路-8-3.3分频模块-9-3.3.1主要元件介绍-9-3.3.2分频模块电路-11-3.4滤波模块-12-3.4.1主要元件介绍-12-3.4.2滤波模块电路-13-3.5基本运算模块-14-3.5.1主要元件介绍-15-3.5.2放大增益模块电路-16-3.5.3衰减移相模块电路-17-3.5.4加法器模块电路-17-3.6测试与数字显示模块-18-3.6.1主要元件介绍-18-3.6.2测试与数字显示模块电路-20--33- 信号波形合成实验电路第4章性能测试与分析-21-4.1方波振荡器测试-21-4.2分频滤波电路测试-21-4.3放大、衰减、移相电路测试-21-4.4加法器测试-22-4.5三角波谐波组成测试-23-4.6测量数字显示电路-23-结论-25-参考文献-26-附录-27-致谢-33--33- 信号波形合成实验电路第1章绪论本设计中大量运用模拟电子技术及数字电子技术的知识，对以前学习的知识有了更深一步的了解。模拟电子技术是一门研究对仿真信号进行处理的模拟电路的学科。它以半导体二极管、半导体三极管和场效应管为关键电子器件，包括功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信号运算与处理电路、信号产生电路、电源稳压电路等研究方向。数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用,逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、集成芯片各管脚功能555定时器等。随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。为了充分发挥和利用数字电路在信号处理上的强大功能，可以先将模拟信号按比例转换成数字信号，然后送到数字电路进行处理，最后再将处理结果根据需要转换为相应的模拟信号输出。本设计主要采用德州仪器（TI）公司的各种芯片，例如电源芯片MC34063，滤波芯片TLC04，运放芯片OPA820、OPA842、OP07，以及TI公司的MSP430F149来完成对各正弦波的测量以及数显功能。德州仪器(TI)是全球领先的模拟及数字半导体IC设计制造公司。除了提供模拟技术、数字信号处理(DSP)和微处理器(MCU)半导体以外，TI还设计制造用于模拟和数字嵌入及应用处理的半导体解决方案。德州仪器(TI)是全球领先的数字信号处理与模拟技术半导体供应商，亦是推动因特网时代不断发展的半导体引擎。作为实时技术的领导者，TI正在快速发展，在无线与宽带接入等大型市场及数码相机和数字音频等新兴市场方面，TI凭借性能卓越的半导体解决方案不断推动着因特网时代前进的步伐！TI预想未来世界的方方面面都渗透着TI产品的点点滴滴。-33- 信号波形合成实验电路第2章系统方案介绍2.1方案论证本设计分为七大模块，分别是方波振荡模块、分频模块、滤波模块、放大增益模块、衰减增益模块、加法器模块、测量与数字显示模块。每个模块都经过仔细考虑，精心选择出了最佳方案。下面简单介绍方波振荡电路及低通滤波电路的选择。2.1.1方波振荡电路的选择方案一:利用晶振来制作方波振荡器，该方案频率精度高，结构简单，但晶振频率恒定，制作好之后频率无法改变，而且晶振有规格，选择有局限。方案二：利用迟滞比较器构成方波振荡器，该方案频率设计灵活，结构简单。根据设计要求，要产生10KHz，30KHz和50KHz的方波，利用晶振会使分频电路难以设计，并且利用方案二能灵活选择频率，可以扩展系统的应用。2.1.2低通滤波电路的选择方案一：无源型。这类滤波器的优点是电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高。缺点是通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，在低频域不适用。方案二：TCL04的低通滤波模块。这类滤波器的优点是通带内的信号不仅没有能量损耗，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽，适用于低频域。2.2整体系统方案系统模拟部分分别使用了TI公司的电源芯片MC34063，滤波芯片TLC04，运放芯片OPA820、OPA842、OP07，计数器74LS194，并在设计中利用TI公司的MSP430F149完成了对各正弦波的测量以及数显功能。系统结构如图2-1所示：-33- 信号波形合成实验电路图2-1系统原理框图利用opa820芯片的方波振荡器产生方波，然后利用74LS194芯片进行来进行分频，得到各频率的方波，再通过TCL04来进行低通滤波，得到各方波的基波，可滤出10KHz、30KHz和50KHz的正弦波，再将3路正弦波进行放大衰减以及移相后作为基波、3次谐波和5次谐波输入加法器中，产生10KHz的近似方波信号，再将信号放大后得到幅度5V的近似方波信号。同理，将10KHz，30KHz和50KHz的正弦波信号经类似处理后送入加法器，得到三角波。-33- 信号波形合成实验电路第3章模块介绍3.1电源模块由于MSP430F149芯片的工作电压是3.3V，而现有的电源模块可提供5V电压的，所以选择TI公司的MC34063电源转换芯片，将5V电压转换为所需的3.3V电压。3.1.1主要元件介绍1、MC34063的功能简介MC34063能够实现升压和降压效果，是一种单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。2、MC34063的封装形式及特点MC34063的封装形式为塑封双列8引线直插式，MC34063引脚图如下图3-1所示：图3-1MC34063引脚图-33- 信号波形合成实验电路MC34063具有以下特点：1、能在3V-40V的输入电压下工作2、带有短路电流限制功能3、低静态工作电流4、输出开关电流可达1.5A(无外接三极管)5、输出电压可调6、工作振荡频率从100HZ至100KHZ7、可构成升压降压或反向电源变换器由于内置有大电流的电源开关，MC34063能够控制的开关电流达到1.5A，内部线路包含有参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制线路和开关晶体管。参考电压源是温度补偿的带隙基准源，振荡器的振荡频率由3脚的外接定时电容决定，开关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑控制线路置成ON，并由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成OFF。3、外围元件标称含义和它们取值的计算公式Vout(输出电压)＝1.25V（１＋R1／R2）Ct(定时电容)：决定内部工作频率。Ct=0.000004*Ton(工作频率）Rsc(限流电阻)：决定输出电流。Ipk=2*Iomax*T/toffRsc＝0.33／IpkLmin(电感)：Lmin＝(Vimin－Vces)*Ton/IpkCo(滤波电容)：决定输出电压波纹系数，Co＝Io*ton/Vp-p(波纹系数）固定值参数：Vces=1.0Vton/toff=(Vo+Vf－Vimin)/(Vimin－Vces）Vimin:输入电压不稳定时的最小值Vf=1.2V快速开关二极管正向压降4、下表是美国安森美半导体公司生产的MC34063与国内生产的34063性能的对比。MC34063参数表见表3-1。表3-1MC34063参数表参数名称符号单位MC34063（OnSemi）34063（国产）输入电压VinV2.5～40V2.5～40V输出电压VoutV1.25～40V1.25～40V最大输出电流IomaxA1.5A1.5A-33- 信号波形合成实验电路最高工作频率fkHz0.1～100KHZ0.1～100KHZ功率PW1.25W1.25W工作温度Ta度0～70度0～70度在实际应用中的注意：1、快速开关二极管可以选用IN4148，在要求高效率的场合必须使用IN5819(贴片为SS14)。2、MC34063能承受的电压，即输入输出电压绝对值之和不能超过40V，否则不能安全稳定的工作。3.1.2电源模块电路用MC34063芯片做的电源转换电路输出电压稳定且精确。电源转换电路图如下图3-2所示。图3-2电源转换电路图MC34063是一种用于DC－DC电源变换的集成电路，应用比较广泛，通用，廉价，易购。极性反转效率最高65％，升压效率最高90％，降压效率最高80％，变换效率和工作频率滤波电容等成正比。另外，输出功率达不到要求的时候，比如大于250～300mA时，可以通过外接扩功率管的方法扩大电流，双极型MOS型扩流管均可。-33- 信号波形合成实验电路3.2方波振荡模块如果用晶振来做方波振荡模块，频率固定，不可调，为实现产生多种频率的方波，所以采取了电压比较器的方法。比较器一般分两类，一类是单限电压比较器，另一类是迟滞比较器。单限电压比较器具有很高的开环电压增益，但是如果输入电压在门限附近有微小干扰，就会导致状态翻转使比较器输出电压不稳定而出现错误阶跃，为了克服这一缺点，常将比较器的输出电压通过反馈网络加到同相输入端，形成正反馈，将待比较电压加到反相输入端，参考电压通过电阻接到运算放大器的同相端，由此形成的电路称为反相输入迟滞比较器，也称为反相输入施密特触发器。抗干扰能力强，防止误触发。3.2.1主要元件介绍1、集成运放的选择集成运放的种类很多，大体可以分为通用型和专用性两类，通用型价格便宜，市场上容易买到，所以在能满足设计要求时，应尽量选择通用型，然后再挑选开环增益，输入电阻，共模抑制比高且输出电阻，失调电流，失调电压小的集成运算放大器。在具体选择是，一般应考虑如下一些因素：(1)输入信号幅度的大小、频率高低、变化速率以及等效信号源内阻的大小，输入信号中是否含有共模信号，共模信号的幅度及频带等。(2)负载电阻的大小，对输出电压和输出电流的要求。(3)对运算结果的精度要求，如增益误差、失真度、输入端和输出端阻抗匹配程度等。2、运算放大器OPA820OPA820是单位增益稳定低噪声电压反馈运算放大器，它有灵活的供电方式，既可以单电源供电，又可以双电源供电。单电源供电一般为+2.8V~+11V，双电源供电一般为±1.4V~±5.5V。OPA820的特点：（1）差模开环电压增益为80dB。（2）增益带宽：250MHz（G=+1）110MHz（G=+2）（3）灵活的工作电压：双电源供电±1.4V~±5.5V-33- 信号波形合成实验电路单电源供电+2.8V~+11V（4）高回转率550V/ns（5）低噪声9.2（6）封装形式：贴片SOT23双列直插式SO-8OPA820的引脚图如图3-3所示：图3-3OPA820的引脚图3.2.2方波振荡模块电路OPA820芯片增益稳定，噪声低，采用OPA820来完成方波振荡电路，产生60KHz的方波，方波振荡电路图如图3-4所示：图3-4方波振荡电路图在设计中，方波振荡器由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。如图2，输出电压，由双向稳压管决定，振荡周期-33- 信号波形合成实验电路，在设计中为取得输出频率为，。由方程：（公式1）取电容C1=10nF，R1=1K,代入公式1，可取得R3与R4的比值关系，这里取R3=22K,R4=5.1K。3.3分频模块本设计需要产生10KHz，30KHz的方波，所以必须用到分频，上面的方波是60KHz，所以用六分频和二分频便可获得10KHz和30KHz的方波。分频电路需用到数字电子技术的相关知识，寄存器是存放数码、运算结果或指令的电路，寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储一位二进制代码，存放N位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。按功能可分为：基本寄存器和移位寄存器。移位寄存器不但可以存放数码，而且在移位脉冲作用下，寄存器中的数码可根据需要向左或向右移位。寄存器和移位寄存器是数字系统和计算机中的基本逻辑部件。移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下一次逐位右移或左移，数据既可以并行输入、并行输出，也可以串行输入、串行输出，还可以并行输入、串行输出，串行输入、并行输出，十分灵活，用途也很广。移位寄存器又分为单向移位寄存器和双向移位寄存器。如适当加入一些控制电路和控制信号，就可将右移位寄存器和左移位寄存器结合在一起，构成双向移位寄存器。3.3.1主要元件介绍1、74LS、74HC两系列移位寄存器的区别74LS属于TTL类型的集成电路，而74HC属于CMOS集成电路。74LS是TTL电路的一个系列，TTL电路以双极型-33- 信号波形合成实验电路晶体管为开关元件所以以称双极型（电子和空穴）集成电路。74HC是CMOS电路，CMOS电路是MOS电路中的主导产品。MOS电路以绝缘栅场效应晶体管为开关元件。所以又称单极型集成电路。按其导电沟道的类型，MOS电路可分为PMOST、NMOS和CMOS电路。CMOS电路沿着4000A--4000B/4500B（统一称为4000B）--74HC--74HCT系列高速发展。HCT系列还同TTL电平兼容，扩大了应用范围。LS、HC二者高电平低电平定义不同，HC高电平规定为0.7倍电源电压，低电平规定为0.3倍电源电压。LS规定高电平为2.0V，低电平为0.8V。带负载特性不同。HC上拉下拉能力相同，LS上拉弱而下拉强。输入特性不同。HC输入电阻很高，输入开路时电平不定。LS输入内部有上拉，输入开路时为高电平。LS系列与HC系列性能比较：（1）TTL工作电压范围为5V正负左右。CMOS为3--18V左右。（2）频率特性：标准TTL电路在5MHZ以下，一般COMS在100KHZ以下。（3）速度*功耗积：（在100KHZ时，单位为PJ）标准TTL电路和为100。标准CMOS为11。（4）最小输出的驱动电流（单位mA，输出低电平0.4V）标准输出：标准TTL系列为16mA。标准COMS（4000系列为16mA，74系列为4mA）。（5）大电流输出：标准TTL为48V。标准COMS（4000为16V，74系列为6V）（6）扇出能力：标准TTL为系列为40（大电流输出为120）。标准COMS（4000系列为4，74系列为10，大电流输出为4，15）。（7）最大输入电流（单位MA，输出低电平4V）：标准TTL系列为-1.6。COMS（4000系列为正负0.001，74系列为负0.001）。（8）输入阻抗：COMS可达10M，TTL为5M。2、74LS194元件功能介绍当清零端CLR为低电平时，输出端QA～QD均为低电平；当S1S0=00时，移位寄存器保持原来状态；当S1S0=01时，移位寄存器在CP脉冲的作用下进行右移位，数据从SR端输入；当S1S0=10时，移位寄存器在CP脉冲的作用下进行左移位，数据从SL端输入；当S1S0=11时，在CP脉冲的配合下，并行输入端的数据存入寄存器中。74LS194除具有清零、保持、实现数据左移、右移功能外，还可实现数码并行输入或串行输入、并行输出或串行输出的功能。3、74LS194引脚介绍A～D为并行输入端；QA～QD为并行输出端；SR右移串引输入端；SL左移串引输入端；S1、S0操作模式控制端；CLR为直接无条件清零端；CLK为时钟脉冲输入端。74LS194引脚图如3-5所示-33- 信号波形合成实验电路图3-574LS194引脚图3.3.2分频模块电路在分频电路中，利用4位双向移位寄存器74LS194做了六分频和二分频电路，分频电路如图3-6及图3-7所示：图3-6六分频电路图3-7二分频电路74LS194移位寄存器的控制输入端S1和S0是用来进行移位方向控制的，S0为高电平时，移位寄存器处于向左移位的工作状态，二进制数码在CP脉冲的控制下由高到低逐位移入寄存器，因此可以实现串行输入；在S1为低电平时，移位寄存器处于向右移位的工作状态，二进制数码在CP脉冲的控制下逐位移出寄存器(低位在前，高位在后)。在串行输入、并行输出的转换中，若将四位二进制数码全部送入寄存器内（四位寄存器）。由于每个CP脉冲移位寄存器只移一位，四位二进制数码需要四个CP脉冲。但若四位二进制数码还含有其它检验码(如奇偶校验码)，则总数码有几位就需要几个CP脉冲。-33- 信号波形合成实验电路3.4滤波模块滤波电路是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分的电路。滤波电路种类很多，由集成运算放大器、电容和电阻可构成有源滤波器。由于有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，谐振频率、增益和品质因数容易控制等而获得广泛应用。有源滤波电路有低通、高通、带通和带阻等型式。低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能通过的电路，高通滤波电路则与低通滤波电路相反，带通滤波电路是指某一频段的信号能通过而该频率以外的信号不能通过的电路，带阻滤波电路与带通滤波电路作用相反。3.4.1主要元件介绍美国TI公司生产的巴特沃斯四阶开关电容低通滤波器TLC04作为滤波电路的主要组成部分，采用施密特触发器振荡器自定时的双电源供电。1、TLC04的性能介绍TLC04是TI公司推出的通频带内具有最大平坦度、截止边带单调下降的巴特沃斯四阶开关电容滤波器。该滤波器的截止频率可随时钟编程的改变而改变，截止频率稳定性依赖于时钟的稳定性，时钟截止频率比为50:1，该滤波器可外接TTL或CMOS时钟，也可自产生时钟。TLC04芯片功能图如图3-8所示：图3-8TLC04芯片功能图芯片内部由时钟整形电路，时钟电平移位电路，无重叠时钟发生器及巴特沃斯四阶开关电容滤波器组成。2、TLC04管脚介绍-33- 信号波形合成实验电路TLC04引脚图如图3-9所示：图3-9TLC04引脚图脚1（CLKIN）：CMOS电平输入端。当用于自产生时钟时，CLKIN与CLKR之间接电阻，CLKIN接电容到地，LS接VSS。脚2（CLKR）：TTL电平时钟输入端。TTL电平输入时将LS接VDD与VSS的中间电位，CLKIIN接VDD或VSS。脚3（LS）：电平移位选择端。当采用CMOS电平时钟或自产生时钟，接VSS；当采用TTL电平时钟时，接VDD与VSS的中间电位。脚4（VSS）：负电源端。脚5（FILTEROUT）：滤波器输出端。脚6（AGNI）：模拟地，接VDD的中间电位。脚7（VDD）：正电源。脚8（FILTERIN）：滤波器输入端。TLC04外围电路结构简单、工作电源灵活、抑制纹波干扰能力强、滤波器性能稳定，可取代一般运算放大器构成的低通滤波器。3.4.2滤波模块电路滤波电路图如图3-10所示，滤波频率由、决定，电路，截止频率有一定调节范围。图3-10滤波电路图-33- 信号波形合成实验电路对于10KHz信号，截止频率取在10KHz-30KHz中间（如果截止频率选在10KHz，基波会存在-3dB的衰减），做到10KHz无衰减，完全滤除方波在30KHz上的3次谐波以及以后更高级的谐波，得到10KHz的正弦波。同理选择合适的截止频率，可获得30KHz和50KHz的正弦波。3.5基本运算模块1、放大电路及增益的介绍放大电路的主要性能指标有放大倍数、输入电阻、输出电阻等。放大倍数是衡量电路放大能力的指标，它有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数等表示方法，其中电压放大倍数应用最多。放大电路的输出电压与输入电压之比，称为电压放大倍数。放大电路的输出电流与输出电流之比，称为电流放大倍数。放大电路的输出功率与输入功率之比，称为功率放大倍数。工程上常用分贝来表示放大倍数，称为增益，他们的定义分别为电压增益，电流增益和功率增益。2、反馈简介反馈是电子技术领域中的一个重要概念，它有正负之分。在放大电路的设计中，通常引入负反馈来改善放大器的性能，通过正反馈构成各种振荡器，产生各种波形信号。在许多实际的电子电路中均存在着某种类型的反馈，反馈的概念和理论在工程领域得到了日益广泛的应用。放大电路引入负反馈的一般原则（1）欲稳定某个量，则引入该量的负反馈（2）根据对输入输出电阻的要求来选择反馈类型（3）根据信号源和负载来确定反馈类型3、跟随器电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。-33- 信号波形合成实验电路在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在HI-FI电路中，关于负反馈的争议已经很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。但是由于引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。造成音质模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证4、加法运算电路加法是对多个信号进行求和。根据输出信号与求和信号反相还是同相分为反相加法运算和同相加法运算。3.5.1主要元件介绍1、OP07的功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。2、OP07特点：1)低的输入噪声电压幅度0.35μVP-P(0.1Hz～10Hz)2)极低的输入失调电压10μV3)极低的输入失调电压温漂0.2μV/℃4)具有长期的稳定性0.2μV/MO5)低的输入偏置电流±1nA6)高的共模抑制比126dB7)宽的共模输入电压范围±14V8)宽的电源电压范围±3V～±22V9)可替代725、108A、741、AD510等电路-33- 信号波形合成实验电路图3-11OP07管脚图3、OP07芯片引脚功能说明OP07管脚图如图3-11所示，1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚，6为输出，7接正电源3.5.2放大增益模块电路低通滤波器输出的10KHz的信号为为4V左右，为达到要求需经过放大电路使其达到6V，放大1.5倍，放大增益电路如图3-12所示。放大倍数由决定。83267451U10OP07CN83267451U13OP07CNR16R17R15R23R18C17+12V-12V+12V-12VUSIN10KUSIN10K_IN1图3-12放大增益电路为减小移相电路对前后电路信号影响，移相电路由跟随电路和移相电路组成，移相角有和决定，其中取10nf，取4.7K可调电阻，根据公式2（式2），得出移相角约在间可调。-33- 信号波形合成实验电路3.5.3衰减移相模块电路低通滤波器输出的30KHz和50KHz的信号为为4V左右，为达到要求需经过衰减电路使其达到2V和1.2V，衰减移相电路如图3-13所示。图3-13衰减移相电路衰减比例由分压电阻决定。移相器原理如上部分3.5.2所述。3.5.4加法器模块电路加法运算即对多个输入信号进行求和，本电路是利用同相加法运算电路，如图3-14所示：图3-14加法器电路图输入加法器的各波形需在前面电路放大衰减移相等部分进行处理，满足傅里叶变换公式3、公式4：方波：（式3）三角波：（式4）-33- 信号波形合成实验电路3.6测试与数字显示模块LCD为英文LiquidCrystalDisplay的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。优势：与传统的阴极射线管（CRT）相比，LCD占用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳。不足：与同大小的CRT相比，价格更加昂贵。受LCD液晶层中实际单元格数量的影响，LCD显示器一般只能提供固定的显示分辨率。如果用户需要将800X600的分辨率提升到1024X768的话，只能借助于特定软件的帮助实现模拟分辨率。3.6.1主要元件介绍1、液晶显示器1602介绍1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。1602引脚功能如表3-2所示，1脚VSS一般接地，2脚VDD接电源（+5V）。3脚VL是液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4脚RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5脚R/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6脚E为使能(enable)端，下降沿使能。7脚D0为低4位三态、双向数据总线0位（最低位），8脚为第1位。以此类推，14脚D7高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）。15脚BLA背光电源正极。16脚BLK背光电源负极。表3-21602引脚功能-33- 信号波形合成实验电路2、MSP430简介本设计采用TI公司的MSP430F149芯片，充分利用其低功耗的优势，同时利用芯片中的AD转换模块实现模数转换，完成信号的采集。图3-15MSP430贴片引脚图特点：1、同其它微控制器相比，MSP430系列可以大大延长电池的使用寿命2、6uS的启动时间可以使启动更加迅速3、ESD保护，抗干扰力强4、低电压供电5、多达64KB寻址空间，包含ROM、RAM、闪存RAM和外围模块6、将来计划扩大至1MB7、通过堆栈处理，中断和子程序调用层次无限制8、仅3种子令格式，全部为正交结构9、尽可能做到1字/指令10、源操作数有7种寻址模式，目的操作数有4种寻址模式11、外部中断引脚，I/O口具有中断能力12、中断优先级，对同时发生的中断按优先级别处理13、嵌套中断结构，可以在中断服务过程中再次响应其它中断14、外围模块地址为存储器分配，全部寄存器不占用RAM空间，均在模块内15、定时器中断可用于事件计数、时序发生、PWM等16、看门狗功能17、A/D转换器（10位或更高精度）-33- 信号波形合成实验电路3.6.2测试与数字显示模块电路1、整体结构测量的正弦波信号幅度10KHz时在峰峰值在6V左右，接近MSP430芯片的电源电压，因此对其进行衰减。衰减后信号通过峰值检波器，检测出电压的峰值，输入到430的ADC通道后，由其检测，最后通过LCD显示，显示分辨力为0.01V。结构图如图3-16所示：图3-16测量与数字显示模块结构图2、系统软件设计本设计主要以模拟电路为主，显示模块采用TI公司的MSP430芯片完成控制。具体软件流程如图3-17所示。图3-17测量模块软件流程图-33- 信号波形合成实验电路第4章性能测试与分析4.1方波振荡器测试调节图3-4中电阻R1，R5达到比例后调节R3，利用示波器观察信号输出端波形频率达到60KHz和50KHz，测试结果如下图4-1,4-2所示：图4-160KHz方波图4-250KHz方波4.2分频滤波电路测试将60KHz的信号经6分频和2分频后得到10KHz和30KHz信号，与50KHz方波信号输入到各自滤波器，得到其基波信号10KHz、30KHz和50KHz的正弦信号。其结果如下图4-3所示。图4-350KHz正弦波4.3放大、衰减、移相电路测试将上所产生的3个正弦信号输入到放大、衰减、移相电路，调节各可变电阻、电阻，观察示波器使信号输出幅度为10KHz正弦信号,30KHz正弦信号-33- 信号波形合成实验电路，10KHz正弦信号，其结果如图4-4,4-5所示。图4-410KHzVpp=6V正弦波图4-530KHzVpp=2V正弦波并且根据方波傅里叶变换,3个信号相位差为零，通过示波器的X-Y工作模式，观察调节，当相位差为零，其李沙育图像如图4-6所示。图4-610KHz和30KHz0度相位差李沙育图4.4加法器测试先将10KHz（），30KHz（），无相位差的两路信号输入加法器，再经放大器后输出如下图4-7所示，波形幅度为5V。再将10KHz（），30KHz（），50KHz()无相位差的三路信号输入加法器，输出如图4-8波形。-33- 信号波形合成实验电路图4-710KHz和30K图4-810KHz、30KHz和50KHz合成方波信号图正弦信号合成方波信号图4.5三角波谐波组成测试将10KHz、30KHz和50KHz的正弦信号输入三角波谐波组成模块，根据三角波傅里叶变换，通过放大衰减和移相模块，10KHz正弦信号取Vpp取8V，30KHz正弦信号取Vpp取900mV，50KHz正弦信号取Vpp取320mV，并保证10KHz信号与30KHz信号相位差为180度，其李沙育图如图4-9所示，10KHz信号与50KHz信号相位差为0度。通过加法器，合成信号输出如图4-10所示，效果良好。图4-910KHz和30KHz180度相位差李沙育图图4-1010KHz、30KHz和50KHz正弦信号合成三角波信号图4.6测量数字显示电路本测量电路为峰值检波测量，输出结果为测试波形的的幅度，测试结果如表4-1所示：-33- 信号波形合成实验电路表4-1测量结果与误差不同频率正弦波示波器显示测量数字显示结果误差10KHz正弦波2.26V(Vpp)1.12V(幅度)-0.88%30KHz正弦波6.16V(Vpp)3.09V（幅度）0.32%从测试结果看能满足其他功能说明测试本次电路设计中的方波产生电路产生频率可调，且存在两路方波产生电路，低通滤波电路的截止频率也可调，可由此产生一定范围内任意频率的正弦波，再加上可调的放大、衰减、移相电路，可自由根据傅里叶变换合成其他近似波形。-33- 信号波形合成实验电路结论本次电路设计中的方波产生电路产生频率可调，且存在两路方波产生电路，低通滤波电路的截止频率也可调，可由此产生一定范围内任意频率的正弦波，再加上可调的放大、衰减、移相电路，可根据傅里叶变换自由合成其他近似波形。先将10KHz，30KHz无相位差的两路信号输入加法器，再经放大器后输出特殊波形，幅度为5V。再将10KHz，30KHz，50KHz无相位差的三路信号输入加法器，得到设计所需特殊矩形波形，这个设计比较理想。将10KHz、30KHz和50KHz的正弦信号输入三角波谐波组成模块，根据三角波傅里叶变换，通过放大衰减和移相模块，10KHz正弦信号取Vpp取8V，30KHz正弦信号取Vpp取900mV，50KHz正弦信号取Vpp取320mV，并保证10KHz信号与30KHz信号相位差为180度，10KHz信号与50KHz信号相位差为0度。通过加法器，合成三角波信号。虽然达到了出现三角波的效果，但这个波形不太标准。通过模拟电路来完成方波信号的产生、分频、滤波、放大、衰减、移相以及合成等功能。在信号处理中，根据设计要求和方波、三角波傅里叶变换后的特性来决定各产生波形的幅度和相位。利用MSP430F149完成了对各正弦波的测量以及数显功能。本系统电路结构简单、各波形良好，测量结果精确。本设计还存在一些不足的地方，三角波的波形不太标准，以后有机会再继续研究下去，尽力做到最好。-33- 信号波形合成实验电路参考文献[1]胡宴如．模拟电子技术[M]．北京：高等教育出版社，2004．[2]程乾生．信号数字处理的数学原理[M]．北京：人民邮电出版社，1993．[3]宋悦孝．电子测量与仪器[M]．北京：电子工业出版社，2007．[4]单片机开关电容滤波器TCL04原理与应用[J]．国外电子元器，1998（6）.[5]杨志忠.数字电子技术[M]．北京：高等教育出版社，2003．[6]许自图.电子电路彷真平台与教程.武汉：华中科技大学出版社.2000.-33- 信号波形合成实验电路附录A元器件清单-33- 信号波形合成实验电路附录B电路原理图（1）正弦信号产生电路图-33- 信号波形合成实验电路（2）方波合成电路图-33- 信号波形合成实验电路（3）三角波合成电路图-33- 信号波形合成实验电路（4）测量及数显电路图-33- 信号波形合成实验电路附录C实物图-33- 信号波形合成实验电路致谢感谢丁老师的谆谆指导，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样。在我撰写的论文中，出现比较严重的阐述漏洞，丁老师及时指导我，使我在潜移默化中，知道如何设计，并将论文写得脉络清晰，一目了然。从开始从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节到最终定稿，丁老师给予我很大的帮助，每次不管多忙，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。她渊博的学识使我受益匪浅，她的鼓励和关心也给我精神支持，使我度过一个个难关。我做毕业设计的每个阶段，都给予了我悉心的指导。这几个月实习工作之余，要完成毕业论文，自我感觉这学期过得格外的充实。大学三年学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母，老师和同学们三年来的关心和鼓励。老师们课堂上的激情洋溢，同学们在学习中的认真热情，生活上的热心主动，所有这些都让我的三年充满了感动。倾注了大量的心血，使我得到了很大的提升！在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，倾注了大量的心血，使我得到了很大的提升！在这里请接受我诚挚的谢意！-33-'