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采用集成函数信号发生器(MAX038)。
函数信号发生器(MAX038)能精密的产生三角波、锯齿波、矩形波、正弦波。
频率范围从0.1HZ~20MHZ可调,各种波形的输出幅度均为2V(P-P)。
如果用精密的电阻,则可以得到稳定频率的信号,而且调节精度很高。
其波形失真很小,正弦波失真度小于0.75%,占空比调节时非线性度低于2%。
其也满足题目要求。
方案三:
用NE555组成的方波信号发生器
一般使用NE555来制作非稳态多谐震荡器,而且在低频中较为常见,但由于充放电的时间不一致,所以并不能产生周期比相同的方波输出。
在题目论证时,考虑到后级分频及其他要求,需要前级产生一个频率可调且稳定的方波信号。
由NE555构成的振荡电路,输出频率调节较为麻烦,且不易于控制。
方案四:
使用MSP430F149定时模块输出所需要的方波
MSP430F149单片机自带两个定时器,定时器A的PWM模式产生所需要的方波信号。
然而,实际上的输出结果与理论计算结果相距较大。
比较难以实现我们所需要的方波信号。
综合上述方案,考虑到电路前后级兼容性及题目要求,所以我们选用方案二。
1.2分频模块的论证与选择
采用MSP430F149的定时计数器。
MSP430F149具有两个定时计数器A和B。
其中定时计数器A包含了三个输出比较单元,定时器B包含7个输出比较单元。
按理说完全可以满足多路的分频要求,但是分频出来信号的占空比必须为50%,才能传给后级转变为正弦波。
所以用单片机分频最多只能分两路信号出来,这样只能做到基本要求的两路信号合成。
如果想做到3路信号合成就得用2个单片机了。
还有,经过实验发现,用单片机分频产生的两路信号(10KHZ和30KHZ)用示波器的两个探头同时观察波形,波形不能达到稳定。
采用可预置的4位二进制同步计数器74LS161搭建数字电路分频。
74LS161是可编程的4位二进制同步计数器。
它具有同步并行置数的工作方式,该方式将数据输入端全部接地(所置数为零),然后利用其同步置数功能及附加门电路构成模数小于16的任一进制计算器。
虽然其分频出来波形的占空比也不是50%,但是经过实验,在其后再加一级74LS74构成的2分频电路即可以得出占空比50%的方波,且用示波器观察分频出的两路信号(10KHZ和30KHZ),波形相当稳定。
综合以上两种方案,选择方案二。
1.3移相电路的论证与选择
采用无源RC移相电路。
一级无源RC移相网络就相当于一个无源RC高通滤波器,能够产生0~90°
的相移。
4级的话就可以产生0~360°
可以满足相位的调节。
但是无源RC移相电路并不是很可靠,并且4级RC移相网络电路比较复杂,故不采用此方案。
采用有源RC移相电路。
利用高精度运算放大器OP37搭建的有源RC移相电路,只要一级移相网络就可以实现0~180°
范围内相位的连续变化,并且其精度与稳定度都相当高。
实现电路简单,性能优异,故采用此方案。
1.4加法器电路的论证与选择
加法器电路结构简单,只要选用由TI公司生产的NE5532运算放大器构成的反相输入加法电路即可以满足要求,故采用此方案。
2系统理论分析与计算
2.1方波产生电路的分析与计算
函数信号发生器MAX038可由电阻和电容振荡产生可调频率和占空比的方波。
当VFADJ=0V时,其频率为:
f=Iin(uA)/CF(pF)。
使用电压源和电阻串联的振荡器,其频率计算公式可等效为:
f=Vin/[Rin*CF(pF)]。
Vin取2.5V,则f=2.5/[Rin*CF(pF)]。
其中,
。
考虑到下级电路分频需要,需要方波频率在10KHz到2MHz可调。
因此,电容使用短路帽分别取100pF,470pF,1000pF;
电阻接入滑动变阻器阻值为100KΩ,阻值连续可调。
这样可以产生频率在10KHz到2MHz可调的峰峰值稳定为2V的方波。
2.2分频电路的分析与计算
根据题目要求,方波振荡器信号经过分频和滤波处理后,要同时产生频率为10KHZ和30KHZ的正弦波信号,如果加上发挥部分要产生的50KHZ的正弦信号,我们一共要分三次频。
考虑到10K、30K、50K的最小公倍数为150K,并且我们要通过D触发器构成的二分频电路,所以,方波振荡电路产生的方波信号的频率设定为
分别经过由74LS161构成的15、5、3分频电路就可以得到2KHZ、60KHZ、100KHZ的信号,然后再经过D触发器,就得到了所要求的10K、30K、50KHZ的信号。
2.3方波转换成正弦波的分析与计算
将方波转换成正弦波的方法有很多种,我们选用先将方波通过积分电路转换成三角波,然后再将三角波转换成正弦波的方法。
积分电路的形式可以根据实际要求来确定。
我们只需要对每一路信号进行一般波形转换,所以我们选用基本积分电路。
如图1。
τ的大小决定了积分速度的快慢。
由于运算放大器的最大输出电压Uomax为有限值(通常Uomax=±
10V左右),因此,若τ的值太小,则还未达到预定的积分时间t之前,运放已经饱和,输出电压波形会严重失真。
所以τ的值必须满足:
也就是说,根据不同路信号的频率不一致,我们所选用的R和C的值也不一致。
当F=10KHZ,
选定C=1100pF;
则
因此我们选用100K的滑动变阻器,即可满足要求。
当F=30KHZ,
选定C=470pF;
因此我们选用100K的滑动变阻器,也可满足要求。
当F=50KHZ,
选定C=330pF;
因此我们选用100K的滑动变阻器,满足要求。
三角波转正弦波电路,采用典型三角波转正弦波电路,具体电路见电路设计部分。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图2所示:
3.1.2方波转正弦波电路原理图
1、方波转正弦波电路
方波先通过积分电路转换成三角波,然后经过三角波转正弦波典型电路就可以得到正弦波。
电路如图3所示。
图中的反馈支路除了常有的Rf外,还并联了一系列由一级管的电阻组成的电路。
由Vo和正负电源通过电阻分压在二极管的右侧得到一系列的电压。
当Vo向0减小时,D1,D2,D3依次导通,等效反馈电阻逐渐减小,则下降的斜率逐渐变慢,趋近于正弦波的底部变化趋势。
同理当Vo上升时,另外三个二极管依次导电,等效反馈电阻逐渐减小,则上升的斜率逐渐变慢,趋近于正弦波的顶部变化趋势。
2、采用差分放大器作为三角波转正弦波的电路。
波形变换原理为“利用差分对管的饱和与截止特性进行变换,利用对管在饱和与截止时差分放大器传输特性曲线ic1表达式的波形类似正弦波来实现的。
对于此电路,要求:
传输特性曲线尽可能对称,尽可能窄,三角波的幅值Vm应接近晶体管的截止电压值。
其中RP1用来调节三角波的幅度,RP2用来调整电路的对称性,并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。
C1,C2,C3为隔直电容.在C3之后再接一个2阶有源巴特滤波器,得到正弦波。
具体电路分析在此不再赘述,想了解更多可以参见谢自美老师主编·
《电子线路设计·
实验·
测试》。
3.1.3真有效值电路原理图
1、真有效值电路原理图
3.1.4电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供
5V或者
12V电压,确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单,都采用三端稳压管实现,故不作详述。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现AD采样设置和显示。
1)AD采样功能:
采得构成方波的三路正弦波的真有效值。
2)显示部分:
经过计算,显示产生方波和产生三角波的各三路正弦信号的幅值。
2、程序设计思路
程序设计主要是用来AD采样真有效值,然后再液晶屏幕1602上将其显示出来。
由于本次设计的输出结果,除了基本要求的方波以外,还做了发挥部分的三角波信号合成。
所以我们一共将六路正弦信号的幅值进行显示(包括方波信号的1、3、5次谐波和三角波信号的1、3、5次谐波)。
我们采用MSP430自带的AD采样模块,从外部引进方波信号的1、3、5次谐波信号进行AD采样,然后在半秒钟后,通过改变继电器偏向,采集三角波信号的1、3、5次谐波,再通过计算,在液晶上显示这六路信号的幅值。
3.2.2程序流程
由于程序简单,其流程值作如下叙述:
1.单片机MSP430F149初始化;
2.AD采样以及液晶1602的初始化;
3.开始采样
4.计算以及显示各路幅值
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
将硬件电路分级进行测试,也就是说,从方波振荡信号产生到最后波形合成,我们一级一级的检测。
当确认一级正确以后,在接上下一级电路,测量下一集电路是否正常工作。
2、硬件软件联调
4.2测试条件与仪器
测试条件:
检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。
测试仪器:
TektronixTDS1002B,数字万用表FLUKE15B。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果(数据)
信号出处
波形
频率(HZ)
峰峰值
方波振荡电路产生
方波
300.2K
5V
分频电路产生
10.02K30.06K50.15K
10.5V9.6V3.88V
放大整形输出
正弦波
10.04K30.03K50.01K
12.1V3.96V2.4V
滤波器输出
10.04K30.18K50.50K
10.3V2.88V2.16V
移相及放大电路
10.01K30.05K50.08K
12.0V4.01V2.43V
加法器输出波形
近似方波
10.03K
10.0V
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据,可以得出以下结论:
1、所选方波振荡频率合适,经过分频,容易得到题目要求的谐波信号频率;
2、移相及放大电路不仅很好的调整了各路信号的相位差,而且还将从滤波器出来被衰减的信号放大到谐波所需峰峰值,达到题目要求。
3、加法器合成波形为近似方波,满足本次设计的要求。
综上所述,本设计达到设计要求。
附录1:
参考文献
[1]邱关源、罗先觉主编·
《电路》。
北京:
高等教育出版社。
2006.5
[2]黄智玮编著·
《全国大学生电子设计竞赛系统设计》。
北京航空航天大学出版社.2006.12
[3]高吉祥主编·
《2007年全国大学电子设计试题剖析》。
电子工业出版社。
2009.5
[4]于洪珍主编·
《通信电子电路》。
清华大学出版社。
2005.8
[5]谢自美主编·
测试》(第二版)。
武汉:
华中科技大学出版社。
2000.7
附录2:
整体电路图
附录3源程序
//主程序
#include<
msp430x14x.h>
#include"
ADC12.h"
LCD1602.h"
PWM.h"
inttemp0,temp1,temp2;
floatadc0,adc1,adc2;
voiddelay(intms)
{
inti,j;
for(i=0;
i<
ms;
i++)
{
for(j=0;
j<
1141;
j++);
}
}
voidmain(void)
unsignedinti;
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
//关闭看门狗
BCSCTL1&
=~XT2OFF;
//EnableXT2CLK
do
IFG1&
=~OFIFG;
for(i=0xff;
i>
0;
i--);
while((IFG1&
OFIFG));
//等待晶振起振
BCSCTL2|=SELM_2+SELS;
//MCLKSourceSelect:
XT2CLK
//SMCLKSourceSelect:
XT2CLK
P1DIR=0XFF;
PWM_OUT(2,2);
//TA1产生1MHZ,占空比为50%作为AD转换触发源
LCD_init();
//LCD1602初始化
ADC12_init();
//AD采样初始化
_EINT();
while
(1)
P1OUT|=0X01;
//控制继电器跳转,半秒钟采样方波谐波的幅值,半秒钟采样三角波谐波的幅值
adc0=temp0*3.3*1.414/4095;
//采回来的是有效值经过AD转换公式后还要乘以
adc1=temp1*3.3*1.414/(4095*2);
adc2=temp2*3.3*1.414/(4095*3);
if(temp0>
=4090)display_nowtem(60);
//由于最大值只能显示6V,所以在>
4090的采样值我们都显示6V
elsedisplay_nowtem(adc0*10);
//1
display_settem(adc1*10);
//2
display_bbtem(adc2*10);
//3//方波谐波的幅值计算与输出
delay(500);
P1OUT&
=~0X01;
=4090)display_nowtem_2(60);
elsedisplay_nowtem_2(adc0*10);
display_settem_2(adc1*10);
display_bbtem_2(adc2*10);
//3//三角波谐波的幅值计算与输出
//AD采样子程序
//StandardEquations
externinttemp0,temp1,temp2;
voidADC12_init(void)
//P6DIR&
//P1DIR|=0X01;
=~0X07;
P6SEL=0x07;
//EnableA/DchannelA0,A1,A2
ADC12CTL0=ADC12ON+SHT0_0+MSC;
//开AD转换
ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_3+SHS_1;
ADC12MCTL0=INCH_0+SREF_0;
ADC12MCTL1=INCH_1+SREF_0;
ADC12MCTL2=INCH_2+SREF_0;
//ADC12MCTL3=INCH_3+SREF_0;
ADC12IE=0X07;
ADC12CTL0|=ENC;
#pragmavector=ADC_VECTOR
__interruptvoidADC12ISR(void)
temp0=ADC12MEM0;
//将寄存器的值读取后,标志位自动清零
temp1=ADC12MEM1;
temp2=ADC12MEM2;
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- 信号 波形 合成