2023年TI杯电子设计竞赛信号波形合成电路报告.doc
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1、大学生电子设计竞赛 TI杯模仿电子系统专题邀请赛信号波形合成试验电路(C题)组号:51信号波形合成试验电路 摘要 本电路实现了基于多种正弦波合成方波与三角波等非正弦周期信号电路。使用TLV3501电路构成基准300KHz方波振荡信号,以74LS161、74LS74实现前置分频形成10KHz、30kHz、50kHz方波信号,运用有源滤波器获得其正弦基波分量,以TLC085实现各个信号放大、衰减和加法功能,同步使用有源RC移相电路实现信号相位调整;使用二极管峰值包络检波电路获得正弦信号幅度,以MSP430F147作为微控制器对正弦信号进行采样,并且采用点阵液晶实时显示测量信号幅度值。关键词:方波振
2、荡 方波分频及滤波 移相 信号合成 峰值检测MSP430F1471、方案设计1.1系统分析和整体设计根据题目规定,通过方波振荡电路产生方波信号,经分频后得到各路需要信号,因而方波振荡电路产生信号频率应为各路信号频率公倍数。由于需要信号频率为10KHz,30KHz和50KHz,其最小公倍数为150KHz,若使用偶数分频,则应产生f=300KHZ方波,分别通过6分频、10分频和30分频得到10KHz、30KHz、50KHz方波,然后通过滤波器得到对应正弦信号;用放大电路弥补分频滤波过程中衰减,并将幅度调整至合成所需比例关系。由傅里叶变换可以证明方波可体现为:三角波可体现为:因此频率为10KHZ、3
3、0KHZ、50KHZ、70KHZ对应幅值为正弦波可合成方波,频率为10KHZ、30KHZ、50KHZ、70HZ对应幅值为正弦波可合成三角波。同步,各分量对应相位关系也由三角函数形式及前面符号所决定。因而,还需要通过移相使各频率信号相位关系符合方波及三角波合成规定,然后将对应幅度不一样频率正弦波形通过加法电路叠加成近似方波和三角波。同步,通过峰值检测电路检测各路正弦信号幅度,并通过MSP430单片机内置AD对电压幅值进行采样及显示。整个系统原理框图如图1.1所示。方波振荡电路方波分频滤波信号放大波形移相波形叠加峰值测量液晶显示单片机处理系统图 1.1 系统框架图1.2系统方案设计、比较与论证根据
4、题目规定对其中某些重要某些进行方案设计、比较与论证:1.2.1可调电压源设计方案集成稳压电路一般分为5某些,即交流降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、保护电路。交流220V电压经电源变压器降压整流得到直流电压Vin,此电压通过滤波电路输入到带过流保护功能LM317集成稳压器输入端,在集成稳压器输出端可得到1.2537V直流电压。咱们制作电源中有常用定值电压5V、12V和18V可调电压。1.2.2方波振荡电路方案本系统中方波振荡电路是后续各级信号产生基本,对频率精确度和稳定度规定较高。方案一:555定期器构成多谐振荡器,直接调整至300KHz左右对称方波。此方案成本低廉,实现以便, 但其稳定
5、性受到外部元件影响,在振荡频率较高时频率稳定度不够。方案二:使用石英晶振构成高稳定度频率参照源,并使用计数器和集成锁相环芯片构成分频/倍频环,以产生300KHz方波。该措施产生信号稳定度高,但需要搭建石英晶体振荡电路,并进行锁相环分频、倍频,电路较复杂。方案三:采用基于比较器和RC积分电路方波产生电路。该电路构造简朴,性能稳定,重要限制原因在于比较器速度。TI企业轨至轨高速比较器TLV3501,具有4.5ns翻转速度,结合恰当RC参数,可以到达300KHZ振荡频率。因而。本系统采用方案三,此电路构造简朴,产生方波稳定性很好。1.2.3滤波电路设计方案本系统中需要得到正弦波均来自于对应方波信号基
6、频,因而只需使用低通滤波器,并将截止频率设置为高于基波频率并低于谐波频率即可。方案一:使用TI集成低通滤波器芯片TLC041进行低通滤波。采用晶振分频方波作为芯片外部时钟输入来控制滤波器截止频率。该方案实现简便,但灵活性较差,不便于截止频率微调。方案二:同样使用TLC041集成滤波芯片,不过通过外接电容电阻来控制其内部时钟进行滤波。与方案一相比,灵活性较大。方案三:直接采用TI 运放TL072及电阻、电容元件构成二阶巴特沃思低通滤波器进行有源滤波。方案一、二虽然充足运用了TI滤波器件,可以在其工作频率范围内得到很好成果,不过TLC041构成低通滤波系统最高截止频率一般不超过40KHz,用于本题
7、中50KHz正弦波滤波,衰减过大。因而,本系统中统一采用方案三,滤波器构造清晰,截止频率可以进行充足调整,具有很好滤波效果,可以产生非常理想正弦波。1.2.4移相电路设计方案移相电路对分频滤波后各路正弦信号进行相位移动,使它们相位关系满足信号合成需要。方案一:采用无源RC移相网络。该方案电路简朴,可以实现移相目,不过通过相移网络后信号有衰减,并且在调整相移同步,信号幅度也会发生变化,需要在后级再加入放大器进行赔偿,增长了系统复杂性。方案二:采用有源RC移相电路,通过合理设计,可以实现信号幅度增益恒定为1,相位可调效果。因而,本系统中采用方案二进行移相电路设计。2、系统实现2.1硬件设计2.1.
8、1 方波振荡电路方波振荡电路如图2.1所示,它是在高速比较器TLV3501基本上,增长了一种由R1、C1构成积分电路,把输出电路经R1 、C1反馈到比较器反相端。在接通电源瞬间,设输出电压偏于正饱和值,即Vo=+Vcc时,加到电压比较器同相端电压为+FVcc,而加于反相端电压,由于电容C上电压Vc不能突变,只能由输出电压Vo通过电阻R1按指数规律向C1充电来建立。如此循环,形成一系列方波输出。调整电位器R1可变化产生方波频率,范围在01MHZ之间。同步,在输出端再接上一级比较器进行方波整形,以使产生方波边缘愈加陡峭。图2.1 方波振荡电路2.1.2分频器电路分频器电路由可同步预置计数器74LS
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