方波信号波形合成电路电子信息工程.doc
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1、摘要课题任务是对一个特定频率的方波进行变换产生多个不同频率的弦信号,再将这些正弦信号合成为近似方波。首先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,合成后的目标信号为10KHz近似方波。本课题的理论基础是傅里叶级数。法国数学家傅里叶发现,任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示(选择正弦函数与余弦函数作为基函数是因为它们是正交的),后世称为傅里叶级数一种特殊的三角级数。假设a0, a1, a2, a3, ., an, .和b1, b2, b3, ., bn, .
2、是一组无穷的常数。这些常数被称为傅里叶系数。x是一个变量。普通的傅里叶级数可以表示为:F(x) = a0/2 + a1 cos x + b1 sin x + a2 cos 2x + b2 sin 2x + .+ an cos nx + bn sin nx + . 一些波形比较简单,比如单纯的正弦波,但是这些只是理论上的。在实际生活中,大多数波形都包含谐波频率(最小频率或基波频率的倍数)的能量。谐波频率能量相较于基波频率能量的比例是依赖于波形的。傅里叶级数将这种波形数学的定义为相对于时间的位移函数(通常为振幅、频率或相位)。1随着傅里叶级数中计算的项的增加,级数会越来越近似于定义复杂信号波形的精
3、确函数。计算机能够计算出傅里叶级数的成百上千甚至数百万个项。本课题就是基于此原理,取基波、三次谐波及五次谐波进行合成。当然谐波之间要满足一定相位及幅值比例关系,所以用同一振荡器产生信号,再进行分频及移相等处理。关键词: 方波振荡器; 傅里叶级数;分频; 滤波; 移相电路 AbstractMission is to issue a specific frequency square wave to transform strings produce multiple signals of different frequencies, then the synthesis of these sin
4、e square wave signal. First, to design a specific frequency square wave generator, and in this square wave signal on the need for conversion, were generated 10KHz, 30KHz and 50KHz sine wave, then a frequency of the three sine wave synthesis, synthesis of the target after 10KHz square wave signal.The
5、 project is based on Fourier series theory. French mathematician Fourier discovered that any periodic function can be used sine and cosine functions to represent the infinite series form (select the sine function and cosine function as basis functions because they are orthogonal), later known as the
6、 Fourier A special series of triangular series. Suppose a0, a1, a2, a3, ., an, . and b1, b2, b3, ., bn, . is a set of infinite constant. These constants are called Fourier coefficients. x is a variable. Ordinary Fourier series can be expressed as:F(x) = a0/2 + a1 cos x + b1 sin x + a2 cos 2x + b2 si
7、n 2x + .+ an cos nx + bn sin nx + . Some relatively simple waveforms, such as pure sine wave, but these are only theoretical. In real life, most of the waveforms contain harmonic frequency (minimum frequency or a multiple of the fundamental frequency) energy. Harmonic frequency energy compared to th
8、e ratio of the fundamental frequency energy is dependent on the waveform. Fourier series mathematical definition of this kind of waveform relative to the displacement function of time (usually amplitude, frequency or phase). Calculated as the Fourier series of items increasing, the series will be mo
9、re similar to the definition of the precise function of complex signal waveforms. Computer can calculate the Fourier series of hundreds of thousands or even millions of entries. This topic is based on this principle, take fundamental, third harmonic and fifth harmonic synthesis. Of course, between t
10、he harmonic phase and amplitude to meet certain proportional relationship, so with the same oscillator signal, then the frequency and the shift is equal treatment. Keywords: Square wave oscillator; Fourier series; frequency; filter; phase-shifting circuit 目录第一章 系统方案比较1一 、方波振荡电路及滤波电路方案论证1二、移相电路方案论证1第
11、二章 555定时器设计3一、555芯片介绍3 二、振荡器设计3第三章 分频电路的设计与分析 4一、CD4017介绍4二、CD4013介绍5三、分频电路设计6第四章 滤波电路7一、滤波技术简介7二、NE5532芯片介绍10三、滤波电路设计11第五章 移相电路13一、移相技术简介14二、 移相电路设计15第六章 放大及加法电路.16第七章 总结与展望18致谢19参考文献19附录一20附录二20附录三23第一章 系统方案比较一 、方波振荡电路及滤波电路方案论证方案一:用555定时器构成多谐振荡器产生300KHz方波,或者用MSP430单片机自带定时器产生300KHz方波,然后通过数字分频电路分出10
12、KHz,30KHz及50KHz方波,再通过滤波提取相应的正弦波,这样提取出来的正弦波相位关系确定,适合于方波、三角波的合成。方案二:用多个555定时器构成的多谐振荡器产生分别10KHz,30KHz,50KHz的方波,然后用低通滤波电路分别把各自的基波提取出来,产生10KHz,30KHz,50KHz正弦波,但是这样的正弦波相位关系不确定,不能用于合成方波三角波。方案三:CPLD可编程逻辑器分别产生10KHz,30KHz,50KHz方波,并且三种方波之间存在明确的相位关系,然后用巴特沃斯低通滤波器将10KHz与30KHz的基波提取出来,即产生10KHz,30KHz的正弦波,又因为所选用的巴特沃斯低
13、通滤波器TLC04的截止频率达不到50KHz,所以50KHZ正弦波的提取采用了带通滤波器。这样就可以产生出三种正弦波,在经过移相电路将三种波形的相位差调节为0度,在通过运算放大电路使其幅度达到所需的要求,然后再将这三种有明确相位关系的正弦波通过加法器相加,即可得到所需的方波了。三种振荡电路方案比较如下:电路复杂程度波形失真度理论可行性方案一易一般可行方案二易一般不可行方案三复杂小可行由于555定时器多谐振荡器构造简单,频率稳定,所以选择方案一。二、移相电路方案论证方案一:用RC构成一级移相电路,该电路优点是电路结构简单,缺点是在调节相位时,移相角度不大于90度,而且波形幅度的幅度发生变化,特别
14、是移相角度不大于90度不能满足实际需要。RC一级移相电路图1 RC一级移相电路如图为RC滞后型移相网络,其中。即调节R或C,可以使网络产生0-90的相移。2方案二:用RC构成多级移相电路,该电路结构符合相位移位的需求,可以在0-180范围内调节相移,但是波形会发生严重衰减。方案三:利用全通滤波电路来构成移相电路,该电路可以在0-180范围内调节相位,且幅度基本不变化。图2 二阶全通滤波电路,其中。由此可以看出,二阶全通滤波电路可以产生0-180相移。2方案四:在分频电路末端使用CD4013D触发器对方波进行移相然后再进行滤波生成正弦波。四种滤波电路方案比较如下电路复杂程度波形失真度理论可行性方
15、案一简单失真较大可行方案二简单失真较大可行方案三复杂失真较小可行方案四一般失真较小可行RC移相电路构造简单但生成波形会有较大失真。全通滤波电路可以进行在0-180范围内调节相位,波形失真较小且幅度基本不变化,但构造复杂。经考虑选择方案三。最终总方案流程图如下:图3第二章 555定时器设计一、555芯片介绍1可产生精确的时间延迟和振荡,内部有3个5k的电阻分压器,故称555。2电源电压电流范围宽,双极型:516V;CMOS:318V。3可以提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平。4可输出一定的功率,可驱动微电机、指示灯、扬声器等。5应用:脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制、家用电
16、气与电子玩具等领域。6TTL单定时器型号的最后3位数字为555,双定时器的为556;CMOS单定时器的最后4位数为7555,双定时器的为7556。它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。555定时器的集成电路外形、引脚、内部结构如图4所示。6(a) 外引线排列图(b) 内部结构图GND:接地端:低触发端 OUT:输出端:复位端CO:控制电压端 TH:高触发端 D:放电端 VCC:电源端图4555定时器外引线排列及内部结构图 二、振荡器设计选择采用NE555多谐振荡器。利用深度正反馈,通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止,从而自激产生方波。根据设计的需要,我最终选择如图5所示占空比及频率可调振
17、荡电路,电阻选择3.3K欧姆电位器,电容使用1000pF。图5 555振荡器电路第三章 分频电路的设计与分析 一、CD4017介绍十进制计数分频器CD4017,其内部由计数器及译码器两部分组成,由译码输出实现对脉冲信号的分配,整个输出时序就是O0、O1、O2、O9依次出现与时钟同步的高电平,宽度等于时钟周期。 CD4017有10个输出端(O0O9)和1个进位输出端O5-9。每输入10个计数脉冲,O5-9就可得到1个进位正脉冲,该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。CD4017有3个输入(MR、CP0和CP1),MR为清零端,当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平,其余输出端(O1O9
18、)均为低电平。CP0和CPl是2个时钟输入端,若要用上升沿来计数,则信号由CP0端输入;若要用下降沿来计数,则信号由CPl端输入。设置2个时钟输入端,级联时比较方便,可驱动更多二极管发光。 由此可见,当CD4017有连续脉冲输入时,其对应的输出端依次变为高电平状态,故可直接用作顺序脉冲发生器。6图 6 二、CD4013介绍在电子技术中,N/2(N为奇数)分频电路有着重要的应用,对一个特定的输入频率,要经N/2分频后才能得到所需要的输出,这就要求电路具有N/2的非整数倍的分频功能。CD4013是双D触发器,在以CD4013为主组成的若干个二分频电路的基础上,加上异或门等反馈控制,即可很方便地组成
19、N/2分频电路。 上面介绍的N/2分频电路仅限于N7,当N7时,可根据分频N值的大小,相应增加二分频级数,并恰当引接反馈信号走线,便可得到N7的分频电路。N/2分频电路的特性如下:1.电路工作原理是,在第n个周期,末级两分频器的输出为高电平时,输入时钟脉冲的上升沿使分频电路工作;在第n1个周期,末级两分频器的输出为低电平时,输入时钟脉冲的下降沿使分频电路工作。2.电路采用的是异步触发形式,各触发器的初始状态不会影响到分频的功能。如果要求初始状态为“0”状态,可以将D触发器的复位端R引出,接至复位控制电路。3.输入信号fi的最高工作频率fimax除受到CMOS元件fM的限制外,还受到D触发器、反
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