信號波形合成實驗電路 摘

　要：

　本設計包含方波振蕩電路，分頻電路，濾波電路，移相電路，加法電路，測量顯示電路。題目要求對點頻率的各參數處理，制作一個由移相器和加法器構成的電路，將產生的10KHz 和30KHz 正弦信號作為基波和三次諧波，合成一個波形幅度為5V、近似于方波的波形。振蕩電路采用晶振自振蕩并與74LS04 結 合，產生6MHz 的方波源。分頻電路采用74HC164 與74HC74分頻出固定頻率的 方波，作為波形合成的基礎。濾波采用 TI公司的運放LC084，分別設置各波形 的濾波電路。移相電路主要處理在濾波過程中相位的偏差，避免對波形的合成結 果造成影響。

　關鍵詞 ：方波振蕩電路 分頻與濾波 移相電路 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. 課題技術指標

　 1.1 基本要求

　對一個特定頻率的方波進行變換并產生多個不同頻率的正弦信號，再將這些正弦信號合成為近似方波。

　 設計制作一個特定頻率的方波發生器，并在這個方波上進行必要的信號轉換，分別產生10KHz、30KHz和50KHz的正弦波，然后對這三個正弦波進行頻率合成，合成后產生目標信號為10KHz近似方波(如下圖)。

　 1.2 附加要求

　利用方波發生器進行信號轉換后的10KHz、30KHz和50KHz的正弦波進行頻率合成，合成后產生目標信號為10KHz近似三角波。

　1.3 設計條件

　運放 TL084 2只 計數器 74164 4只 反相器 7404 1只 觸發器 7474 1只 硅晶體 6MHz 1只 電位器 51k 6只 導線

　若干 電阻

　若干

　2. 系統設計

　2.1 設計任務

　設計制作一個電路，能夠產生多個不同頻率的正弦信號，并將這些信號 再合成為近似方波和其他信號。電路示意圖如圖1 所示：

　2.2 系統框圖

　 . 3. 方法論證

　3 3 .1 信號發生器電路

　方案一：數控振蕩器（NCO）產生時間離散和幅度離散的正弦信號和余 弦信號， 在模擬調制中，利用NCO 可以直接產生調頻信號（FM），雖然結合FPGA 可以完成調頻信號的輸出，但是數控振蕩器（NCO）的平臺搭建需要時間。

　方案二：采用非門與晶振組合成形成正反饋電路產生正反振蕩，其中采用的

　6MHZ 的晶振是起濾波作用。只有6MHZ 頻率的脈沖信號容易通過該正反饋電路，其它頻率的信號被抑制。故電路表現為只有6MHZ 的方波信號。該電路輸出穩定，容易搭建。

　方案三：鎖相環 CD4046。CD4046 是通用的 CMOS 鎖相環集成電路，具有電源電壓范圍寬（為 3V－18V），輸入阻抗高(約 100MΩ)，動態功耗小的特點。產生的方波信號頻率滿足設計需要，并且波形理想。故本設計采用該方法實現方波振蕩電路。

　綜上，選取方案二。

　3.2 分頻電路

　方案一：采用單片機與FPGA 結合，省去許多分立的邏輯集成電路，使電路的集成性和可靠性大大提高。另編程簡單容易實現，且容易實現并可以產生固定頻率的波形，并省去分頻電路，是電路簡化。但是FPGA 平臺的搭建占用時間太長，不利于實現。

　方案二：分頻電路采用邏輯元件74164、7474、7404 搭建而成。電路如下圖所示：振蕩電路所產生的頻率為6MHz 的方波送到74164構成10分頻電路，輸出頻率為600KHz 的方波。頻率為600KHz 的方波再經74164構成10 分頻，輸出頻率為

　60KHz、占空比50%的方波。頻率為600KHz 的方波再經分頻，得到頻率為50KHz、占空比50%的方波。同時60KHz 的方波經過7474二分頻輸出30kHz、占空比50%的方波。60KHz再經74164六分頻得到10KHz 的信號分頻電路如下圖所示。

　采用方案二。

　3.3 濾波電路

　方案一：采用LC 或RC 無源濾波，電路圖如圖6 所示，電路簡單，參數 易于計算。但濾波效果差，而本題目只要給指定頻率的波形濾波，并且達不 到題設要求。可以根據中心頻率公式：

　來匹配R、C 的參數。

　 圖6 無源RC 低通濾波器

　 方案二：采用TI 公司提供的TLC084 運算放大器，搭建一個帶通有源 濾波器電路圖如圖7 所示

　 采用方案二。

　3.4

　調幅電路

　信號經濾波后得到完整的正弦波。調幅電路采用運放組成的反相輸入比例放 大器.電路如下圖11 所示。比例放大器的主要作用是調節基波、3 次波和5 次波 的峰峰值。

　相關環節電路原理相同。

　3.5 加法電路

　為了產生包含10kHz 為基波、30kHz 為3 次波和50kHz 為5 次波合成一個近 似方波，采用運放組成的信號調幅、疊加電路。波形幅度為5V，調幅、加法電路如下圖所示。

　調幅、加法電路

　 當 R = 2 R = 3 R = F R 時，就是三個信號的疊加。

　對與合成方波，加法起的運算為

　對與合成三角波，加法起的運算為

　 . 3.6 6 反相器電路

　為了得到三角波，需要把30kHz 的3 次波和50kHz 的5 次波進行反相。

　反相器用運放組成的反相端輸入的1：1 比例放大器來實現。采用TL084運算放大器搭建一個反相電路如下圖

　. 4. 整體設計

　經過方案比較與論證，最終確定的系統組成框圖如圖16 所示。其中利用晶振、74LS04 產生振蕩方波，74LS390 和CD4566 進行分頻，獲得題目中所要求的各頻率信號。濾波器電路分別對10K、30K、50K 設計相應的參數電路，利用TL084搭建有源濾波器。

　 整體電路見附錄1. 5. 系統測試結果

　5.1 、測試儀器與設備

　表4.1.1 測試用儀器與設備 儀器名稱 型號 數量 雙通道數字示波器 DS1022C 1

　合成信號發生器 NDY-EE1410 1 數字萬用表 TY360 1 直流穩壓電源 DF1731SC2A 1 計算機聯想 PC 機 1 5.2 、系統試驗結果

　5.2.2 基波10KHz、測量峰峰值6±0.01V 實測波形 圖19 基波10KHz、測量峰峰值6±0.01V 實測波形 19 5.2.3 三次波30KHz、測量峰峰值2±0.01V 實測波形如圖20 圖20 三次波30KHz、測量峰峰值2±0.01V 實測波形

　5.2.4 五次波50KHz、測量峰峰值1.2±0.03V 實測波形如圖21 圖21 五次波50KHz、測量峰峰值1.2±0.03V 實測波形 5.2.5 基波10KHz、測量峰峰值6V 與三次波30KHz、測量峰峰值2V 疊 加后實測波形如圖22

　圖22 基波10KHz、測量峰峰值6V 與三次波30KHz、測量峰峰值2V 疊加后實測波形 5.2.5 基波10KHz、測量峰峰值6V 與三次波30KHz、測量峰峰值2V 及 五次波50KHz、測量峰峰值1.2V 疊加后實測波形

　 圖23 基波10KHz、測量峰峰值6V 與三次波30KHz、測量峰峰值2V 及五 次波50KHz、測量峰峰值1.2V 疊加后實測波形 5.2.6 基波10KHz、測量峰峰值6V 與三次波30KHz、測量峰峰值0.667V 相減及五次波50KHz、測量峰峰值0.24V 疊加后實測波形。

　圖24 基波10KHz、測量峰峰值6V 與三次波30KHz、測量峰峰值0.667V 相減及五次波50KHz、測量峰峰值0.24V 疊加后實測波形。

　經 ,10K與30K搭接

　電阻。

　. 6. 元件清單

　運放 TL084 2只 計數器 74164 4只 反相器 7404 1只 觸發器 7474 1只 硅晶體 6MHz 1只 電位器 51k 6只 導線

　若干 電阻

　若干 雙通道數字示波器 DS1022C 1 合成信號發生器 NDY-EE1410 1 數字萬用表 TY360 1 直流穩壓電源 DF1731SC2A 1 計算機聯想 PC 機 1 . 7. 結語

　意各方面的細節。這次設計使我們各方面都得到了一定的鍛煉。

　參考文獻：

　1. 及力，張濤，王永成. Protel99SE原理圖與PCB設計教程.電子工業出版 社.修訂版 2. 華永平模擬電路設計與制作. 北京：電子工業出版社,2007.7 4． 高吉祥，黃智偉，丁文霞. 數字電子技術[M]. 北京：電子工業出版社，2003 年，第1版 5. 鄒其洪黃智偉高嵩.電工電子實驗與計算機仿真[M].北京：電子工業出版 社，2003年，第1版

推薦訪問： 波形 合成 信號