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摘要
本设计由方波振荡，分频滤波，移相放大，加法求和，峰值检测模块组成。通过对555定时器产生的方波进行分频，得到10kHz、30kHz、50kHz的方波。滤波移相处理后，产生三种频率的正弦信号，从而合成波形稳定的方波与三角波。最后，由峰值检测电路检测幅值，并由MSP430显示。经验证，本设计电路幅值相位易于调节，波形稳定，效果理想，达到了设计要求。
关键词
鼎阳数字示波器 SIGLENT 傅立叶级数 方波合成 带通滤波 MSP430单片机 SDS1102CFL
一、 设计方案
1.1方波产生电路
555定时器构成多谐振荡电路。电路幅值与占空比可调，产生的方波为单极性，波形上升沿较陡
1.2分频电路
由十六进制计数器74LS163和触发器HEF4013构成分频电路。计数器进行奇数次分频，触发器进行二分频。电路占空比为50%
1.3滤波电路
由运放TL072和无源元件RC组成二阶有源带通滤波电路。该电路既可以滤除直流和高次谐波分量，又可以放大电压
1.4移相电路
如 图-1所示，RC等幅移相电路。电路可调相范围为0～90°，幅度恒定。
图-1
1.5加法电路
同相求和电路。可实现多路信号相加，但稳定性不高
1.6峰峰值检测电路
利用场效应管和电容等构成峰峰值检测电路。电路性能稳定，检测精度良好，但在高频范围内检测精度一般。
二、 参数分析及计算
2.1 方波产生电路频率及占空比计算
由555定时器组成的多谐振荡器如图-2所示。该电路通过对电容C的充放电得到周期性矩形波。由振荡频率公式 ，占空比公式 知，若要使方波频率为300kHZ，应满足 ，同时调节滑动变阻器，使其上下端阻值相等，得到占空比为50%的方波。
图-2
2.2 分频电路参数计算
分频电路如 图-3所示。将多谐振荡器得到的方波经过分频器进行15分频、5分频、3分频，再经过D触发器二分频，从而得到占空比为50%的10kHZ,30kHZ,50kHZ的方波，用于后级滤波使用。
图-3
2.3滤波电路参数计算
滤波电路如图-4所示，该滤波器为二阶带通滤波器。高通部分用于滤除直流分量，低通部分用于滤出10kHZ,30kHZ,50kHZ的正弦波。由截止频率公式 ，分别计算得截止频率为12kHZ,32kHZ,53kHZ时的电阻电容参数。为防止电路起振，放大倍数均取1.5倍以下。
图-4
2.4移相电路参数计算
移相电路如图1-4-2所示,利用放大器的差动输入，在 处产生+90度相移。若以产生90度相移的频率为中心，频率偏离时，其相角为： ， 。为了获得任意的相角，选择适当的电容值0.01u，因为 ，通过5K滑动变阻器的调节即可实现相位调节。
2.5加法电路参数计算
根据方波的傅里叶展开式 三角波的傅里叶展开式 ，将三路正弦波幅值和相位分别调至与公式相符，相加后即得所需波形。
2.6峰峰值检测电路参数计算
峰峰值检测电路如图-5所示，利用两片TL072比较跟随，电容充放电，场效应管保持峰值从而实现峰值检测功能。
图-5
三、 系统测试数据
测试方案
（1）测试各模块输出的方波，正弦波的幅值，频率与波形。
（2）调节正弦波幅值，相位至满足傅里叶关系，测试合成波形数据。
(3）对各输出正弦波进行峰值检测测试，计算误差。
测试仪器
数字存储示波器：鼎阳（SIGLENT） SDS1102CFL 100MHz 2GSa/s
经测试所得实验数据如表一所示。测试波形如图-6至图-12所示。滤波所得正弦波误差为0%，合成方波峰值与设计要求值相差0.6V。
表一 信号合成电路测试数据
|
输出信号 |
正弦波一 |
正弦波二 |
正弦波三 |
两路合成方波 |
三路合成方波 |
三角波 |
|
频率(KHZ) |
10.04 |
30.1 |
50.15 |
10.03 |
10.04 |
10.04 |
|
幅值(V) |
6 |
2 |
1.19 |
5.6 |
5.68 |
9.04 |
用SDS1202CFL测试显示波形如下：
图-6 分频后方波 图-7 10kHZ正弦波
图-8 30kHZ正弦波 图-9 50kHZ正弦波
图-10基波、三次谐波合成方波 图-11 基波、三次、五次谐波合成方波
图-12合成三角波
四、参考文献
[1]康华光.电子技术基础模拟部分[R].北京：高等教育出版社，2006.1
[2]李先允.姜宁秋.电力电子技术[R].北京：中国电力出版社，2006
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