信号波形合成的电路设计

【前言】信号波形合成的电路设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1 方案设计与论证 1.1 方波振荡电路设计 用NE555集成芯片外接电阻电容产生方波信号，能够满足设计的频率需要，该波的频率可以通过调节555定时器电路的放电电阻来进行调节。该电路具有成本低廉，频率可调，上升沿陡的特点，故本设计采用该方法实现方波振荡电路。 1.2 ...

摘　要：该系统由方波振荡电路、分频滤波电路、移相电路，以及波形叠加电路组成。利用高精度的7555振荡器产生300kHz的矩形波，接着对矩形波进行分频，得到频率分别为100kHz，60kHz，20kHz的窄脉冲信号，其次利用D触发器对该信号进行二分频，获得占空比为50%的标准方波信号。使用三阶Butterworth低通滤波器对方波进行滤波，以得到所需正弦信号，用有源全通滤波器实现相位调节，用运算法放大器构成加法电路实现方波的合成。

关键词：分频　滤波　移相　方波合成

中图分类号：TN710

文献标识码：A

文章编号：1007-3973（2012）008-047-02

1 方案设计与论证

1.1 方波振荡电路设计

用NE555集成芯片外接电阻电容产生方波信号，能够满足设计的频率需要，该波的频率可以通过调节555定时器电路的放电电阻来进行调节。该电路具有成本低廉，频率可调，上升沿陡的特点，故本设计采用该方法实现方波振荡电路。

1.2 分频器设计

在该部分电路设计时，设计者考虑了几个问题：首先，信号波形要纯净，频率成份清楚；其次，就是信号输出的占空比最好是50%，采用计数器电路可方便有效地实现分频功能。在功能上能够满足需要且电路简单，因此决定采用计数器74LS161和74LS74芯片实现分频功能，最后得到占空比为50%的方波，故选择该方案实现分频。

1.3 滤波器设计

滤波单元电路完成的功能是将分频后的方波信号转化成相应频率的无失真的正弦信号。要充分考虑滤波器过渡带、衰减带特性。

方案一：无源滤波。

RC无源滤波器具有电路简单，抗干扰性强，较好的低频性能，但是RC参数计算较为困难，在滤波特性上与有源滤波相比有一定差距。

方案二：有源滤波器。

有源滤波电路是指使用放大器实现滤波功能。有源滤波能够滤除谐波，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致，故采用此方案。

1.4 移相器设计

方案一：RC移相网络。

电路结构简单，但移相的同时会引起幅度较大衰减，需增加增益补偿电路，且参数调节较困难。

方案二：有源全通滤波器。

方案二电路结构较无源网络复杂，但在移相的同时不会引起幅度衰减，可省去增益补偿电路，故选用方案二。

1.5 加法器设计

该单元是将调相后的几路信号进行叠加，得到需要的波形信号。故直接选择反相加法器实现该功能。

2 理论分析与计算

2.1 方波信号的分解与合成

周期信号是由一个或几个、乃至无穷多个不同频率的谐波叠加而成的，因此，周期信号可以分解成多个乃至无穷多个谐波信号。方波信号的傅里叶级数展开如下：

(1)

在理想情况下，方波的偶次谐波应该无输出信号，始终为零电平，奇次谐波中的一、三、五次谐波的幅度比为1：（1/3）：（1/5）。信号源输出300KHz的方波信号经过分频滤波电路后可以得到10KHz、30KHz、50KHz的方波，其计算公式表示如下：

(2)

频率为10KHz的正弦波信号的峰峰值为6V，频率为30KHz的正弦波信号的峰峰值为2V，频率为50KHz的正弦波信号的峰峰值为1.2V，则合成后的方波峰峰值为5V。

2.2 滤波器电路

10kHz方波滤出10kHz的正弦波，设滤波器指标为：通带截止频率 ，阻带截止频率 ，通带纹波，阻带衰减 ，选用Butterworth低通滤波器，所需阶数

取。

截止频率

选用Sallen-Key拓扑结构，如图1所示。

用FilterSolutions设计三阶Butterworth低通滤波器，类似地，可以分别设计30kHz、50kHz方波的滤波电路。

2.3 有源全通移相器

电路结构如图2所示。

理论计算：

取，则

令，则

理论上调节R可以实现0-180暗南嘁疲谌〉缏凡问保蟮囊葡喾段Щ嵋晕任郏岷鲜导是榭觯畔瓤悸蔷龋碦、C取值相对较小，当需要较大范围的移相（如180埃┦保右患斗聪嗥鳎缤·所示。

2.4 反相加法电路

把3个输入信号（Vi1、Vi2、Vi3）同时加到运放的反相端，其输入输出电压的关系为：

当R1=R2=R3=5K时，则有

若令Rf =5K，则

3 电路测试及结果

3.1 调试过程

采用分级调试的方法，先调试方波振荡电路、分频器、巴特沃斯滤波器和加法器等各个模块都正常工作。紧接着分别调试各个部分最优后进行整体调试。

3.2 测试结果

将各模块调好后，用示波器观察电路最后输出，得输出波形如图4，达到设计要求。

4 设计总结

综合上述测试结果，本设计较好的完成设计要求。采用普通的运算放大器，完成了300KHz方波信号源电路，30分频电路、10分频电路和6分频电路，10KHz、30KHz、50KHz低通滤波电路及移相电路，方波和三角波合成电路的设计和制作。通过测试，获得了符合设计要求的正弦波信号和合成方波信号。

参考文献：

[1]　阎石.数字电子技术基础(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]　华成英,童诗白.模拟电子技术基础(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]　张国侯.信号波形合成电路设计探讨[J].北京电力高等专科学校学报(自然科学版),2011(9).