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1、全国大学生电子设计竞赛2023年Tl杯模拟电子系统专题邀请赛试题信号波形合成试验电路C题学生姓名学生姓名学生姓名指导教师二。一。年八月二十五日全国大学生电子设计竞赛2023年TI杯模拟电子系统专题邀请赛试题信号波形合成试验电路C题摘要：本设计承受CPLD可编程规律器件经过分频计数产生相互关系固定的IOKHz,30KHz,50KHz方波，然后分别通过巴特沃斯低通滤波器(50KHZ使用的是带通滤波器)把三种方波的基波提取出来，产生相位关系确定的IOKHz,30KHz,50KHz正弦波；利用全通滤波电路作为移相器，把三种正弦波相位差调为0,以备下面的方波与三角波合成；依据方波与三角波的傅里叶级数开放
2、关系分别制作两个加法器用以合成方波和三角波；关键字：信号合成；有源滤波；傅里叶级数一系统方案1.1 系统方案比较1.1.1 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IOKHZ方波，或者用MSP430单片机自带定时器产生IoKHZ方波,然后用带通滤波电路把IoKHZ方波中的IoKHZ基波和各次谐波(30KHz,50KHz)提取出来，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；但是应用带通滤波电路把三次、五次谐波提取出来需要窄带带宽的带通滤波器，这样就需要高Q值的带通滤波器，这是不易实现的；并且一样的窄带带宽，谐波次数越高,Q值越大，例如带宽/痴=IK
3、Hz,基波IOKHZ正弦波需要Q=J=1。，30KHZ三次谐波Q=30,50KHz五次谐波需要Q=50。方案二：用多个555定时器构成的多谐振荡器产生分别IOKHz,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IOKHz,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可编程规律器分别产生10KHz,30KHz,SOKHz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IOKHZ与30KHZ的基波提取出来，即产生10KHZ,30KHZ的正弦波，又由于所选用的巴特沃斯低通滤波器TLC(M的
4、截止频率达不到50KHZ,所以50KHZ正弦波的提取承受了带通滤波器。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整为0度，在通过运算放大电路使其幅度到达所需的要求，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。1.1.2 移相电路方案论证方案一：用RC构成一级移相电路，该电路优点是电路构造简洁，缺点是在调整相位时，移相角度不大于90度，而且波形幅度的幅度发生变化，特别是移相角度不大于90度不能满足实际需要。方案二：用RC构成多级移相电路，该电路构造符合相位移位的需求，可以在0-180范围内调整相移，但是波形会发生严峻衰减。方案三：利用全通浊波电路
5、来构成移相电路，该电路可以在0-180范围内调整相位，且幅度根本不变化。1.1.3 测量电路方案论证方案一：外部ADC模数转换模块加微掌握器，如51系列单片机和外部模数转换芯片ADC0809即可完成幅值的测量。方案二：选用自带ADC的MSP430F149单片机，电路构造简洁。MSP430F149超低功耗，16位掌握器，自带ADC12位数模转换模块，采样精度高。1.2 系统方案选择及描述结合实际需要，本系统承受CPLD可编程规律器件经过分频计数产生相互关系固定的IOKHz,30KHz,SOKHz方波，然后分别通过巴特沃斯低通滤波器或带通滤波器把三种方波的基波提取出来，产生相位关系确定的IOKHz
6、,30KHz,50KHz正弦波；利用全通滤波电路作为移相器，把三种正弦波相位差调为0,依据方波与三角波的傅里叶级数开放关系分别制作两个加法器合成方波和三角波；承受MSP430F149单片机及其自带的ADC进展正弦波的幅值测量和LCD液晶显示；本设计还增加了无限射频模块用于无线数据的传输，可实现远距离监测。系统框图如下：发送端模块波形合块505露妻舅*移相电路调理电路/HZ正弦波接收端无线射频模块LC D显示模块图1系统框图二理论分析与计算2.1 巴特沃斯低通滤波器外部时钟信号频率计算本设计承受Tl的TLC04巴特沃斯低通滤波器用于IOKHz和30KHz方波滤波，产生正弦波，TLC04为四阶构造
7、，具有第Q值。采样外部时钟方式，截止频率可达40KHz。其外部时钟与截止频率关系为了=-4，IOKHZ方波的截止频率设置为f=2KHz,时钟p50P为/=600Kz,30KHz方波的截止频率设置为/=30Kz,时钟为F=.5MHzaclockpclock2.2 带通滤波器参数计算带通滤波器承受无限增益多路反响二阶带通滤波器，中心频率为f=50KHz,带宽为0f=2KHz品质因数Q=25。bwfjbw2.3 移相网络理论分析2.3.1 RC一级移相电路.Rv=cV2图2RC一级移相电路*f1如图为Re滞后型移相网络，=.=A*,-,其中/=；2f0InRC，0即调整R或C,可以使网络产生0-90
8、的相移。图3二阶全通滤波电路1-jwRC71A=,I41=l,=-2tg-,其中/=U1+jwRC/02RC由此可以看出，二阶全通滤波电路可以产生0-180相移。2.4 方波的傅里叶级数开放及其加法器参数设置任何具有周期为T的波函数f(l)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即:1/(C)=Q+X(Qcosncot+bsinnot)2 0nn=l2a其中：T为周期，为角频率。=；第一项0为直流重量。T2方波可誓之1Ir1f(t)=(smtsin3t+sm5t+sin7t+)357Ak1=X()sin(2n-l)t兀2n-ln=l11也就是基波，三次谐波，五次谐波的振幅比为A：A:A=I:-:
9、-,0KHz30KHz50KHZ5在进入加法器之前,我们已经把它们峰峰值分别调整为6V,2V,I.2V,因此产生方波的加法器比率设置为图5方波合成加法器2.5 三角波的傅里叶级数开放及其加法器参数设置=(-l)-!sin(2-l)/兀2(2/-1)2ft11也就是基波，三次谐波，五次谐波的振幅比为/：AA=1:-：，lOKiz3QKIIz50K!z925在进入加法器之前，我们已经把它们峰峰值分别调整为6V,2V,1.2V,因此产生方波的加法器比率设置为1：，也即基波和五次谐波同相端输入，三次谐波反向端输入如-3556图。IOk图7三角波合成加法器三电路与程序设计3.1 方波产生电路模块CPLD
10、可编程规律器件主要用于产生IoKHZ、30KHZ、50KHZ的方波，如图64脚为IOKHZ方波输出引脚，60脚为30KHZ方波输出引脚，58脚为50KHZ方波输出引脚，56脚为600KHZ方波输出引脚，用于驱动IOKHZ巴特沃斯低通器；54脚为1.5MHZ方波输出引脚，用于驱动30KHz巴特沃斯低通器。图8方波产生电路模块3.2 滤波器模块设计CLK K旺Ul1CClkIN FiltcrIN有ClkR VCC+3I Q 1LCo4 SAGND4Vcc- FilterOUTTLC04低通滤波器Square_Out_10K|+5lSine_OutOI5Cl8IOKIOKHZ图9低通滤波器IOKHz
11、低通滤波器承受Tl的四阶巴特沃斯滤波器TLC04,它的截止频率易于调整，仅需转变输入时钟FiIlerIN即调整。为使输入波形不产生衰减和失真，通常将截止频率设为略高于所需频率，在IOKHZ方波漉波时截止频率设为l2K30KHZ方波时截止频率为30KHz.、-415LM318图10带通滤波器50KHz带通滤波器为二阶构造，为了得到较高的Q值，C5,和C6都取为220pF.为使增益保持为1,取R19=2R11,0为了微调中心频率，域312用1品可调电位器代替。30K移相网络3.3 移相电路模块设计?图11移相电路移相网络承受一阶全通滤波器，为使放大倍数为1,电阻承受10K,电容承受10n.通过调整
12、R4的大小就可调整信号的相位。3.4 波形合成的加法器设计参见2.4,2.5方波、三角波的傅里叶级数开放及其加法器参数设置3.5 测量电路及液晶显示模块设计XI：，“：7INXTNXTTtrKF2. AlNClK WKAOlTTTAflP2MA0TIP244I.T2F2ftOSCP24ADIXXXP2TftF* RAP KLK AM snjA90FEMtJ MIX图12测量电路及液晶显示模块设计四测试结果4.1正弦波振幅测量IOKHz正弦波12345示波器观看值V5.916.005.945.975.9730KHz正弦波12345示波器观看值2.042.031.992.022.0350KHz正弦波12345示波器观看值1.181.151.241.191.22合成波12345示波器观看值5.035.065.135.095.034.2方波波形合成实物图图13方波波形合成实物图
