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摘要
本設(shè)計由方波振蕩，分頻濾波，移相放大，加法求和，峰值檢測模塊組成。通過對555定時器產(chǎn)生的方波進(jìn)行分頻，得到10kHz、30kHz、50kHz的方波。濾波移相處理后，產(chǎn)生三種頻率的正弦信號，從而合成波形穩(wěn)定的方波與三角波。最后，由峰值檢測電路檢測幅值，并由MSP430顯示。經(jīng)驗證，本設(shè)計電路幅值相位易于調(diào)節(jié)，波形穩(wěn)定，效果理想，達(dá)到了設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞
鼎陽數(shù)字示波器 SIGLENT 傅立葉級數(shù) 方波合成 帶通濾波 MSP430單片機(jī) SDS1102CFL
一、 設(shè)計方案
1.1方波產(chǎn)生電路
555定時器構(gòu)成多諧振蕩電路。電路幅值與占空比可調(diào)，產(chǎn)生的方波為單極性，波形上升沿較陡
1.2分頻電路
由十六進(jìn)制計數(shù)器74LS163和觸發(fā)器HEF4013構(gòu)成分頻電路。計數(shù)器進(jìn)行奇數(shù)次分頻，觸發(fā)器進(jìn)行二分頻。電路占空比為50%
1.3濾波電路
由運(yùn)放TL072和無源元件RC組成二階有源帶通濾波電路。該電路既可以濾除直流和高次諧波分量，又可以放大電壓
1.4移相電路
如 圖-1所示，RC等幅移相電路。電路可調(diào)相范圍為0～90°，幅度恒定。
圖-1
1.5加法電路
同相求和電路。可實現(xiàn)多路信號相加，但穩(wěn)定性不高
1.6峰峰值檢測電路
利用場效應(yīng)管和電容等構(gòu)成峰峰值檢測電路。電路性能穩(wěn)定，檢測精度良好，但在高頻范圍內(nèi)檢測精度一般。
二、 參數(shù)分析及計算
2.1 方波產(chǎn)生電路頻率及占空比計算
由555定時器組成的多諧振蕩器如圖-2所示。該電路通過對電容C的充放電得到周期性矩形波。由振蕩頻率公式 ，占空比公式 知，若要使方波頻率為300kHZ，應(yīng)滿足 ，同時調(diào)節(jié)滑動變阻器，使其上下端阻值相等，得到占空比為50%的方波。
圖-2
2.2 分頻電路參數(shù)計算
分頻電路如 圖-3所示。將多諧振蕩器得到的方波經(jīng)過分頻器進(jìn)行15分頻、5分頻、3分頻，再經(jīng)過D觸發(fā)器二分頻，從而得到占空比為50%的10kHZ,30kHZ,50kHZ的方波，用于后級濾波使用。
圖-3
2.3濾波電路參數(shù)計算
濾波電路如圖-4所示，該濾波器為二階帶通濾波器。高通部分用于濾除直流分量，低通部分用于濾出10kHZ,30kHZ,50kHZ的正弦波。由截止頻率公式 ，分別計算得截止頻率為12kHZ,32kHZ,53kHZ時的電阻電容參數(shù)。為防止電路起振，放大倍數(shù)均取1.5倍以下。
圖-4
2.4移相電路參數(shù)計算
移相電路如圖1-4-2所示,利用放大器的差動輸入，在 處產(chǎn)生+90度相移。若以產(chǎn)生90度相移的頻率為中心，頻率偏離時，其相角為： ， 。為了獲得任意的相角，選擇適當(dāng)?shù)碾娙葜?.01u，因為 ，通過5K滑動變阻器的調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)相位調(diào)節(jié)。
2.5加法電路參數(shù)計算
根據(jù)方波的傅里葉展開式 三角波的傅里葉展開式 ，將三路正弦波幅值和相位分別調(diào)至與公式相符，相加后即得所需波形。
2.6峰峰值檢測電路參數(shù)計算
峰峰值檢測電路如圖-5所示，利用兩片TL072比較跟隨，電容充放電，場效應(yīng)管保持峰值從而實現(xiàn)峰值檢測功能。
圖-5
三、 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)
測試方案
（1）測試各模塊輸出的方波，正弦波的幅值，頻率與波形。
（2）調(diào)節(jié)正弦波幅值，相位至滿足傅里葉關(guān)系，測試合成波形數(shù)據(jù)。
(3）對各輸出正弦波進(jìn)行峰值檢測測試，計算誤差。
測試儀器
數(shù)字存儲示波器：鼎陽（SIGLENT） SDS1102CFL 100MHz 2GSa/s
經(jīng)測試所得實驗數(shù)據(jù)如表一所示。測試波形如圖-6至圖-12所示。濾波所得正弦波誤差為0%，合成方波峰值與設(shè)計要求值相差0.6V。
表一 信號合成電路測試數(shù)據(jù)
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輸出信號 |
正弦波一 |
正弦波二 |
正弦波三 |
兩路合成方波 |
三路合成方波 |
三角波 |
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頻率(KHZ) |
10.04 |
30.1 |
50.15 |
10.03 |
10.04 |
10.04 |
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幅值(V) |
6 |
2 |
1.19 |
5.6 |
5.68 |
9.04 |
用SDS1202CFL測試顯示波形如下：
圖-6 分頻后方波 圖-7 10kHZ正弦波
圖-8 30kHZ正弦波 圖-9 50kHZ正弦波
圖-10基波、三次諧波合成方波 圖-11 基波、三次、五次諧波合成方波
圖-12合成三角波
四、參考文獻(xiàn)
[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[R].北京：高等教育出版社，2006.1
[2]李先允.姜寧秋.電力電子技術(shù)[R].北京：中國電力出版社，2006
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