信号波形合成实验电路欧阳家百（2021.03.07）摘要：本设计包含方波振荡电路，分频电路，滤波电路，移相电路，加法电路，测量显示电路。

题目要求对点频率的各参数处理，制作一个由移相器和加法器构成的电路，将产生的10KHz 和30KHz 正弦信号作为基波和三次谐波，合成一个波形幅度为5V、近似于方波的波形。

振荡电路采用晶振自振荡并与74LS04 结合，产生6MHz 的方波源。

分频电路采用74HC164与74HC74分频出固定频率的方波，作为波形合成的基础。

滤波采用TI公司的运放LC084，分别设置各波形的滤波电路。

移相电路主要处理在滤波过程中相位的偏差，避免对波形的合成结果造成影响。

关键词：方波振荡电路分频与滤波移相电路加法器Experimental waveform synthesis circuit Abstract：The design consists of a square wave oscillator circuit, divider circuit, filtercircuit, phase shift circuits, addition circuits, measurement display circuit. Subject ofthe request of the point frequency of the various parameters of processing, productionof a phase shifter circuit consisting of adders, will have the 10KHzand 30KHzsinusoidal signal as the fundamental and third harmonic, synthesis of a waveamplitude 5V, similar to square wave waveform. Since the oscillating crystaloscillation circuit combined with the 74LS04 to produce a square wave source 6MHz.Frequency circuit74HC164 and the 74HC74 divider out of a fixed frequency squarewave, 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 processingphase in the filtering process deviations, to avoid prejudicing the outcome of thewaveform synthesis. Keywords：Square-wave oscillator circuit Frequency and filter Phase-shiftingcircuit1.课题技术指标1.1 基本要求对一个特定频率的方波进行变换并产生多个不同频率的正弦信号，再将这些正弦信号合成为近似方波。

设计制作一个特定频率的方波发生器，并在这个方波上进行必要的信号转换，分别产生10KHz、30KHz和50KHz的正弦波，然后对这三个正弦波进行频率合成，合成后产生目标信号为10KHz近似方波(如下图)。

1.2 附加要求利用方波发生器进行信号转换后的10KHz、30KHz和50KHz的正弦波进行频率合成，合成后产生目标信号为10KHz近似三角波。

1.3设计条件2.系统设计2.1 设计任务设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波和其他信号。

电路示意图如图1 所示：2.2 系统框图3.方法论证3.1 信号发生器电路方案一：数控振荡器（NCO）产生时间离散和幅度离散的正弦信号和余弦信号，在模拟调制中，利用NCO 可以直接产生调频信号（FM），虽然结合FPGA 可以完成调频信号的输出，但是数控振荡器（NCO）的平台搭建需要时间。

方案二：采用非门与晶振组合成形成正反馈电路产生正反振荡，其中采用的6MHZ 的晶振是起滤波作用。

只有6MHZ 频率的脉冲信号容易通过该正反馈电路，其它频率的信号被抑制。

故电路表现为只有6MHZ 的方波信号。

该电路输出稳定，容易搭建。

方案三：锁相环CD4046。

CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，具有电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小的特点。

产生的方波信号频率满足设计需要，并且波形理想。

故本设计采用该方法实现方波振荡电路。

综上，选取方案二。

3.2分频电路方案一：采用单片机与FPGA 结合，省去许多分立的逻辑集成电路，使电路的集成性和可靠性大大提高。

另编程简单容易实现，且容易实现并可以产生固定频率的波形，并省去分频电路，是电路简化。

但是FPGA 平台的搭建占用时间太长，不利于实现。

方案二：分频电路采用逻辑元件74164、7474、7404搭建而成。

电路如下图所示：振荡电路所产生的频率为6MHz 的方波送到74164构成10分频电路，输出频率为600KHz 的方波。

频率为600KHz 的方波再经74164构成10 分频，输出频率为60KHz、占空比50%的方波。

频率为600KHz 的方波再经7416412分频，得到频率为50KHz、占空比50%的方波。

同时60KHz 的方波经过7474二分频输出30kHz、占空比50%的方波。

60KHz再经74164六分频得到10KHz 的信号分频电路如下图所示。

采用方案二。

3.3滤波电路方案一：采用LC 或RC 无源滤波，电路图如图6 所示，电路简单，参数易于计算。

但滤波效果差，而本题目只要给指定频率的波形滤波，并且达不到题设要求。

可以根据中心频率公式：来匹配R、C 的参数。

图6 无源RC 低通滤波器方案二：采用TI 公司提供的TLC084运算放大器，搭建一个带通有源滤波器电路图如图7 所示采用方案二。

3.4调幅电路信号经滤波后得到完整的正弦波。

调幅电路采用运放组成的反相输入比例放大器.电路如下图11 所示。

比例放大器的主要作用是调节基波、3 次波和5 次波的峰峰值。

相关环节电路原理相同。

3.5加法电路为了产生包含10kHz 为基波、30kHz 为3 次波和50kHz 为5 次波合成一个近似方波，采用运放组成的信号调幅、叠加电路。

波形幅度为5V，调幅、加法电路如下图所示。

调幅、加法电路当R = 2 R = 3 R = F R 时，就是三个信号的叠加。

对与合成方波，加法起的运算为对与合成三角波，加法起的运算为3.6反相器电路为了得到三角波，需要把30kHz 的3 次波和50kHz 的5 次波进行反相。

反相器用运放组成的反相端输入的1：1 比例放大器来实现。

采用TL084运算放大器搭建一个反相电路如下图4.整体设计经过方案比较与论证，最终确定的系统组成框图如图16 所示。

其中利用晶振、74LS04 产生振荡方波，74LS390 和CD4566 进行分频，获得题目中所要求的各频率信号。

滤波器电路分别对10K、30K、50K 设计相应的参数电路，利用TL084搭建有源滤波器。

整体电路见附录1.5. 系统测试结果5.1、测试仪器与设备表4.1.1 测试用仪器与设备仪器名称型号数量双通道数字示波器DS1022C1欧阳家百创编合成信号发生器NDY-EE14101数字万用表TY3601直流稳压电源DF1731SC2A1计算机联想PC 机15.2、系统试验结果5.2.2 基波10KHz、测量峰峰值6±0.01V 实测波形图19 基波10KHz、测量峰峰值6±0.01V 实测波形195.2.3 三次波30KHz、测量峰峰值2±0.01V 实测波形如图20图20 三次波30KHz、测量峰峰值2±0.01V 实测波形5.2.4 五次波50KHz、测量峰峰值1.2±0.03V 实测波形如图21图21 五次波50KHz、测量峰峰值1.2±0.03V 实测波形5.2.5 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值2V 叠加后实测波形如图22图22 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值2V 叠加后实测波形5.2.5 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值2V 及五次波50KHz、测量峰峰值1.2V 叠加后实测波形图23 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值2V 及五次波50KHz、测量峰峰值1.2V 叠加后实测波形5.2.6 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值0.667V相减及五次波50KHz、测量峰峰值0.24V 叠加后实测波形。

图24 基波10KHz、测量峰峰值6V 与三次波30KHz、测量峰峰值0.667V相减及五次波50KHz、测量峰峰值0.24V 叠加后实测波形。

经过测试分析测试基本都达到了要求,10K与30K的分频滤波比较理想但也存在一些误差如频率不是很稳定振幅不够精确等尤其是在多阶滤波部分存在许多干扰在硬件搭接时要尽量减少信号成分电路导线的介入这样会是波形发生衰减不便于后续部分的测试。

在这个部分如果采用集成芯片会大大降低误差提高精准度与稳定性。

为了增强可调性最好采用滑动变阻器与可调电阻。

6.元件清单运放TL0842只计数器741644只反相器74041只触发器74741只硅晶体6MHz1只电位器51k6只导线若干电阻若干双通道数字示波器DS1022C1合成信号发生器NDY-EE14101数字万用表TY3601直流稳压电源DF1731SC2A1计算机联想PC 机17.结语第一次做控制类型的题目开始着手时没有头绪很大一部分需要从网上获取资料从同学那里也得到了不少的帮助。

在确定了各个模块的电路设计后调试的过程中又遇到了很多麻烦波形的幅值不够频率不稳定等。

从后来的测试中总结了很多经验。

本次设计的信号波形合成实验电路完成了基本部分和发挥部分的要求。

本设计主要让我们掌握了信号发生电路的设计方法掌握了信号合成电路的设计方法。

当然调试的时候也是一个重点让我们收获很多这其中就分硬件和软件两部分硬件需要我们注意电路设计问题对电路进行不断地调试与改进。

软件调试方面这其中包括程序的编写检验。