信号波形合成实验电路摘要：本作品主要用于非正弦信号的分解与合成实验验证，包括电源电路模块，方波信号产生模块，放大、移相、波形合成模块、测量显示模块等。

通过1MHz晶振电路产生1MHz 方波信号，经计数、分频得到10kHz方波信号，利用LC并联谐振（滤波器）分离出10kHz、30kHz、50kHz正弦波信号，然后对三个正弦波信号进行放大、移相加到加法器中合成方波信号。

把10kHz和30kHz正弦波信号送到减法器中合成三角波信号。

三个正弦波信号的幅度通过单片机采样，由液晶屏显示出来。

关键词：方波信号，滤波器，正弦波信号，分解，合成Signal waveform synthesis experiment circuitAbstract：This work is mainly used in the sine signal decomposition and synthetic experiment, including power circuit module, pulse signal generated module, amplification, phase and waveform synthesis module, measuring display module, etc. Through 1MHz crystals 1MHz circuit, signal by counting, pulse frequency, pulse signal 10kHz get by LC parallel resonant filter (10kHz isolated, 30kHz, 50kHz sine signals, then the three sine signals, adding to amplify the adder synthetic square-wave signal. The 10kHz and 30kHz sine signals to reduce time-multiplier synthetic triangular signal. Three sine signals by MCU, the amplitude of LCD display samples. Key words：Pulse signal，Filter，Sine signals，decomposition，Synthesis1 作品简介1.1设计目标设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，利用傅里叶原理产生以10KHz 为基波，以奇次谐波为辅助谐波的信号，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：图1 信号波形合成电路示意图1.2要求及指标1.2.1基本要求（1）方波振荡器的信号经分频与滤波处理，同时产生频率为10kHz 和30kHz 的正弦波信号，这两种信号应具有确定的相位关系；（2）产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为6V 和2V ；（3）制作一个由移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的10kHz 和30kHz 正弦波信号，作为基波和3次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为5V ，合成波形的形状如图2所示。

图2 利用基波和3次谐波合成的近似方波1.2.2发挥部分（1）再产生50kHz 的正弦信号作为5次谐波，参与信号合成，使合成的波形更接近于方波；（2）根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号合成电路，将产生的10kHz 、30kHz 等各个正弦信号，合成一个近似的三角波形；（3）设计制作一个能对各个正弦信号的幅度进行测量和数字显示的电路，测量误差不大于±5％；（4）其他。

2 方案设计2.1 系统分析及整体方案方波信号由基波成分和若干个谐波成分构成，即...)7sin 715sin 513sin 31(sin 4)(t t t t U t u mωωωωπ+++=，本作品根据这一理论原理制作而成。

本系统要包括了以下几个模块：电源电路模块，方波信号产生模块，放大、移相、波形合成模块、测量显示模块，如图3所示。

本系统通过1MHz晶振电路产生1MHz方波信号，通过分频得到10kHz方波信号，经过三个不同频率的滤波器分离出10kHz、30kHz、50kHz正弦波信号，再对三个正弦波信号进行放大、移相加到加法器中合成方波信号。

三个正弦波信号的幅度通过单片机采样，由液晶屏显示出来。

图3 系统方框图2.2 设计方案论证2.2.1 方波信号发生器方案一：通过反相器、外加电阻和电容来产生频率可调、占空比可调的方波信号。

其优点电路简单，但工作频率不够稳定。

方案二：利用单片机时钟信号，通过软件编程实现输出10kHz方波信号。

实现起来相对较容易，但若没有时间做本参赛题的发挥部分，大材小用了。

方案三：通过有源晶振产生10MHz方波信号，再通过分频电路产生10kHz方波信号。

优点频率稳定度高，制作容易。

综合所述，由于频率稳定直接影响信号的方波信号的分解与合成，并从实际出法，所以选择方案三。

2.2.2 滤波器方案一：无源滤波。

由无源元器（电阻、电容、电感）设计而成，电路简单，调节方便。

方案二：有源滤波。

由运算放大器、电阻和电容构成，无需电感器。

还可提供电压增益。

由于方波信号发生器输出的信号幅度较高（5V），从实际制作、调试方便角度考虑，所以选择方案一。

2.2.3 移相电路方案一：有源移相电路。

在移相的同时，还可以得到一定的增益，电路相对复杂。

方案二：RC电路移相。

电路简单，但每级RC电路理论极限移相90度。

由于三个正弦波是在同一个方波信号下滤波产生的，它们之间相的位差相对较小，故选择方案二。

2.2.4 整流滤波电路方案一：采用精密整流、滤波电路。

整流、滤波效果好，可对低于二极管导通电压的信号进行整流、滤波。

但电路复杂。

方案二：采用普通整流、滤波电路。

电路简单、易于制作。

由于任务要求对峰峰值为6V、2V、1.2V的正弦波信号进行整流、滤波，故选择方案二。

3.系统实现3.1 硬件电路（主要单元电路设计） 3.1.1电源电路本设计系统共需要四种不同的直流电压，分别为+9V 、-9V 、+5V 和+3.3V 电压。

为了满足电路供电要求，我们把+9V 、-9V 、+5V 电源使用同一个电路输出，如图4（a ）所示；而3.3V 电压的输出使用了TI 公司REG1117稳压芯片，专门为后续单片机提供电压，如图4（b ）所示。

（a ）±9V 、＋5V 电源电路 （b ）＋3.3V 电源电路图4 电源电路3.1.2滤波电路滤波电路的作用是从10kHz 的方波信号中得到10kHz 、30kHz 、50kHz 正弦波信号。

本系统中选用无源LC 并联滤波电路，如图5所示，LCf O π21=，RC f Q 02π=［1］。

图5 LC 并联电路电路设计时，Q 取10。

当f 0=10kHz 时，L 取1mH ，则52.2521011010414133222=⨯⨯⨯⨯==-ππL f C O nF ， C 取250 nF （两只100 nF 串联，再与两只100 nF ）。

628102*********293=⨯⨯⨯⨯==-ππC f Q R O Ω，R 实取1k Ω可调。

同理当f 0=30kHz 时，L 取1mH ，R =1884Ω，实取10k Ω可调；C ==28.17 nF （实取30 nF ）。

当f 0=50kHz 时，L 取10mH ，R =31522Ω，实取100k Ω可调；C ==1.01 nF （实取1 nF ）。

为了取得更好的滤波效果，系统中采用两级或四级LC 并联滤波电路。

图6 10kHz 滤波电路 图7 30kHz 滤波电路 图8 50kHz 滤波电路3.1.3放大电路放大电路的作用是把得到10kHz 、30kHz 、50kHz 正弦波信号的幅度进行放大，得到峰峰值为6V 、2V 、1.2V 的正弦波信号。

本系统选用了TI 公司OP07、3091这两种集成运放作为放大电路的核心［2］。

10kHz 正弦波放大电路如图9所示。

由于输入信号为20mV 左右，则放大倍数为30020mVV6=，故采用两级放大。

第一级放大倍为固定的，A V1＝101010012-=-=-R R ；第二级放大倍数采用可变的，A V2＝10343RP R RP -=- ，RP3取1M Ω。

30kHz 正弦波放大电路如图10所示。

由于输入信号为100mV 左右，则放大倍数为20100mV .0V 2=，由于后面移相电路的衰减问题，适当提高放大倍数。

A V ＝107107RP R RP -=-，RP7取200k Ω。

50kHz 正弦波放大电路如图11所示。

由于输入信号为10mV 左右，则放大倍数为12010mVV2.1=，由于后面移相电路的衰减问题，适当提高放大倍数。

故障采用放大电路，由于频率相对较高，采用高速集成运放。

一级放大采用固定放大倍数、另一级采用可变的放大倍数。

A V1＝10141514RP R RP -=-，RP14取200 k Ω；A V2＝10101001819-=-=-R R 。

3.1.4 移相电路移相电路的作用是使三个正弦波信号在同一个相位叠加，我们以10kHz 正弦波信号为基准，对30kHz 、50kHz 正弦波信号进行移相。

移相电路采用RC 移相电路，如图12所示。

移相角φ＝CR ω1arctan -，最大移相角为90°［3］。

具体电路参考附总电路图。

30kHz 正弦波信号的移相电路R 取10 k Ω，C 取10 nF ；50kHz 正弦波信号的移相电路R 取10 k Ω，C 取1 nF 。

o图12 移相电路3.1.5 加法电路加法电路作用是对10kHz 、30kHz 、50kHz 三个正弦波信号进行合成方波信号，电路如图13所示，采用高速集成运放TI 公司生产的3091［4］。

其中A V=10464RP R RP -=-，RP4取50 k Ω。

3.1.6 减法电路减法电路作用是对10kHz 、30kHz 正弦波信号进行合成三角波信号，电路如图14所示，采用高速集成运放TI 公司生产的3091［4］。

其中A V=1012912RP R RP -=-，RP12取50 k Ω。

图13 加法电路（方波合成电路） 图14 减法电路（三角波合成电路）3.1.7 方波信号产生电路如图15所示，先通过有源晶振产生1MHz 的方波信号，再通过计数分频得到10kHz 的方波信号，为提高带负载能力，加一级比较器。

图15 方波信号产生3.1.8 整流滤波检测电路由于任务要求检测的信号幅度较高，故采用普通整流滤波电路，并由单片机采样、处理、显示正弦波幅度的大小，如图16所示。