信号波形合成实验电路（C 题）
摘要：该系统由方波振荡电路产生300k 方波，经三分频和十分频，同时得到10K,30K,50K 的方波。
使用TI 公司的四阶开关电容低通滤波器TLC041D ，可同时产生几路正弦信号，再经移相和加法器合成方波信号或三角波，由单片机采样峰值进行液晶显示.整个系统简易实现，性价比高。
关键字：方波振荡器 开关电容滤波器TLC041D 移相器 峰值检测 液晶显示
1. 方案设计
1.1 总体方案与系统框图
题目要求从方波中提取基波和三次谐波，五次谐波，再合成方波，为实现题目要求，本系统的各个模块如图1所示。
由施密特触发器构成方波振荡电路，由简单的门电路和触发器构成分频电路，使用通用运放组成滤波，放大，移相电路合成方波或三角波。
图1
1.2 理论分析及TI 芯片选用依据
任何具有周期为T 的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，如式（1-1）：
）
（公式1)
sin cos (21
)(1
0∑∞
=++=n n n t n b t n a a t f ωω
对于方波和三角波分别可以通过傅立叶展开，如式1-2，1-3所示：
）（公式2)7sin 71
5sin 513sin 31(sin 4)( ++++=
t t t t h
t f ωωωωπ
）（公式3)7sin 7
1
5sin 513sin 31(sin 8)(2222
+-+-
=
t t t t h
t f ωωωωπ
结合题目要求，本系统主要需要以下器件：
（1） 信号源施密特触发器CD40106产生300K 方波；
（2） 300K 方波分别经分频器 得到50K ，30K ，10K 方波；
（3） 滤波芯片TLC041，通用运算放大器OP 系列，以及电流监测芯片））
（4）INA1270单片机Atmaga16。
因此，在选用本系统的集成芯片（IC）时，低功耗，高精度，性能稳定的芯片就是选用的目标。
TI公司的相关芯
片可满足本系统的要求。
选用TI芯片介绍：
TLC041D是TI公司推出的四阶巴特沃斯型开关电容滤波器，该滤波器的截至频率可从0.1Hz到30KHz，且稳定度只取决于时钟的稳定性，时钟与截至频率之比为50：1。
时钟可接TTL或CMOS时钟也可自行产生。
外围电路简单多样，用途广泛。
OPA842电压反馈运算放大器提供了一个单位增益稳定，具有非常低的输入噪声电压，高输出电压。
OP07,OP27系列运算放大器具有低噪声，低失调电压，高精度，高开环增益，价格低廉等特点。
主要参数如下：低失调电压：25uV（最大值），低失调电压偏移：0.5uV/C,高电源范围：土3v高至土22v。
INA1270电压输出高端测量电流并联监视器，可从单一的+2.7 V至+18 V给芯片供电
1.3设计方案论证
分析可知，信号波形合成系统主要包括方波振荡电路，分频模块，滤波模块，放大电路，移相电路，加法电路，峰值检测，负载短路报警及A/D液晶显示模块。
设计重点在方波振荡，分频滤波，移相器及加法器。
方案论证主要围绕重点模块展开。
1.2.1方波振荡模块
方波振荡主要有三种方案，分别说明分析如下：
方案（1）由NE555组成的多谐振荡器。
此方案的优点电路简单，产生的方波可以直接驱动下级的门电路进行分频。
缺点是电阻和电容元件的误差严重影响波形的占空比和频率，且555产生300K的方波信号存在波形质量不高，干扰后级的滤波和波形合成。
方案（2）用MAX038高频精密函数发生器芯片，带宽0.1~20MHZ，及低的输出阻抗，频率和占空比可调，产生300KHZ的方波信号时波形不失真，效果很好，但是价格昂贵，以及输出电压峰峰值幅值很低，不能直接驱动下级门电路。
方案（3）由施密特触发器CD40106结合RC元件够成300k的方波振荡电路，该方案芯片价格低廉，电路简单（如图2），性能比较稳定，性价比极高。
故予采纳。
1.2.2分频模块
方案（1）：采用一些门电路与触发器进行组合，从而产生分频，但此种做法比较复杂，由于时间有限，故不予采用。
方案（2）：由可预置和清零的十进制加法计数器（74LS192）和D触发器构成的2*N分频，计数器进行奇数次分频，D触发器对计数后的频率进行二分频，从而能保证分频后的方波占空比为50%，该方案简单，故予采用。
1.2.3滤波模块
方案（1）：由LC元件构成的无源选频网络，该方案的优点是简单可靠，可
一次性选出10K,30K,50K 的正弦信号. 缺点是得自行绕制电感，由于比赛时间的仓促故放弃了该方案。
方案（2）：采用TI 公司集成的四阶低通开关电容滤波器，该方案不需要任何的外围器件，简单易于实现，截至频率可由单片机精确控制，对剔除不需要的谐波具有较大的衰减，使得后面波形还原程度很高。
而且减少了调试时间，也节约了硬件成本，故采用此方案。
1.2.4移相电路
经过分频，滤波，放大后的10 KHZ 和 30KHZ 的正弦波相位有一定偏差，需要用移相电路对两种波移向，让它们有相同的相位，即两种正弦波相位差为零。
方案（1）：用简单的RC 移相电路。
这种电路虽然简单，但对信号有一定衰减，影响后面波形合成效果。
方案（2）：用OP07组成的移相全通滤波器。
这种电路不仅可以调节信号的相位，同时可以调节信号的幅度。
这样可以保证输入加法器的10 KHZ 和 30KHZ 的正弦波幅值分别为6V 和2V ，符合方波合成的要求。
因此我们选择方案二。
2．系统实现
2.1主要单元电路设计
2.1.1方波振荡电路设计
前置方波震荡器电路采用TI 公司生产的CD40106芯片，该芯片由六个施密特触发器组成，通过电容的充放电使输出周而复始不停地翻转，通过调节可调电阻 来调节输出矩形波的频率。
其周期由公式4获得。
）（公式42ln ln
th
DD th
DD th th DD V V V V RC V V V RC T --++=
该方案性价比高，易于实现。
2.1.2分频电路设计
该分频器采用计数器加上D 触发器组成一个偶数分频，由于奇数次分频一般比较难困难，故采用2N 计数法，即将信号频率提高到300KHZ ，采用三十分频，十分频和六分频，用计数器奇数次分频，然后用D 触发器二分频输出方波占空比为50%，从而达到分频效果。
电路图及仿真图如图2
图2
2.1.3滤波电路设计
由方波的傅立叶分解可知，滤波后只有基波和奇次谐波，为了削弱谐波对提取基波的影响，在设计低通滤波器的时候尽量让待提取的频率成分处于低通滤波器的阻带范围内。
经反复调试，截至频率设为8K，20k，30k时提取的基波比较稳定，且几乎没有谐波干扰。
调试发现对TLC041提供400K,1M,1.5M的时钟即可。
2.1.4放大电路
经过滤波选频，得到的10 KHz , 30KHz,50KHz的正弦波幅值比较小。
需要搭建增益可调的放大电路。
使放大后10 KHz ,30KHz,50KHz正弦波峰峰值为6V, 2V,1.2V。
用三块OP07搭建三个同向增益可调放大器。
2.1.5峰值检测电路
用OP07运放和二极管IN4148搭建一个峰值检波器。
峰值检波器的输出能跟踪输入信号的峰值，并保持峰值直到复位信号到来为止，或输入信号终止。
电路图如下图3所示。
图3
2.1.7 AD采集电路与液晶显示模块
AD采集模块由于精度要求不是很高故采用Atmega16 内部自带的AD采样。
充分利用了单片机的资源节约了硬件成本。
满足题目幅度检测的要求。
采用240128液晶来分别显示各个基波的幅值。
2.1.7 负载短路报警
由于本系统模块电路比较多，又由三种不同电源供电，线路不是很简单，如果不小心就会导致短路，如不急早发现，后果很严重。
因此我们用TI公司的电流监测芯片INA1270，发光二极管，蜂鸣片搭建了一个简单实用的短路报警器。
当回路电流超过200mA时蜂鸣片就会发出报警声，同时发光二极管会被点亮。
2.2系统软件设计
本系统采用MEGA16单片机内部AD对峰值检测电路转换出来的直流电平进行采样，将采集到的峰值通过240128液晶显示。
3，系统性能测试与分析
3.1 实物图
3.2测试仪器
TDKtronix TDS1002示波器
3.3 测试分析
1，一，三，五次谐波合成方波（图4）
2，合成三角波（如图5）
3.3 测试结果分析
从以上结果来看，本系统在功能上基本满足赛题的基本部分指标和发挥部分的指标，实现了基波与一次，三次，五次谐波的提取与合成（如图4）。
并在发挥部分还进行了创新扩展，设计出了短路报警电路。
在发挥部分但合成三角波（如图5）时有一点抖动。
主要是由于波形发生电路输出的频率有抖动，有些地方可以进一步优化.可以选用性能优良的波形发生芯片max038，可以达到输出频率稳定。
使提取出的波形更加稳定。