2012年南京邮电大学电子设计竞赛
波形合成器（D题）报告
摘要：
本系统主要由rc文氏桥正弦波发生器，过零比较器，低通滤波电路，分频电路，相加器增益调节器，方波和三角波合成电路等实验电路组成。

系统基本工作过程：正弦波发生器产生30KHZ的正弦波，经过过零比较器变为方波，通过分频电路转化为1KHZ，3KHZ,5KHZ的三路方波，分别由低通滤波器滤出对应频率的正弦波，最后通过方波和三角波合成器合成较标准的三角波和方波。

结果表明，系统合成波符合理论傅里叶分析结果，实验误差小于5%，符合题目要求。

一．实验要求
1．基本要求
（1）正弦波发生器能产生所需要的的正弦波波形（频率自行确定）；
（2）设计2至3组分频电路和有源滤波器电路（分频比自行确定）；
（3）将分频滤波后的波形进行合成，在1kΩ负载条件下，输出信号的频率为1KHz,电压峰-峰值V opp为5V，波形为三角波；
（4）调节各信号间的比例关系，产生方波波形，；输出信号的频率为1KHz,电压峰-峰值V opp为5V；
（5）输出信号波形不能有明显失真；
2．发挥部分
（1）增加一组分频电路和有源滤波器电路，以改善输出信号失真；
（2）在50Ω负载条件下，输出信号的电压峰-峰值V opp在0～5V范围内可调；
（3）工艺，创新及其他.
二．总体方案设计
总体方案框图如下图1：
图1
（1）方案一：
正弦波发生器产生30KHZ的正弦波，经过过零比较器变为方波，通过分频电路转化为1KHZ，3KHZ,5KHZ的三路方波，分别由低通滤波器滤出对应频率的正弦波，最后通过方波和三角波合成器合成正确的三角波和正弦波型。

（2）方案二
产生1khz的正弦波，经过过零比较器变为方波，直接从1khz的方波中提取出1khz，3khz，5khz的谐波分量，再通过低通滤波器转化为正弦波，最后通过方波和三角波合成器合成正确的三角波和正弦波型。

比较两种方案，方案二对高Q值的带通滤波器设计要求较高，设计难度较大；方案一的方法比较单一，电路简化，利于器件的采购。

因此本文采用方案一作为系统总体方案。

二．单元电路设计
1. 基本正弦波发生器方案
正弦波产生方案有很多，如rc桥式正弦波发生器，LC振荡电路产生正弦波，晶体振荡器产生正弦波。

出于实验需要30khz的正弦波和设计成本和复杂程度的考虑，而且LC振荡电路其产生高频波时才更接近于正弦波，选用ＲＣ文氏桥正弦波发生器，它能很简单地产生1Hz~1MHz的正弦波波形稳定，但是它的缺点是频率调剂困难。

我们使用100k阻值的滑动变阻器来进行对于RC电路起振的调节。

由
期
1
f
2RC
π
=，经计算及multisim仿真，求得C=0.01uF，R=500Ohm。

具体电路如图2：
图2
2.过零比较器
比较器有很多种，对于本实验的30khz的正弦波，我们采用LM339电压比较器构成简单的过零比较电路。

使得正弦波变为较严格方波，再用稳压管来限制输出方波的幅度。

具体电路如图3：
图3
3.分频电路
本设计中，原始频率选择为30khz。

要得到1khz，3khz，5khz的方波，需要对原始信号进行30，10,6分频。

采用计数器74161实现上述三个分频电路。

将30kHz方波输入各计数器时钟端，通过输出的波形达到分频目的，具体如下：
6分频电路即使74161从001开始计数，每到110便重新置数，如此Qc端即产生000111序列，即每六个周期产生一周期信号，达到6分频目的。

10分频同样原理使计数器从0011到1100计数，取Qd端即可得到10分频信号。

30分频需要使两片74161级联。

因为74161最大为16进制计数器，若要30分频必须使其可以计数30个，所以要通过级联将其扩展为32进制，利用前一片的RC端控制后一片的T、P端，同步时钟，达到控制计数器工作的目的。

将级联后的计数器控制在00001到11110计数，第二片74161的Qa即30分频输出信号。

由于我们所使用的multisim7中没有74161，所以仅以74160模拟6分频电路，具体电路如图4：
图4
4.低通滤波器
利用数字电路方法分频后，需要将信号还原为正弦波，我们使用低通滤波器完成该功能。

因为方波信号可以分解为许多高次谐波项的叠加，低通滤波器的作用是过滤高频信号保留低频信号，我们可以将低通滤波器的门限设置成方波的基波频率（基波频率与方波频率相同），这样就可以得到较严格正弦波且频率不变。

低通滤波器中存在电感，主要起到调节正弦波相位的作用，通过不断的尝试我们最终得到了合理数值。

下面具体电路仅以1kHz低通滤波器为例，如图5：
图5
5.方波合成器
由于要将方波滤出来的正弦信号按照
20sin3sin5
sin
35
wx wx
y wx
π
⎛⎫
=++
⎪
⎝⎭
的比例相
加，所以我们先对滤波后的信号进行了分析得出了一定的比例，再让这三路分频信号按幅度为1:3:5的比例相加。

所以我们不难想到要用运算放大器V1做加法器，由于反向加法器比同相加法器计算更简便，所以采用了反向加法器，通过计算各端阻值如下图6。

因为题目中明确要求输出的信号峰峰值为5V，而且拓展部分要求实现峰峰值由1~5V 的变化，所以在V1后面加上另一个反向可调比例放大器V2，根据模拟的数值，我们知道最大要将最终幅值放大50倍，所以我们做了一个最大可达50倍的可调增益，通过计算得到滑动变阻器及各端电阻值如下图6：
图6
6.移相电路
由于在合成三角波的时候所需要的信号是coswx,cos3wx,cos5wx，所以要在我们滤波得到的正弦信号上进行90度的移相。

我们可以利用RC的相平特性实现。

波形图如下图7：
图7
7三角波合成器
由于要将三角波滤出来的信号按照220cos3cos5cos 925wx wx y wx π⎛⎫
=-
++ ⎪⎝⎭
的比例相加，所以我们先对滤波后的信号进行了分析得出了一定的比例，再让这三路分频信号按幅度
为1:9:25的比例相加。

所以我们不难想到要用运算放大器V1做加法器，由于反向加法器比同相加法器计算更简便，所以采用了反向加法器，通过计算各端阻值如下图7。

因为题目中明确要求输出的信号峰峰值为5V ，而且拓展部分要求实现峰峰值由1~5V 的变化，所以在V1后面加上另一个反向可调比例放大器V2，根据模拟的数值，我们知道最大要将最终幅值放大30倍左右，所以我们做了一个最大可达33倍的可调增益，通过计算得到滑动变阻器及各端电阻值如下图8：
图8
三．测试方案与测试结果
1.测试方案及测试条件
3.1.1单元一正弦信号发生器仿真波形如下图9：
图9
从上图8我们可以看到，RC文氏桥振荡器产生的波形虽然不是严格的30KHz的波形，但是处于误差范围内，基本上成功。

3.1.2单元二过零比较器仿真波形如图10：
图10
从上图9，可看出虽然正弦波转换为方波不是严格的相位一致，但由于这是分频之前的源信号，分频是在它的基础上，所以不会使得分频后信号不同相，所以相位变换在此不考虑。

3.1.3单元三分频仿真波形
我们仍以74160所做6分频进行仿真，如图11：
图11
从该波形可以明显看到每个高电平对应源信号的三个高电平，即产生严格的6分频。

3.1.4单元四低通滤波电路仿真波形：
我们仍以分频后所得1kHz方波信号进行滤波仿真，如图12：
图12
通过该图，可以看到方波严格的滤成相对应的基波，且没有相位偏移。

3.1.5单元五方波合成器如图13：
图13
我们可以看到经过按比例合成后的方波基本满足题目要求。

3.1.6单元六移相电路仿真如图14：
图14
从图14，我们可以看出移相后的波形和移相前的符合严格90度的关系。

3.1.6单元六三角波合成器如图15：
图15
通过此图我们可以看到，经由反向变换和比例合成后，得到较严格的三角波。

2测试结果分析
通过对于该题目的仿真，我们可以看到30kHz正弦波经过A/D变换、分频和D/A变换后，可以严格的达到分频目标，并且通过由运放构成的加（减）法器，及相应的相位变换，可以达到合成方波（三角波）的目的。

通过测试结果，我们可以确定该电路设计的正确性，通过对于实物的焊接制作，也遇到了不少问题，后发现都是制作过程中出现的问题，设计图没发现问题。

在后来的实际测试中，在误差允许的范围内也得到了较好的30kHz正弦波、1kHz方波以及1kHz三角波。