模拟信号波形合成电路的设计

范海健，陈 杰

(苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104)

信号合成电路是示波器等仪器仪表设备中的常用电路，也是高校电类实验系统中常见的系统电路.信号产生与合成电路可由数字集成电路或纯模拟电路[1]实现，但数字合成芯片价格较昂贵，本系统利用德州仪器(TI)的模拟芯片设计一种纯模拟的数字合成电路，价格低廉，性能稳定，具有一定的实用价值.

1 系统电路方案设计

系统信号合成电路结构如图1所示，主要分五大部分，即方波振荡器、分频与反相、低通滤波、增益调节、移相与加法电路.

图1 信号合成电路框图

利用TI的OPA820运放芯片组成方波振荡器产生方波，然后利用移位寄存器74LS194芯片进行分频，得到各频率的方波，再通过TCL04组成滤波器进行低通滤波，得到各方波的基波，可滤出10 kHz、30 kHz、50 kHz的正弦波[2-3]，再将3路正弦波进行放大、衰减以及移相后作为基波、3次谐波和5次谐波输入加法器中，产生10 kHz的近似方波信号，再将信号放大后得到幅度5 V的近似方波信号.同理，将10 kHz、30 kHz、50 kHz的正弦波信号经类似处理后送入加法器，得到三角波.

2 理论计算分析与模块的设计

2.1 信号产生、分频与滤波电路

TI公司的OPA820芯片增益稳定，噪声低，采用OPA820完成方波振荡电路，产生60 kHz的方波，方波振荡电路如图2所示，

在设计中，方波振荡器由反相输入的滞回比较器和RC电路组成.RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换.如图2，输出电压U0=±Uz，由双向稳压管决定，振荡周期公式为

图2 方波振荡电路图

在分频电路中，利用4位双向移位寄存器74LS194做了六分频和二分频电路，分频电路、滤波电路由TLC04[4]组成，对于10 kHz信号，截止频率在10～30 kHz中间(如果截止频率选在10 kHz，基波会存在-3 dB的衰减)，做到10 kHz无衰减，完全滤除方波在30 kHz上的3次谐波以及以后更高级的谐波，得到10 kHz的正弦波.同理选择合适的截止频率，可获得30 kHz和50 kHz的正弦波.

2.2 放大增益电路

图3 增益移相电路图

图4 衰减移相电路图

2.3 移相与加法电路

低通滤波器输出的30 kHz和50 kHz的信号Vpp为4 V左右，为达到要求需经过衰减电路使其达到2 V和1.2 V，电路如图4所示，衰减比例由分压电阻R1、R2决定.

加法运算即对多个输入信号进行求和，输入加法器的各波形需在前面电路放大衰减移相等部分进行处理，满足傅里叶变换公式

2.4 测量与数字显示模块

电路系统中测量的正弦波信号幅度为峰峰值6 V左右，接近MSP430芯片[5]的电源电压，因此对其进行衰减.衰减后信号通过峰值检波器，检测出电压的峰值，输入到MSP430F149芯片的ADC通道后进行检测，最后通过LCD显示[6]，显示分辨率为0.01 V，电路如图5所示.

图5 测量与数字显示模块结构图

3 性能测试与分析

3.1 硬件电路测试

调节电阻R3、R4达到比例后调节R1，利用示波器观察out端输出波形频率达到60 kHz和50 kHz.将60 kHz的信号经6分频和2分频后得到10 kHz和30 kHz信号，与50 kHz方波信号输入到各自滤波器，得到其基波信号10 kHz、30 kHz和50 kHz的正弦信号.将所产生的3个正弦信号输入到放大、衰减、移相电路，调节各可变电阻、电容，观察示波器使信号输出幅度为10 kHz正弦信号Vpp=6 V，30 kHz正弦信号Vpp=2 V，50 kHz正弦信号Vpp=1.2 V.根据方波傅里叶变换，3个信号相位差为0，通过示波器的X-Y工作模式，观察李沙育图，调节相位差为0.将10 kHz(Vpp=6 V)、30 kHz(Vpp=2 V)、50 kHz(Vpp=1.2 V)正弦信号输入三角波谐波组成模块，根据三角波傅里叶变换，通过放大衰减和移相模块，10 kHz正弦信号取Vpp为8 V，30 kHz正弦信号取Vpp为900 mV，50 kHz正弦信号取Vpp为320 mV，并保证10 kHz信号与30 kHz信号相位差为180°，10 kHz信号与50 kHz信号相位差为0°.通过加法器，合成的方波与三角波波形如图6所示.

图6 10 kHz、30 kHz和50 kHz 正弦信号合成方波和三角波信号图

3.2 测量与数字显示电路

本系统利用低功耗单片机MSP430F149完成电路系统正弦波幅值的测量，电路采用峰值检波测量，利用单片机内部的AD模块进行模数转换，由1602液晶模块显示最终的数据，输出结果为待测波形的幅度，以10 kHz、30 kHz正弦波为例，理论结果与实际测试结果如表1所示.从测试结果得出误差小于1%，满足设计要求.

表1 测量结果与误差

4 结 论

本系统电路主要是通过模拟器件完成信号的产生与合成，利用低功耗单片机完成合成信号幅度的数字显示.本文为信号合成电路提供了另一种设计思路，该电路设计简单、元器件少、成本低，符合设计要求.

[1] 胡宴如.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社,2008:75-93.

[2] 宋悦孝.电子测量与仪器[M].北京:电子工业出版社,2007:80-105.

[3] 施羽暇,吕威. 基于DDS技术的正弦信号发生器设计[J]. 信息技术,2007,31(1):14-16.

[4] 孙淑琴,林君,王应吉. 中心频率可调节的低频带通滤波器设计与实现[J]. 电气测量与仪器学报,2006,20(6):59-63.

[5] 沈建华. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008:14-16.

[6] 邵联合,曲卫东. 基于AVR单片机的智能仪表信号采集与显示系统设计[J]. 仪器仪表用户,2010(4):48-50.