【導(dǎo)讀】Xuelian,WangFan,ZhengJin-fa. 430065. 方波發(fā)。生電路。分頻。電路。濾波。電路。10Khz. 調(diào)幅。30KHz. 調(diào)幅。移相。電路。加法。電路

　　

【正文】 圖 2 方波發(fā)生電路原理圖 ．分頻電路設(shè)計 此處的分頻電路是將前級產(chǎn)生的 60KHz方波，變?yōu)橐粋€占空比為 1/2，頻率分別為 30KHz和 10KHz的方波信號。這個處理可以很容易想到用數(shù)字計數(shù)器解決。計數(shù)器是常用的時序電路，它不僅可以對脈沖進行計數(shù)，還可以用于分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖等。本文利用它的分頻特性，一個 N進制的計數(shù)器可以將它的輸入時鐘信號，分頻為占空比為 1/N、頻率為輸入信號 1/N的輸出時鐘信號。所以為了得到 30KHz的方波信號，可以將 60KHz的方波作為時鐘信號，接入一個二級制計數(shù)器，則輸出為一個占空比為 1/頻率 30KHz的方波信號。而對 于 10KHz的方波信號獲取，可以先讓 60KHz方波信號通過一個三進制的計數(shù)器，對應(yīng)輸出一個占空比為 1/頻率為 20KHz的方波信號，再將此信號作為輸入信號，接入一個二進制計數(shù)器，即可得到一個占空比為 1/頻率為 10KHz的方波。即將 60KHz的方波信號經(jīng)過三個數(shù)字計數(shù)器處理，就獲得了滿足 1/2占空比要求的 10KHz和 30KHz的方波信號。 對于數(shù)字計數(shù)器的選擇也是實現(xiàn)分頻的關(guān)鍵。如果采用常見的集成計數(shù)器如（ 74LS\HC16 74LS\HC161）構(gòu)成所需進制的計數(shù)器，則會出現(xiàn)占空比不定的情況，需要在分頻后添加占空比調(diào)節(jié)電路，這就使得電路不穩(wěn)定并且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。而采用觸發(fā)器級聯(lián)成的計數(shù)器則可以很好的掌控占空比，故本系統(tǒng)采用了 JK觸發(fā)器組成計數(shù)器， T觸發(fā)器和 D觸發(fā)器也同樣可以選擇。然后需要考慮器件 TTL和 COMS的選擇，因為系統(tǒng)處理的信號均在10KHz以上頻率，若數(shù)字器件的轉(zhuǎn)換速率太低則容易導(dǎo)致計數(shù)器不能正常工作，輸出信號失真，故本文選擇了轉(zhuǎn)換速率較快的 TTL器件。最終確定采用兩片 74LS109（雙集成 JK觸發(fā)器）級聯(lián)組成一個三進制計數(shù)器和二個二級制計數(shù)器。分頻電路如圖 3所示。U1O P A 8 4 2 I D32 476R11kΩR21kΩR31kΩ R410kΩK e y = A50%R5220ΩC21 0 n FD1 1 N 4 7 2 8 AD2 1 N 4 7 2 8 AD31 N 4 0 0 74053216 Uo 圖 3 分頻電路原理圖 濾波電路主要完成 10KHz方波到 10KHz正弦波， 30KHz方波到 30KHz正弦波的轉(zhuǎn)化。理想方波是包含了所有奇頻分量的信號，只要通過特定中心頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)，很容易得到所需頻率的正弦波?？紤]到后級合成的效果，本系統(tǒng)直接選用了集成的巴特沃斯四階低通開關(guān)電容濾波器 TLC04ID，只需合適的選擇該芯片 2 的外接電容電阻就可以確定濾波選頻的中心頻率，計算公式為 f=1/。該濾波器的階數(shù)較高，選頻效果好，可以得到相應(yīng)頻率較好的正弦波。 若把 10KHz的正弦信號作為基波， 30KHz正弦信號作為三次諧波，合成一個 10KHz的方波信號，則由傅里葉級數(shù)分解可知， 10KHz 的正弦信號和 30KHz 的正弦信號的幅度比需要為 1:3。由于前級濾波后兩個正弦信號峰峰值均為 5V，則需通過調(diào)幅電路把 10KHz和 30KHz正弦波的峰峰值分別調(diào)為 6V和 2V。 對于 10KHz的正弦信號，需要從峰峰值 5V到 6V升壓處理，故選用了同向比例運算電路。而對于 30KHz的正弦線號，需要從峰峰值 5V到 2V的降壓處理，故選用了簡單的電阻分壓電路，而防止后級電路對電阻網(wǎng)絡(luò)的影響，后面需要加上一個電壓比較器。在此調(diào)幅的運算 電路中，由于分頻濾波后的正弦線號均含有 ，若直接采用電容耦合隔直效果不好，本文采用了運算放大器單電源供電后，在進行電容隔直則可以達到要求，并且信號的復(fù)擺空間較大。對于單電源供電運放，需要在信號輸入端加上偏壓電路，故采用了電阻偏壓。對于運算放大器的選取，這里采用 LM358 即可滿足要求。處理后即可輸出不含直流分量的10KHz峰峰值 6V 正弦信號和 30KHz峰峰值 2V 正弦信號。 10KHz正弦波調(diào)壓電路如圖 4所示。 U 1 AJK 觸發(fā)器1J1~1Q21CLK121K4~1CLR131Q3123二分頻U 2 AJK 觸發(fā)器1J1~1Q21CLK121K4~1CLR131Q3U 3 AJK 觸發(fā)器1J1~1Q21CLK121K4~1CLR131Q3UiUo45678191Ui三分頻UoV12 . 5 V p k 1 0 k H z 0 176。 R22kΩV21 0 V R310kΩR410kΩC11 0 0 u FC21 0 u FC31 0 u FR51kΩR110kΩK e y = A50%15140120001 UoU 1 AL M 3 5 8 P3248110091113圖 4 濾波和調(diào)幅電路 為了加強合成效果，需要對待合成信 號進行移相處理。因為模擬合成信號只有兩個，所以只需對其中一個信號進行調(diào)節(jié)即可。本文設(shè)計了針對 10KHz正弦信號進行相位調(diào)節(jié)的移相電路。由一個 RC網(wǎng)絡(luò)和一個電壓跟隨器組成，其中 RC網(wǎng)絡(luò)中 R采用大電阻 100K可調(diào)，使得信號的相位可以在 30176。 ~90176。范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，電壓比較器防止后級電路對移相電路的干擾。 加法電路即是為了完成最后的信號合成。由于系統(tǒng)在前級對信號的幅度比例已調(diào)節(jié)合適且電路放大運算比例固定，不用在加法電路進行輸入輸出信號的幅度調(diào)節(jié)，所以這里采用簡單的單個集成運放 LM358構(gòu)成加法電路就可以很好的滿足合 成要求。加法電路如圖 5所示。 圖 5 加法電路 測量電路是用來測量系統(tǒng)內(nèi)部的所有正弦信號的有效值，它是獨立于前面波形發(fā)生合成電路的一個數(shù)字測量單元。有效值是表征交流信號幅值的一個重要參量，對于正弦信號，其有效值為其峰值的 2 /2，即只要得到正弦波的峰值即可以得到其有效值。因此在系統(tǒng)的測量電路中，先讓正弦信號通過一個峰值檢測電路得到其峰值，并且該峰值表現(xiàn)為一個相對恒定的直流量，再把該直流量通過 AD 轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字量，送入單片機進行處理， 即運算為信號的有效值，最后用 LCD給以顯示。 對于峰值檢測電路的設(shè)計，由于正弦波峰峰值均在 2~ 6V之間，幅度較大，故直接采用最簡單的一個二極管和電容串聯(lián)回路，其中二極管起到半波整流作用，而電容則為保持峰值電壓。理想情況下若二極管的導(dǎo)通電壓為 0V，則信號峰值可以精確的表現(xiàn)在電容上，而實際二極管的導(dǎo)通壓降不可忽略，會使得實際峰值電壓等于導(dǎo)通壓降加上原信號峰值，這也是本測量電路的主要誤差所在，故本測量電路采用以下辦法克服該誤差：（ 1）選用導(dǎo)通壓降較小的二極管（鍺管， 1N5189）；（ 2）采用軟件補償，減掉二極 管的導(dǎo)通壓降。電容選用 105的瓷片電容即可。峰值檢查電路如圖 6所示。 AD 選用了逐次比較型的 TLC549，它具有速度較高、功耗低等優(yōu)點， 8 位的精度足夠滿足本設(shè)計的測量要求。測量信號幅度只在 1~3V之間，所以測量只需一個量程（ 0~5V）即可完成，將 TLC549的正向參考電壓輸入端接 VCC,將其負向參考電壓接地即可。單片機選用了AT89C51，在處理 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果時，程序采用了平均濾波算法，這樣可以減小 AD 轉(zhuǎn)誤差，程序設(shè)定對數(shù)據(jù)保留兩位小數(shù)。最后用 LCD SMC162對有效值數(shù)據(jù)給以顯示。 R11 0 k 166。184。K e y = A50%R21 k 166。184。R32 k 166。184。R42 k 166。184。R51 k 166。184。V15 V V25 V 0000U1O P A 8 4 2 I D3247641673 Uo251 0 K H z 6 V 正弦波3 0 K H z 2 V 正弦波 圖 6 測試電路 3 系統(tǒng)功能測試 系統(tǒng)供電由兩個電源完成，分別為一個 +5v的單電源和一個177。 5V的雙電源。供電參考各模塊電路分析。 由以上各個功能模塊電路即可完成本系統(tǒng)。其中方波產(chǎn)生電路，產(chǎn)生 60KHz， 3v的峰值的方波，經(jīng)過分頻電路測得兩個信號的頻率分別為 30KHz 和 10KHz，峰值均為 5v的方波；在通過低通濾波器得到 30KHz 和 10KHz，峰值均為 5v的正弦波；兩個信號經(jīng)過調(diào)幅電路處理后幅度分別為 30KHz 對應(yīng) 2V， 10KHz 對應(yīng) 6V；對 10KHz進行移相電路微調(diào)后，將兩個信號送入合成電路，將輸出端用示波器檢查，看觀察到方波波形如圖 7。 最后用測量電路測量系統(tǒng)內(nèi)的各級正弦波，測量誤差可以在 5%以內(nèi)。 圖 7 測試波形 參考文獻 [1]童詩白 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) .北京：高等教育出版社， 2021（第四版） [2]吳大正 .信號與線性系統(tǒng)分析 .北京：高等教育出版社， 2021（第四版） D11 N 5 3 9 7C11 0 n FUi1 V p k 1 k H z 0 176。 2 10單片機數(shù)字測量模