【正文】 比；再把10KHz的正弦信號送入移相器進行相位調(diào)節(jié)后，和30KHz的正弦信號一起送入加法電路進行合成，即完成信號的疊加?？梢酝茢啵臃ㄆ鞯妮敵鲂盘枮橐粋€近似方波的信號，且頻率大概為10KHz。系統(tǒng)單元電路如圖1所示。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圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 硬件電路設(shè)計 根據(jù)前面的分析，應(yīng)該產(chǎn)生頻率為60kHz的方波。方波可以用數(shù)字電路產(chǎn)生，也可以用模擬電路產(chǎn)生。由于數(shù)字電路產(chǎn)生的波形振幅較小，還需要應(yīng)用模擬電路進行放大；而用數(shù)?；旌想娐废啾燃兡M電路要復(fù)雜，因此，在此本文僅用模擬電路來產(chǎn)生方波。其基本原理是：通過電壓比較器產(chǎn)生高低電平；通過反饋回路和延時環(huán)節(jié)使高低電頻周期性的交替變化。原理圖如圖2所示，圖中滯回比較器的輸出電壓，閾值電壓 ；振蕩周期為。由周期計算式可知通過改變R3，C，R1與R2比值可以得到所需頻率方波。但是這幾個變量在實際電路中會存在一些約束，在選擇器件參數(shù)時應(yīng)該通過實際調(diào)節(jié)來確定。選擇器件時，建議電阻使用金屬膜電阻，這樣電路產(chǎn)生的熱噪聲就?。贿x運放時要考慮它的通頻帶，通頻帶較小時，很難達到方波要求的頻率，因此我們選擇了性能很好的運放OPA820。前面所產(chǎn)生的方波還不能為后級所利用，為此，還需經(jīng)過后續(xù)處理，首先應(yīng)該隔除負(fù)向電壓，在這里用一個二極管，這樣經(jīng)過二極管后的電壓為二極管前電壓一半減去管壓降。如此一來方波幅度將更小，為了達到分頻電路要求的最小電壓，應(yīng)該將波形進行升壓。升壓電路采用同相比例放大器，得到幅度適度的電壓。這時的電壓可以為后級所利用，但為了減小后級電路負(fù)載對方波產(chǎn)生電路的影響，提高電路帶負(fù)載能力，最后再接一個射極跟隨器。到此，方波發(fā)生電路就可以達到預(yù)期要求，可以接上后級電路。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\HC1674LS\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。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，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。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，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(fù)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。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]：高等教育出版社，2006（第四版）[2]：高等教育出版社，2005（第四版）