使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛 信号波形合成实验电路
（C题）
设计报告
使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
信号波形合成实验电路
（C题）
摘要：本设计为一信号波形合成电路，由一个6M的晶体构成一输出频率稳定
的振荡电路，使用74LS393和三片GAL16V8分频，产生10KHz、30KHz和50KHz 的方波信号，采用由TI公司提供的TLC04巴特沃斯四阶开关电容低通滤波器对信号滤波，产生符合题目要求频率的正弦波信号，使用TI公司的OP07和741对10KHz、30KHz、50K信号进行放大。使用RC阻容移相器，对正弦10KHz和30KHz 移相处理，用加法器、减法器合成近似正弦波和近似三角波，在显示模块中，使用了TI公司生产的TLVH431芯片作为精密基准源。本设计的主要特点是：电路简单；成本低，性价比高；充分满足题目要求。
关键词：振荡，分频，信号波形合成，TLC04，OP07， TLVH431。
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使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
目录
目录
一、 方案设计与论证 (1)
1.1电源模块 (1)
1.2方波产生模块 (1)
1.3分频模块 (1)
1.4方波转正弦波模块 (1)
1.5移相模块 (1)
1.6显示模块 (2)
二、 系统设计及功能实现 (2)
2. 1总体设计框图 (2)
2..2各模块的设计及功能实现 (3)
2.2.1电源模块 (3)
2.2.2波形产生模块 (3)
2.2.3分频模块 (3)
2.2.4方波转正弦波模块 (4)
2.2.5移相模块 (4)
2.2.6正弦波转方波、三角波模块 (4)
2.2.7显示模块 (5)
三、系统测试结果 (6)
3.1基本要求 (6)
3.2发挥部分 (6)
四、参考文献 (6)
附录1 (7)
附录2 (9)
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使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
一.方案设计与论证
根据题目要求，可将系统划分为电源模块，分频模块，正弦波生成模块，移相模块，正弦波合成方波、三角波模块和显示模块，对各模块的产生，分别有以下不同设计方案：
1.1电源模块
采用集成稳压器LM317和LM337构成直流稳压电源，产生±5V两路直流电压，由变压器、整流器、滤波器和稳压器四部分组成。（见2.2.1）
1.2方波产生模块
方案一：采用555芯片构成多谐振荡器，产生所需方波，但555构成的多谐振荡器输出波形的频率与电容的充放电时间有直接的关系，该电路产生的频率稳定性差。
方案二：采用单片压控函数发生器MAX038,可产生正弦波，方波，三角波，通过调整外部元件可改变输出频率，但单片函数发生器的输出信号参数与外部元件有关，外接的电阻电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度较差，精度低，MAX038价格也较贵。
方案三：采用晶体和反向器构成振荡电路，结构简单，产生的频率稳定度高，
（见2.2.3）抗干扰能力较强，符合题目波形合成信号要求，而且成本低，性价比高。
综上所述，采用方案三。
1.3分频模块
方案一：采用双路D类上升沿触发的触发器SN7474N或计数器直接构成分频电路，可以实现三种频率（10K、30K、50K）的分频，且相位关系稳定，但该方案需要较多器件，电路实现复杂，容易受到干扰。
方案二：使用CPLD或FPGA设计分频器，由软件编程实现，实现方式灵活，设计也不太复杂，还可以实现和MCU单片机的连接控制，但CPLD价格较贵，在此实现分频器，成本较高，性价比低。
方案三：使用高性能可编程逻辑器件通用阵列逻辑GAL16V8 和计数器74LS393构成，仅需一片74LS393和三片GAL16V8，该方案结构简单，分频准确，成本低，适合于该电路。（见2.2.3）
综上所述，采用方案三。
1.4方波转正弦波模块
方案一：采用RLC分立器件构成滤波器，对分频模块的三个方波信号进行滤波获取正弦波，需分别计算各元件参数，调试困难，且滤波效果不佳。
方案二：采用TI公司的集成开关电容器滤波器TLC04，该器件是巴特沃斯四阶低通滤波器，外围应用电路简单、滤波截止频率设置方便、性能稳定，可取代一般运算放大器构成的低通滤波器。
综上所述，采用方案二。
1.5移相模块
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使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
方案一：采用数字移相技术实现移相。它的原理是先将模拟信号或移相角数字化，经移相后在还原成模拟信号。所以要采用高速A/D转换器TLC5510将输入的模拟信号转换成数字信号，通过FPGA进行移相处理后，送至高速A/D转换器AD7524，把经过处理的数字信号转化成量化的电流，再通过TL082高速运放，是电流信号转化为电压信号，从而达到对信号的一项处理。但该移相方式输出信号的频率难以细调，而且电路复杂，成本高。
方案二：采用阻容移相电路，该电路理论上可以实现±45°，调整方便，实现容易，可以满足本设计要求。
综上所述，采用方案二。
1.6显示模块
方案一：采用RMS真有效值转换器AD736和MSP430单片机设计，可以使用单片机进行频率补偿，达到较高的显示精度。
方案二：采用RMS真有效值转换器AD736和ICL7107设计，设计结构简单，精确度高，可以达到题目设计要求。（请看2.2.5）
综上所述，由于竞赛时间所限，采用方案二。
二、系统设计及功能实现
2.1.总体设计框图
系统框图如图所示，由电源模块，分频及正弦波生成模块，移相模块，正弦波、三角波合成模块和显示模块构成。
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使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
3 2.2各模块的设计及功能实现
2.2.1直流稳压电源模块 （见附录1图1-1所示）
本设计选用LM317和LM337，产生±5V 直流电源，可以实现电压的精确调整。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连续可调的负电压，最大输出电流 为1.5A，稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。
2.2.2波形产生模块 （见附录1图1-2所示）
题目要求产生频率为10K、30KHz、50KHz 的正弦波信号，所以需要一个它们频率的整数倍的标准信号进行分频实现。
该模块使用一个6M 的晶体，用74LS04反相器构成振荡器，输出稳定的6MHz 标准频率。
2.2.3分频模块 （见附录1图1-2所示）
该模块选用74HC393对6MHz 信号进行计数分频，产生3M、1.5M、750K 信号作为TLC04滤波器的工作频率，三片GAL16V8对1.5M 信号进行分频，产生10K、30K、50K 的三种方波信号
2.2.4方波转正弦波模块 （见附录1图1-2所示）
该模块的滤波电路使用TI 公司的TLC04巴特沃斯四阶开关电容低通滤波器作为滤波电路的主要组成部分。该芯片内部由时钟整形电路、时钟电平移位电路、无重叠时钟发生器及巴特沃斯四阶开关电容滤波器组成。由于TLC04外围应用电路简单、工作电源灵活、抑制纹波干扰能力强、滤波器性能稳定，可取代一般运算放大器构成的低通滤波器。
该器件数据手册说明该滤波器截止频率范围从0.1Hz 到30KHz ，我们实际测试发现其截止频率远远高于30KHz ，对50KHz 信号也有很好的滤波效果。
2.2.5移相模块 见附录1图1-3所示
使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
4 在该模块中，使用阻容移相电路，在RC 移相网络中， 如下图所示
所以在该电路中，U1与U2 两个运放输入的波形产生了相位差。已知一个被测信号的周期为T,相位差为Δθ，则可得
Δθ=t/T*360°
741型运算放大器具有广泛的模拟应用。宽范围的共模电压和无阻赛功能可用于电压跟随器。高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。此外，它还有以下特点：无频率补偿要求；短路保护；失调电压调零；大的共模、差模电压范围；低功耗。在设计中，将50khz 的波形作为基准波形，因此不进行移相，只对10KHz 和30KHz 信号进行移相处理。
2.2.6正弦波合成方波、三角波模块 方波的合成
)7sin 7
15sin 513sin 31(sin 4)(ΛΛt t t t h
x f ωωωωπ+++= 以上式中可知，方波由一系列正弦波(奇函数)合成。这一系列正弦波振幅比为1:1/3:1/5:1/7：……，所以使用一加法器对10KHz、30KHz、50KHz 的正弦信号按上述幅度比例进行加法运算，即可得到所需方波信号，下图即为方波合成的加法电路，图中电位器用于调整各信号的加法比例关系。 ①超前型
②滞后型
使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
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图1-3(a) 正弦波合成近似方波
三角波的合成 三角波傅里叶级数表示式：
)77sin 55sin 33sin 1sin (8)(2
2222ΛΛ+?+?=t t t t h t f ωωωωπ 与方波合成的原理一样，三角波的合成是按照上述公式的比例进行加减运
算，即可得到所需波形，下图即为三角波合成加减法电路。
图1-3（b）正弦波合成近似三角波
2.2.7显示模块 见附录1图1-4所示
在该模块中，使用了AD736和ICL7107，采用TI 公司生产的TLVH431芯片
作为精密基准电源。AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC 转换
器。其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速率
快、频率特性好（工作频率范围可达0～460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗
低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200μA.用它来测量正弦波
电压的综合误差不超过±3%。ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D 转换
器。它包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。它具有高精
度、通用性和低成本。TLVH431是一款低电压调节精密并联稳压器，工作时低
电压等于 1.24伏，可调输出电压可运行至6 V。而且体积小，占位小，非常适
合用于该模块。
三、系统测试结果
使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
3.1基本要求
（1）使用示波器采用李萨如图示法进行了10KHz、30KHz和50KHz三组正弦波信号的相位关系测定，测试图像稳定，说明10KHz、30KHz和50KHz三组正弦波信号具备确定相位关系。
见附录2 图A和图B。
（2）采用示波器测试10KHz、30KHz正弦信号，通过测试图像可以看到，波形无明显失真，用数字示波器测量10KHz、30KH正弦信号幅度分别为6.02V和
2.03V。
见附录2 图C和图D。
（3）采用示波器测试10KHz和30KHz正弦波信号合成的波形。测试图像说明10KHz 和30KHz正弦波信号合成的波形近似方波，用数字示波器测量波形幅度为
5.04V。
见附录2 图E。
3.2发挥部分
（1）采用示波器测试10KHz、30KHz和50KHz正弦波信号合成的波形。测试图像说明将10KHz、30KHz和50KH正弦波信号合成，比基波和3次谐波合
成的信号更接近于方波。见附录2 图F。
（2）采用示波器测试新的合成电路的信号合成。该电路将10KHz、30KHz和50KHz正弦波信号合成，测试图像表明，10KHz、30KHz和50KHz正弦波
信号合成的波形为一个近似的三角波。
见附录2 图G。
四、参考文献
1 高吉祥，黄智伟，陈和. 高频电子线路. 北京：电子工业出版社，2003年，
第一版
2 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2001年，第
三版
3 谢自美，阎树兰，赵云娣，朱如琪，罗杰. 电子线路设计-实验-测试. 武汉：
华中科技大学出版社. 2000年，第二版
4 周良权，方向乔. 数字电子技术基础 北京：高等教育出版社. 2008年第三版
5 全国大学生电子设计竞赛组委会 《第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品
选编（2001）》北京 2002
6 孙肖子 电子设计指南 北京：高等教育出版社，2006
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使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
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附录1： 图1-1
电源模块
图 1-2 波形产生模块
使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
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图
1-3 移相电路
(a) 50KHz 放大电路
(b) 30KHz
放大、移相电路
（c ）10KHz 放大、移相电路
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图1-4显示电路
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使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
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附录2：
图A 10KHz 与30KHz 的相位关系
图B 10KHz 和50KHz 的相位关系
使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
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图C 10KHz 放大后的幅度值（6V ）
图D 30KHz 放大后的幅度值（2V ）
使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
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图E 利用基波和3次谐波合成的近似方波
图F 利用基波、3次谐波和5次谐波合成的近似方波
使用GAL器件设计分频器,使用TLC04完成方波转正弦波,使用运放合成波形。
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图G 近似三角波
