2010年陕西省第二届大学生德州仪器（TI）杯模拟及模数混合电路应用设计竞赛 设计报告封面
参赛队编号 （参赛学校填写） | 学校编号 | 组（队）编号 | 选题编号 |
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说 明
1.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；
2.“参赛队编号”由参赛学校填写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会印制编号填写，“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：“1213B”或“0283A”。
3.本页复印有效。
摘要
本系统主要以TI芯片为核心，组成了由方波发生及分频电路，方波转换电路，低通滤波器，增益调节器，移相电路，方波和三角波合成电路等信号波形合成实验电路。系统基本工作过程为：方波发生并分频、加直流偏置后，使用巴特沃斯低通滤波器提取相应频率方波的基波，并经过幅值和相位调整后重新叠加生成方波和三角波，同时ARM对三路正弦信号进行采样，测量幅值，并由液晶显示结果。输出波形结果表明，系统合成波形符合理论傅里叶分析结果，比较准确。另外还利用ARM对生成正弦波进行高速采样分析，出完成了正弦波的幅值测量，测试误差小于5%，符合题目要求。 关键词
低通滤波 移相 波形合成
一 方案论证
1.1系统总体方案
（1）方案一
方波发生电路产生激光标记300kHz方波，经30,10,6偶次分频后分别得到频率为10kHz,30kHz和50kHz的方波，再经巴特沃斯低通滤波器（截止频率分别设计为相应方波的基波频率）低通滤波得到三种频率的正弦波，然后经幅值和相位调整重新合成方波和三角波。
（2）方案二
方波发生电路产生10kHz方波，直接对其中的10kHz,30kHz和50kHz谐波分量进行提取，10kHz基波可用截止频率为10kHz的巴特沃斯低通滤波器滤波得到，30kHz和50kHz谐波可分别用两个中心频率分别设为30kHz和50kHz处的高Q值带通滤波器滤波得到。最后再经幅值和相位调整重新合成方波和三角波。
比较两种方案，方案二对带通滤波器的设计要求较高，高mntpQ值带通滤波器设计难度较大；方案一的方法比较单一，即全部使用低通滤波得到三路正弦波，这极大简化了系统设计，也利于器件的采购。因此本文采用方案一作为系统总体方案。
1.2方波发生电路
生成方波的方式有数字合成法，比较器法，555振荡器。555振荡器的外围电路简单，使
用方便，可以直接生成高品质的数字方波，且可与计数器配合直接分频得到所需的频率的方波，因此在本设计中采用555振荡器法。
1.3滤波电路设计
防盗机箱方案一 四阶巴特沃斯开关电容滤波器TLC04搭建低通滤波器
使用四阶巴特沃斯开关电容滤波器TLC04，该滤波器截止频率可编程更改，只要改变控制时钟信号，即可改变截止频率。因此TLC04可以实现对三种频率方波的滤波。
方案二 运放搭建巴特沃斯低通滤波器
桥梁应力检测
用运放设计搭建四阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率分别设计为10kHz，30kHz，50kHz，对10kHz，30kHz，50kHz方波信号进行滤波，得到三种频率的正弦信号。
比较两种方案，方案一有两个缺陷：一方面，TLC04的截止频率范围为0.1Hz-30kHz，因此对50kHz的方波滤波效果很差，波形畸变严重，实际上对30kHz方波滤波的效果已经较差；另一方面，TLC04滤波引入了高频噪声（主要由时钟信号引起），波形不平滑；而方案二不存在上述问题，而且采用软件设计十分方便，所以采用方案二。
二 硬件电路与软件设计
2.1系统总体方案
图1 系统总体框图
2.2 硬件设计
2.2.1方波发生及分频电路
（1）方波发生电路
方波发生电路见图2，参数设定为：T1=0.693RAC，T2=0.693RBC，使RA渗透印章=RB，可实现占空比50%。
（2）分频方法
本设计中，原始方波频率选择为300kHz。要得到10kHz，30kHz，50kHz的方波，采用计数器进行偶数倍分频，故原始方波采用300kHz,分别经过30分频、10分频，6分频，得到占空比50%的方波。只用计数器74LS161分出50%的方波需利用置数功能，从0101计数至1010，最高位既可作为6分频的输出。其余类推，30分频需要级联两个74LS161。
（3）同步复位电路
图2 方波发生电路 图3同步复位电路
因计数器初值有随机性，通过复位按键，对74LS161同时清零，可实现分频输出信号有确定的相位关系。RC时间常数要小于74LS161的阈值电压切换时间，设计中选择1kΩ、1nF，这是本系统设计的一大特点。
2.2.2方波转换电路
555振荡器产生的方波为单极性，有一定的直流偏移，不能直接进行滤波，因此必须通过转换电路把单极性方波转换为双极性（图4）。幅值为5V单极性方波经比较器与一固定直流电平V比较，另外比较器输出接双向稳压对管（），所以输出幅值为2.7V的双极性方波，可直接进入下一级滤波。
4 方波转换电路
2.2.3低通滤波器电路
由FFT分解可知，方波可分解为一系列奇数的谐波组成。具体公式为：
=
其中1，3，5次谐波是方波的主要成分，3次谐波是1次谐波的仿生花3倍频程，5次谐波为基波的5倍频程，因此要提取基波而将3，5次谐波有效滤除，这需要低通滤波器有足够的衰减速度，采用四阶巴特沃斯滤波器（基波频率设定为截止频率），可在3次谐波处获得80dB*0.3=24dB的衰减，5次谐波衰减更大，从而获得较好的滤波效果。所以低通滤波器设计为4阶。
使用Ti公司提供的专用滤波器设计软件Fiterpro设计3个四阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率分别为10kHz,30 kHz, 50kHz（设计电路见附录）。并经Tina7仿真，滤波效果很好：不
同频率的方波经滤波器滤波，分别得到同频率的正弦波，基波幅值衰减-3dB，移相180度，3次，5次谐波被衰减十倍以上。
2.2.4一阶全通滤波器移相电路
低通滤波器滤波得到的三路正弦信号的相位并不能满足叠加方波的同相关系，因此必须进行相移调整。一阶全通滤波器可以实现对特定频率信号产生相移，而信号的幅值在滤波前后保持不变，通过改变电路参数可以实现信号某一范围内的相移，相移电路见图5。
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