基于常规芯片设计的波形合成电路

O 引言

在“信号与系统”课程的教学中，周期连续信号的分解与合成是学生学习的难点。如何帮助学生加深对理论知识的理解，实验是—个必不可少的环节，对提高学生的实践能力、创新能力以及理论联系实际的能力都有着极其重要的作用。

“信号与系统”课程中，在讲授“周期连续信号的分解与合成”一节时，教学要求有：已知周期信号的数学表达式，按傅里叶级数可以分解为无穷多个不同频率不同振幅的正弦波之和。反之，无穷多个不同频率、不同振幅的正弦波可以合成各种周期信号。本文采用常规芯片设计了一组简单电路，可以实现周期连续信号的分解与合成过程。

1 波形合成原理

任何具有周期为T的波函数f(t)都可以表示为三角函数构成的级数之和，即

因此本设计可以采用基波、三次谐波和五次谐波合成一个近似方波。

2 总体设计

本设计可以划分为分频电路，滤波电路，移相电路及波形合成电路。分频电路包括二分频，三分频和十分频等电路；移相电路包括对其中两个不同频率波形的移相，并且将信号幅值放大到所需要的大小；合成电路就是将10 kHz、30 kHz和50 kHz的正弦波信号合成为方波或三角波。

3 电路设计

3．1 分频电路的设计

首先由6 MHz的方波晶振通过74LS390的二分频得到3 MHz，十分频得到600 kHz；再将600 kHz的频率二分频得到300 kHz。再利用74LS161的异步清零功能实现对300 kHz进行三分频。经此三分频，信号从Q1输出为100 kHz的频率方波。再将这100 kHz频率的方波信号送入到74LS39 0的分频电路50 kHz、10 kHz的频率了。用74LS390分频可以直接得出二分频、五分频和十分频的信号，电路简单。

3．2 滤波电路的设计

滤波电路就是将输入的方波信号转换成相应频率的正弦波信号。本系统采用TI公司的TLC04芯片。

TLC04具有最大平坦度、截止边带单调下降的巴特沃斯四阶开关电容滤波器。其截止频率可随时钟编程。

截止频率的稳定性依赖于时钟的稳定性，时钟截止频率比为50：1，该滤波器可外接TTL或CMOS时钟，也可自产生时钟。

根据时钟截止频率比为50：1这一特性，为输出50 kHz的正弦波，可以在TLC04的时钟增加上大于2．5MHz的信号；

由于本系统在前面实现了分频，因此它所需要的时钟频率可以由前面分频出来的3 MHz的时钟频率提供。

同理，输出30 kHz的正弦波，可以在TLC04的时钟端加上1．5 MHz的信号；输出1O kHz的正弦波，理论上在TLC04的时钟端加上500 kHz的信号，本设计中采用600 kHz的时钟频率。

信号经过C3电容由8脚输入，TLC04的时钟输入2脚接分频出来的3 MHz、600 kHz和30 kHz。输出正弦波从5脚引出。

3．3 放大电路的设计

放大电路采用的是TL082构成的运算放大电路。通过调节它的反馈电阻改变其放大倍数。其作用就是将滤波出来的正弦波的幅值放大到6 V、2 V和1．2 V。

3．4 移相电路的设计

由正切三角函数半角公式可得：

通过调节电位器W，即可以改变正弦波的相位。

3．5 合成电路的设计

合成电路就是以1O kHz的正弦波作为基波，30 kHz和50 kHz的正弦波作为三次谐波和五次谐波，将它们合成一个近似的方波。除此以外，本设计也将产生的10 kHz、30 kHz等各个正弦信号，合成了一个近似的三角波形。当只有K1闭合时，将产生的10 kHz和30 kHz正弦波信号，作为基波和三次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为5 V；当K1和K2同时闭合时，将产生的10 kHz、30 kHz和50 kHz正弦波信号，作为基波、三次谐波和五次谐波，合成一个近似方波；当只有K3闭合时，将产生的10 kHz和30 kHz正弦波信号，作为基波和三次谐波，合成一个近似三角波；当K3和K4同时闭合时，将产生的10 kHz、30 kHz和50 kHz正弦波信号，作为基波、三次谐波和五次谐波，合成一个近似三角波。

4 波形合成测试

(1)1OkHz、30 kHz和50 kHz的正弦波合成方波。

(2)10 kHz、30 MHz与50 kHz正弦波合成的三角波。

5 结束语

本系统大部分采用常规芯片搭接而成，可以合成方波和三角波，既简单又实用。学生可以自己动手搭接电路，既掌握了各种芯片的运用方法，同时又加深了学生对周期信号分解与合成的理解。