全国大学生电子设计竞赛
2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛试题
信号波形合成实验电路（C题）
一、任务
设计制作一个电路，能够产生多个不同频率的正弦信号，并将这些信号再合成为近似方波和其他信号。电路示意图如图1所示：
图1 电路示意图
二、要求
1．基本要求
（1）方波振荡器的信号经分频与滤波处理，同时产生频率为10kHz和30kHz
的正弦波信号，这两种信号应具有确定的相位关系； （2）产生的信号波形无明显失真，幅度峰峰值分别为6V和2V；
（3）制作一个由移相器和加法器构成的信号合成电路，将产生的10kHz和
30kHz正弦波信号，作为基波和3次谐波，合成一个近似方波，波形幅度为5V，合成波形的形状如图2所示。
图2 利用基波和3次谐波合成的近似方波
2．发挥部分
（1）再产生50kHz的正弦信号作为5次谐波，参与信号合成，使合成的波
形更接近于方波；
（2）根据三角波谐波的组成关系，设计一个新的信号合成电路，将产生的
10kHz、30kHz等各个正弦信号，合成一个近似的三角波形；
（3）设计制作一个能对各个正弦信号的幅度进行测量和数字显示的电路，测
量误差不大于5％； （4）其他。
三、设计摘要
由单片机C8051F
300产生3路10k、30k、50k方波并设计3个4阶低通
滤波器滤出的滤出的0~3.3V的10k、30k、50k正弦波信号，由反向比例、移相电路、反向求和电路合成一个含有3次谐波的方波及三角波，用单片机C8051F120内自带的ADC对三路正弦信号进行采样，并将其幅度显示在LCD液晶屏上。
关键词：产生方波 合成方波 ADC采样 液晶显示
实验目的：设计一个频率补偿电路，高频截止频率设定在100KHz。
实验器件： 1、运放的选择
在运算放大器的选择上，既要考虑运放的性能，如其是否低噪增益带宽
是否合适；又要考虑运放的成本。经上网查阅，LM358的增益带宽为1M，仿真时性能良好，似乎适用于整个电路的使用。然而在实际电路中，对10k 的信号在放大时输出波形已有较大失真。经考虑，最终选用了NE5532的低噪、10M增益带宽积的双运放。
2、其它器件
双通道直流稳压电源一台；函数发生器一台；四踪示波器一台；数字万用
表。
四、实验方案设计 1、方波产生
2、三路正弦信号的产生 3、合成方波/三角波
①在合成方波时，由于前级产生的3路信号为0~3.3V的正弦波（含1.65V
直流及1.65V 交流），这是由单片机C8051F300的3.3V供电电压决定的。而我们这一级需要产生0~6V,0~2V,及0~1.2V的正弦波，故需要的放大倍数可能小于1，故选择反向比例电路作为第一级电路，按1、3、5次谐波的傅立叶系数对0~3.3V
的正弦波进行放大。在合成三角波时，则按0~6V,0~0.667V,0~240mV来放大三路正弦信号。
②移相电路通过参考模电课本，知可以用全通滤波器实现移相，以保证进入求和电路的三路正弦信号是同相的。然而通过单片机产生的方波分别经过低通滤波器虑得的正弦波在实际中的相位差不大，我们决定使用0~180度的移相电路而不需要使用0~360度的移相电路。
③为保证移相电路与求和电路阻抗匹配，在其之间加了一级电压跟随器。 ④因题目要求所合成方波为正的0~5V，而反向放大及移相后为负的正弦波，故决定采用反向求和电路对三路正弦波求和。又因前级的三角波进入时均带有1.65V直流偏置，经反向放大后直流偏置也进行了反向放大，即当输出为0~-6V,0~-2V,0~-1.2V的正弦波信号时，直流偏置也变为了其输出幅值的一半，
即-3V,-1V,-0.6V，那么反向放大输出端直流偏置为-4.6V，经反向求和电路（增益为1）后，直流偏置也反向为4.6V，交流为?2.5V的方波，则实际方波理论峰值为4.6V+2.5V=7.1V。但题目要求方波为0~5V,故需增设2.1V的负偏置。
总电路图：
