数字波形合成器

北京理工大学本科生课程设计电子技术课程设计实验报告数字波形合成器北京理工大学本科生课程设计北京理工大学本科生课程设计1一、实验背景在某些场合，对于信号的频率，相位及其失真度要求较高。例如，在精密陀螺测试中，对于400Hz三相正弦交流电源的这些参数要求就很严格，它要求频率稳定度△f/f≤0.0001，相位误差小于等于3度，正弦信号非线性失真系数小于1%等。如果这些指标不满足，将会使陀螺角动量变动，电动机升温，产生干扰力矩，从而影响陀螺马达的正常工作和测试。本课题要求采用数字合成技术，通过使用晶体振荡器，分频器及D/A转换器等数字波形合成方案，输出高频率相位稳定度高的波形。二、实验目的1.进一步学习电子电路系统的设计方法和实验方法；2.进一步掌握Multisim仿真设计工具;3.着重培养学生独立分析问题和解决问题的能力。三、实验要求1.设计具有高频率稳定度和高相位稳定度的两相正弦信号源；2.两相正弦信号频率f=400Hz；3.两相信号A、B之间相位差90度；4.幅值Vm=5V±0.2V。四、设计原理设要合成的正弦波频率为0f幅值为mU。首先将它的一个周期分为N等分，用具有N个阶梯的阶梯波来逼近所要求的正弦波，如图1所示。可见N越大，其逼近程度越好，失真也越小。北京理工大学本科生课程设计2图1阶梯正弦波数字波形合成器主要就是合成这种阶梯波形，然后通过低通滤波器滤除高次谐波分量从而获得所需的正弦波。图2为正弦阶梯波合成器的原理框图。其中脉冲发成器的振荡频率F与正弦波的频率f之间的关系为NfF即，NFf式中，N为分频器的分频系数，也称计数器的有效状态数。计数器的N个有效状态与正弦波的N等分对应，也就是与阶梯波的N个阶梯对应。用上述N个状态变量,分别控制正弦波加权D/A转换器的权电阻（该权电阻值等于该状态所对应当正弦值），就可以得到阶梯正弦波。当要求输出相位差为φ的两路正弦波时，两路阶梯波对应的阶梯应错开M个计数器的状态，即NM2式中，M/2为计数器两个相邻状态之间的相位差。0utN123北京理工大学本科生课程设计3五、实验实现1.振荡器把石英晶体与对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来就组成图3所示的石英晶体多谐振荡器。图3晶体振荡器由石英晶体的电抗频率特性可知：当外加电压的频率为0f时它的阻抗最小，所以把它加入多谐振荡器的正反馈环路中以后，频率为0f的电压信号最容易通过它，并在电路中形成正反馈，而其他频率信号经过石英晶体时被衰减。因此振荡器的频率也必然为0f.由此可见，石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率，而与外接电阻，电容无关。石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。它的频率稳定度可达10e-10—10e-11,可以满足设计要求。2.N分频器采用6个D触发器构成6位扭环形计数器，实现12分频。此时每一位Q输出都是400HZ，如图4所示北京理工大学本科生课程设计4图46位扭环形计数器计数器一共提供了12路输出，这12路输出每相邻两路相差30度。其时序图及增量式阶梯正弦波图如图5所示。图56位扭环形计数器时序图及增量式阶梯正弦波合成原理北京理工大学本科生课程设计5要求输出的正弦波相差90，即隔开3个30。因此第一路的输出状态变量为1Q2Q3Q4Q5Q6Q,第二路4Q5Q6Q1Q2Q3Q。3.正弦加权DAC由电阻网、受数字控制的模拟开关、基准源RV三部分构成。图6A相正弦加权DAC解码网的特点每位一个电阻，称为位电阻，n位需n个电阻；取值上（电阻），按二进制整数代码权的规律取值：R02、R12、…、Rn12，例如n=8，R=15K，则位电阻依次为：K1520、K1521、…、K1527；4.二阶低通滤波器(LPF)低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。如图7(a)所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图7（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。北京理工大学本科生课程设计6(a)电路图(b)频率特性图7二阶低通滤波器电路性能参数1fuPRR1A二阶低通滤波器的通带增益。RC2π1fO截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。uPA31Q品质因数，影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。六、总体电路及仿真结果合成两相频率为400赫兹、相位差为90度、幅值为5伏的正弦波信号电路如图5所示。波形发生器可以采用频率稳定性好的石英晶体震荡电路。这里N进制计数/分频器采用六位扭环型计数器,U1～U6为6个带有异步置位、复位端的D型触发器。六位扭环型计数器共有12个状态(N=12),每两个相邻状态间在相位上相差30度。数字波形合成器仿真电路图如图8所示。北京理工大学本科生课程设计7图8数字波形合成器仿真电路图仿真结果如图9所示。图9仿真结果北京理工大学本科生课程设计8七、调试与结果分析1.滤波电路中没有合适的电阻值，采用电阻的串联完成。2.uA741芯片是有误差的，尤其是2片输出的幅值并不是严格相近，当然这和外围电路并不完全一样有一定关系。在这时可以稍微调节反馈电阻，使其增加，将输入增大一些，输出的幅值改变很明显；反复调节直到电压达到5V±0.2V。3.实验过程中，电阻值很难与理论值选用一致，只能使用大小相近的，这就导致了很多问题，其中波形失真是最为突出的一个。在调试时，最好采用最为相似的组合。八、实验心得首先，使我对每个元器件的原理及性能有了更深入的理解和认识，较好的掌握了数字波形合成器的设计、组装与调试方法，进一步掌握了其工作原理。其次，加深了我对理论知识的理解，进一步将在书本上面所学到的只是运用到实际的项目之中，做到了书本与实践的相结合。同时，进一步学习了数电知识与电子电路系统的设计方法和实验方法。最后，复习了Multisim仿真设计工具，提升了独立分析问题和解决问题的能力；为以后从事电子系统设计和开发应用打好基础。九、参考文献[1]李庆常,王美玲.数字电子技术基础[M].机械工业出版社,2013.[2]张玉璞,李庆常.电子技术课程设计[M].北京理工大学出版社,1996.[3]张玉平.通用电路模拟技术[M].机械工业出版社,1999.[4]郝鸿安.模拟集成电路应用集锦[M].上海科学技术出版社,1984.[5]王远.模拟电子技术第二版[M].机械工业出版社,1999.