基于MSP430F499的波形合成器

摘要：以MSP430F499為核心，主要由方波振蕩電路、分頻與濾波模塊、移相電路、放大電路、加法器等組成。將方波振蕩器的信號(hào)分頻濾波產(chǎn)生不同頻率的正弦波，經(jīng)移相放大等處理后，分別根據(jù)方波三角波諧波組成關(guān)系，再合成方波和三角波。濾波模塊對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行二次濾波，先用開(kāi)關(guān)電容濾波器濾波，再經(jīng)三階巴特沃斯低通濾波器濾波，降低了高次諧波對(duì)信號(hào)的影響同時(shí)保證了通帶內(nèi)信號(hào)的平坦?？赏ㄟ^(guò)按鍵進(jìn)行波形切換以及合成階數(shù)切換；人機(jī)交互靈活，界面友好，操作簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞：分頻濾波；移相；放大；合成

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)信號(hào)的要求越來(lái)越高。在某些場(chǎng)合，對(duì)于信號(hào)的頻率，相位以及失真度要求較高。高質(zhì)量信號(hào)的合成顯得具有特殊的地位。“信號(hào)系統(tǒng)”課程中，周期連續(xù)信號(hào)的分解與合成是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。加深對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及理論聯(lián)系實(shí)際的能力，實(shí)驗(yàn)是必不可少的。已知周期信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，按照傅立葉級(jí)數(shù)可以分解為無(wú)窮多個(gè)不同頻率不同振幅的正弦信號(hào)；反之，無(wú)窮多個(gè)不同頻率、不同振幅的正弦波可以合成各種周期信號(hào)。本系統(tǒng)利用一些常規(guī)的芯片設(shè)計(jì)了一系列電路，可以實(shí)現(xiàn)周期連續(xù)信號(hào)的分解與合成。本系統(tǒng)既可以幫助低年級(jí)的同學(xué)學(xué)習(xí)周期信號(hào)的分解與合成，又可以運(yùn)用于實(shí)際，信號(hào)質(zhì)量高，具有實(shí)用價(jià)值。

1 波形合成器設(shè)計(jì)方案
1．1 該系統(tǒng)的基本原理
任何周期信號(hào)只要滿足狄利克雷條件就可以分解成直流分量及許多正弦、余弦分量。這些正弦、余弦分量的頻率必定是基頻的整數(shù)倍。根據(jù)函數(shù)的對(duì)稱性與傅里葉系數(shù)的關(guān)系知，周期對(duì)稱方波信號(hào)可以用無(wú)窮個(gè)奇次諧波分量的傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)表示：


在本系統(tǒng)中只用取出前兩項(xiàng)奇次諧波，然后合成即可得到近似方波、三角波。
1．2 方波振蕩電路
采用模擬分立元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器以及FPGA都可以產(chǎn)生方波，但是采用模擬器件由于元件分散性太大，參數(shù)也與外接部件有關(guān)，外接電阻電容對(duì)參數(shù)影響太大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故本系統(tǒng)用FPGA產(chǎn)生方波。FPGA系統(tǒng)板上有晶振，可以產(chǎn)生高精度高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率。利用鎮(zhèn)相環(huán)可以輸出頻率穩(wěn)定的信號(hào)源，如果對(duì)輸出信號(hào)再進(jìn)行分頻就可以得到步進(jìn)頻率較細(xì)的頻率源。分頻的方法可以使用鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。操作方便，輸出信號(hào)穩(wěn)定性好，可以產(chǎn)生頻率為晶振的約數(shù)的任意頻率。
1．3 移相網(wǎng)絡(luò)
移相是指對(duì)于兩路同頻信號(hào)，以其中一路為參考信號(hào)，另一路信號(hào)相對(duì)于該參考信號(hào)做超前或滯后的移相形成相位差。主要有數(shù)字移相法和RC移相兩種。數(shù)字移相法通常采用延時(shí)的方法，以延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)決定兩路數(shù)字信號(hào)間的相位差。數(shù)字移相法移相量可以很大，但是在一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)較多，對(duì)AD和RAM的速度要求很高。用RC組成移相網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行移相，由于回路呈容性，信號(hào)經(jīng)過(guò)該網(wǎng)絡(luò)后，相位發(fā)生變化。由于該方案簡(jiǎn)單，很方便實(shí)現(xiàn)-45°到+45°移相，足以滿足需求，所以本系統(tǒng)采用了RC移相法。
1．4 濾波電路設(shè)計(jì)
濾波電路用八階低通橢圓開(kāi)關(guān)電容濾波器，橢圓濾波器相比其他類(lèi)型的濾波器，在階數(shù)相同的條件下有著最小的通帶和阻帶波動(dòng)。巴特沃茲濾波器的幅度函數(shù)是單調(diào)下降的，但巴特沃茲濾波器能實(shí)現(xiàn)最大平坦幅度濾波；切比雪夫低通濾波器的幅度響應(yīng)在通帶內(nèi)是在兩個(gè)值之間波動(dòng)，在通帶內(nèi)的波動(dòng)次數(shù)取決予濾波器的階數(shù)。為進(jìn)一步減小高次諧波對(duì)有用信號(hào)的影響并保證通頻帶內(nèi)最大平坦幅度濾波，在開(kāi)關(guān)電容濾波器后加上巴特沃斯低通濾波器。
1．5 五選一通道選擇
模擬開(kāi)關(guān)和繼電器都可以控制通道的選擇。模擬開(kāi)關(guān)的作用就是用在模擬信號(hào)的傳輸路徑切換電路中，開(kāi)關(guān)在電路中起接通信號(hào)和斷開(kāi)信號(hào)的作用。最常見(jiàn)的可控開(kāi)關(guān)是繼電器，當(dāng)驅(qū)動(dòng)繼電器的電路加高電平或低電平時(shí)，繼電器就吸合或釋放，其觸點(diǎn)接通或斷井電路。CMOS模擬開(kāi)關(guān)是半導(dǎo)體器件，它不像繼電器那樣可以用在大電流、大電壓的場(chǎng)合，當(dāng)輸入信號(hào)過(guò)低或者過(guò)高時(shí)，MOSFET處于反向偏量，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)(超過(guò)限制0．3 V)，開(kāi)關(guān)無(wú)法正常工作，因此模擬開(kāi)關(guān)只適用于處理幅度不超過(guò)其工作電壓、電流較小的模擬或數(shù)字信號(hào)。模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻隨輸入信號(hào)的變化而變化，對(duì)信號(hào)有一定的影響。繼電器壽命高、靈敏度高、轉(zhuǎn)換速度快、電磁干擾小，故本系統(tǒng)使用繼電器進(jìn)行通道切換。
1．6 檢波方案的設(shè)計(jì)
常見(jiàn)的檢波方法主要有兩種：峰值檢波和有效值檢波。基本的峰值檢波電路由二極管電路和電壓跟隨器組成，當(dāng)輸入電壓正半周導(dǎo)通時(shí)，檢波管導(dǎo)通，對(duì)電容充電。選擇適當(dāng)?shù)碾娙葜?，使得電容充電速度大于放電速度，這樣電容兩端的電壓可以保持在最大電壓處從而實(shí)現(xiàn)峰值檢波。峰值檢波能檢測(cè)的信號(hào)頻率范圈很寬，被檢測(cè)信號(hào)頻率低時(shí)檢波的紋波較大，且二極管是非線性元件，當(dāng)交流電壓較小時(shí)，檢測(cè)的直流電壓偏離其峰值較多。而采用有效值檢波不僅可以直接測(cè)得各種波形的真實(shí)有效值，而且測(cè)量精度高。