MSP430F499的波形合成器

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3．1 整個(gè)系統(tǒng)中電源的去耦問題

在整個(gè)系統(tǒng)中會用到很多的運(yùn)算放大器芯片。一般來說，運(yùn)算放大器的供電電源端應(yīng)連接去耦電容(對交流放大器尤其需要)，以消除信號電流通過電源內(nèi)阻給電路帶來的影響。運(yùn)算放大器的性能不同，其去耦電容的容量也有所不同。對于低速運(yùn)算放大器，一般在緊靠運(yùn)放供電端與電源地之間接容量為0．1μF的電容就可以了，但是對于高速運(yùn)算放大器，應(yīng)當(dāng)在緊靠運(yùn)放的供電端與電源地之間用容量為10μF和容量為0．01μF的電容器并聯(lián)連接。整個(gè)系統(tǒng)中所有的運(yùn)算放大器都做了去耦處理，只是畫圖中為簡單起見，省略了去耦電容。

除此之外，運(yùn)算放大器的地線連接也有講究，對于小功率運(yùn)放而言，地線連接無特殊要求，但對于較大功率的運(yùn)算放大器，地線連接相當(dāng)重要。總的原則是地線應(yīng)短而粗并且在同一點(diǎn)連接。本系統(tǒng)中數(shù)字地模擬地共存，因此設(shè)計(jì)時(shí)將所有模擬地和數(shù)字地分別連接，最后電路中的模擬地和數(shù)字地與電源地一點(diǎn)匯集。

3．2 濾波電路

圖2、圖3中兩個(gè)低通濾波器都是三階巴特沃斯低通濾波器。有源濾波器適應(yīng)在低頻段(100 kHz)的濾波，當(dāng)頻率較低時(shí)，若用無源濾波，電容、電感的元件值及體積都會很大，大電容電感不易獲得，且誤差較大，而有源濾波器則可以依靠運(yùn)放在低頻段的諸多優(yōu)勢(尤其是低噪聲運(yùn)放)達(dá)到很好的濾波效果。10 kHz、30 kHz、50 kHz信號經(jīng)八階橢圓開關(guān)電容濾波器濾波后，10 kHz、30 kHz、50 kHz信號再分別用理論截止頻率為20kHz、35 kHz、55 kHz的低通濾波器濾波，理論值與實(shí)際截止頻率有一定的偏差，為防止有用信號落在通頻帶之外，理論截止頻率沒有按照嚴(yán)格的10kHz和30kHz。

3．3 移相電路

RC移相網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的計(jì)算：

要求疊加后的信號移相范圍為-45°～+45°，設(shè)A信號為Asin(ωt+45°)，B信號為Bsin(ωt+45°)，疊加后的信號為
改變A和B的值就可以改變疊加后信號的相位。

只有輸入信號的頻率與RC網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率相同時(shí)，才會有45°的相移，因此隨著輸入信號頻率的變化，RC網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率也要相應(yīng)的改變。根據(jù)公式

f=1／2πRC (5)

推導(dǎo)可得R值，取電容C為0.1μF，當(dāng)輸入信號的頻率為100Hz時(shí)，R=16kΩ，當(dāng)頻率為1kHz時(shí)，R=1.6kΩ，當(dāng)頻率變?yōu)?0kHz時(shí)，R=160Ω。

輸入的正弦信號經(jīng)過RC構(gòu)成的超前和滯后網(wǎng)絡(luò)后經(jīng)過運(yùn)放(OPA37)構(gòu)成的射極跟隨器，然后通過電位器R3疊加，再經(jīng)過放大電路通過一個(gè)電位器輸出。電路圖如圖4所示。

3．4 加法器

此加法器為同相加法器，由于集成運(yùn)放可視為理想運(yùn)放，其輸入端可視為虛短和虛開路。在同向端運(yùn)用節(jié)點(diǎn)電流方程可求得輸出：

3．5 有效值檢波

有效值檢波采用真有效值／直流轉(zhuǎn)換芯片AD637能計(jì)算任何復(fù)雜波形的真有效值、平均值、均方值、絕對值，具有分貝輸出(0～60 dB)。具有寬頻帶，量程在0～7 V范圍內(nèi)可調(diào)。

AD637內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括有源整流器(即絕對值電路)，平方／除法器、濾波放大器、獨(dú)立的緩沖放大器、偏置電路五部分。使用AD637在測量峰值系數(shù)高達(dá)10的信號時(shí)附加誤差僅為1％，且外圍元件少、頻帶寬。對于有效值為200 mV的信號，-3dB帶寬為600kHz；對于有效值為1V的信號。-3dB帶寬為8MHz。該方案硬件簡單，兩且精度很高，效果理想。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖見圖6，本系統(tǒng)選用MSP430F449單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)對方波、三角波10k、30k、50k等各次諧波連行采樣，并用LCD12864對各次諧波的峰值顯示；在程序運(yùn)行的過程中，可通過16x16矩陣鍵盤控制選擇波形及階數(shù)的切換。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對三角信號、方波信號的合成。從方波信號中分頻濾波獲得了10kHz、30kHz、50kHz的正弦信號，信號波形比較好，無明顯失真，幅度峰峰值達(dá)到要求。最終合成的方波、三角波比較好，接近方波、三角波。從總體上看，系統(tǒng)的性能很好。