MSP430F499的波形合成器

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，對信號的要求越來(lái)越高。在某些場(chǎng)合，對于信號的頻率，相位以及失真度要求較高。高質(zhì)量信號的合成顯得具有特殊的地位。“信號系統”課程中，周期連續信號的分解與合成是學(xué)習的難點(diǎn)。加深對理論知識的理解，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)驗是必不可少的。已知周期信號的數學(xué)表達式，按照傅立葉級數可以分解為無(wú)窮多個(gè)不同頻率不同振幅的正弦信號；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。本系統利用一些常規的芯片設計了一系列電路，可以實(shí)現周期連續信號的分解與合成。本系統既可以幫助低年級的同學(xué)學(xué)習周期信號的分解與合成，又可以運用于實(shí)際，信號質(zhì)量高，具有實(shí)用價(jià)值。

1 波形合成器設計方案

1．1 該系統的基本原理

任何周期信號只要滿(mǎn)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倍。根據函數的對稱(chēng)性與傅里葉系數的關(guān)系知，周期對稱(chēng)方波信號可以用無(wú)窮個(gè)奇次諧波分量的傅里葉級數來(lái)表示：

在本系統中只用取出前兩項奇次諧波，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，參數也與外接部件有關(guān)，外接電阻電容對參數影響太大，影響系統的穩定性，故本系統用FPGA產(chǎn)生方波。FPGA系統板上有晶振，可以產(chǎn)生高精度高穩定度的基準頻率。利用鎮相環(huán)可以輸出頻率穩定的信號源，如果對輸出信號再進(jìn)行分頻就可以得到步進(jìn)頻率較細的頻率源。分頻的方法可以使用鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現。操作方便，輸出信號穩定性好，可以產(chǎn)生頻率為晶振的約數的任意頻率。

1．3 移相網(wǎng)絡(luò )

移相是指對于兩路同頻信號，以其中一路為參考信號，另一路信號相對于該參考信號做超前或滯后的移相形成相位差。主要有數字移相法和RC移相兩種。數字移相法通常采用延時(shí)的方法，以延時(shí)的長(cháng)短來(lái)決定兩路數字信號間的相位差。數字移相法移相量可以很大，但是在一個(gè)周期內采樣點(diǎn)數較多，對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-45°到+45°移相，足以滿(mǎn)足需求，所以本系統采用了RC移相法。

1．4 濾波電路設計

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，在階數相同的條件下有著(zhù)最小的通帶和阻帶波動(dòng)。巴特沃茲濾波器的幅度函數是單調下降的，但巴特沃茲濾波器能實(shí)現最大平坦幅度濾波；切比雪夫低通濾波器的幅度響應在通帶內是在兩個(gè)值之間波動(dòng)，在通帶內的波動(dòng)次數取決予濾波器的階數。為進(jìn)一步減小高次諧波對有用信號的影響并保證通頻帶內最大平坦幅度濾波，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的傳輸路徑切換電路中，開(kāi)關(guān)在電路中起接通信號和斷開(kāi)信號的作用。最常見(jiàn)的可控開(kāi)關(guān)是繼電器，當驅動(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，當輸入信號過(guò)低或者過(guò)高時(shí)，MOSFET處于反向偏量，當電壓達到一定值時(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字信號。模擬開(kāi)關(guān)的導通電阻隨輸入信號的變化而變化，對信號有一定的影響。繼電器壽命高、靈敏度高、轉換速度快、電磁干擾小，故本系統使用繼電器進(jìn)行通道切換。

1．6 檢波方案的設計

常見(jiàn)的檢波方法主要有兩種：峰值檢波和有效值檢波?；镜姆逯禉z波電路由二極管電路和電壓跟隨器組成，當輸入電壓正半周導通時(shí)，檢波管導通，對電容充電。選擇適當的電容值，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)現峰值檢波。峰值檢波能檢測的信號頻率范圈很寬，被檢測信號頻率低時(shí)檢波的紋波較大，且二極管是非線(xiàn)性元件，當交流電壓較小時(shí)，檢測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得各種波形的真實(shí)有效值，而且測量精度高。

2 系統整體方案設計

本系統用FPGA產(chǎn)生方波，分頻后用八階橢圓低通開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX297初步濾波，然后用三階低通巴特沃斯濾波器進(jìn)一步濾波。分頻濾波后即可得到10 kHz、30 kHz、50 kHz的正弦波?？赏ㄟ^(guò)按鍵選擇波形和合成階數。通過(guò)RC移相網(wǎng)絡(luò )使得信號產(chǎn)生確定的相位差，根據方波三角波各次諧波組成關(guān)系，把各次諧波疊加，即可得到近似方波和三角波。各次諧波信號依次經(jīng)過(guò)峰值檢波電路處理后送入單片機，單片機對分頻濾波后的信號采樣，經(jīng)過(guò)一系列處理后，將峰值用LCD顯示。系統框圖如1所示。