專利名稱：信號諧波分解與合成裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種信號處理裝置，特別是一種信號諧波分解與合成裝置。
背景技術：
學生在電路、電機等專業(yè)課中學習了傅里葉函數(shù)與信號原理，知道所有信號都是由不同頻率、不同幅值的正弦信號組成的。但是學生基本上都處于一種模糊的理論狀態(tài)，并不知道基波與諧波的具體情況，缺乏對傅里葉函數(shù)的深刻認識。然而在學校的實驗室中還沒有一套具體的如何讓學生去了解信號的基波與諧波試驗的裝置。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種信號諧波分解與合成裝置，采用以方波為研究信號，裝置產(chǎn)生方波信號，然后將信號經(jīng)數(shù)值分頻、有源濾波、放大、移相、加法、減法等電路。將信號中的基波與諧波分離出來，并調(diào)節(jié)，合成特殊的波形來演示給學習者觀看，加深對信號的了解。為解決上述技術問題，本實用新型采取的技術方案是信號諧波分解與合成裝置， 方波振蕩電路連接分頻/濾波/放大電路，分頻/濾波/放大電路連接移相電路，移相電路連接加法/減法電路，加法/減法電路連接顯示電路。所述方波振蕩電路采用施密特觸發(fā)器電路。所述分頻/濾波/放大電路的分頻電路包括十分頻電路、三十分頻電路、六分頻電路，所述十分頻電路由信號輸入計數(shù)器Ul，計數(shù)器Ul連接D觸發(fā)器U2A構成，所述三十分頻電路由十分頻信號連接異或門U5A、反相器U8A后連接兩個D觸發(fā)器U2B、U3A構成，所述六分頻電路由信號輸入D觸發(fā)器U3B，D觸發(fā)器TOB連接異或門TOB、反相器U4A、D觸發(fā)器U6A、U6B組成的三分頻電路而構成。所述分頻/濾波/放大電路的濾波電路為有源四階低通電路。所述分頻/濾波/放大電路的放大電路由正弦波信號輸入放大器，放大器連接滑動變阻器構成。所述移相電路為有源RC移相電路。本實用新型信號諧波分解與合成裝置，從信號產(chǎn)生、分頻、濾波、移相到諧波合成， 直觀展現(xiàn)信號基波與諧波的產(chǎn)生和最終合成效果，讓學生對信號中諧波與基波概念更加清楚。模擬硬件電路中芯片、電阻都是可拆卸，安裝，方便更換器件。還可以通過更換相應電阻值大小可以得到不通的諧波。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明

圖1為本實用新型裝置系統(tǒng)結構框圖；圖2為本實用新型裝置方波振蕩電路圖；[0014]圖3為本實用新型裝置分頻電路圖；圖4為本實用新型裝置濾波電路圖；圖5為本實用新型裝置放大電路圖；圖6為本實用新型裝置移相電路圖；圖7為本實用新型裝置加法電路圖；圖8為本實用新型裝置減法電路圖；圖9為本實用新型裝置單片機信號處理流程圖。
具體實施方式
本實用新型信號諧波分解與合成裝置，利用CD40106施密特觸發(fā)器組成一個簡單的震蕩電路，產(chǎn)生300KHz方波信號，分頻部分由D觸發(fā)器⑶4013和6反相器⑶4069等系列芯片組成，可以將300KHz方波信號分頻為10KHZ、30KHz、50KHz。正弦信號濾波電路是由 0P37組成的二級四階低通濾波，可以將方波信號中的基波分量精確過濾出來。經(jīng)過放大衰減電路將三路正弦波峰峰值調(diào)整為6V、2V、1.2V的正弦波，后在經(jīng)過由電阻、電容、運放組成的移相電路將3個正弦波的相位精準地調(diào)至確定的角度，再經(jīng)過加法器疊加得到近似方波和三角波。正弦波通過真有效值轉換芯片AD637轉換電路，可以得到正弦波的有效值， 再送至單片機內(nèi)部A/D采樣，處理，液晶顯示，或選用示波器測量顯示。1)、方波振蕩電路，如圖2所示采用集成施密特觸發(fā)芯片⑶40106形成方波，可以同過設置電阻電容將方波頻率從幾千Hz調(diào)制1MHz，滿足我們300Khz的要求。為了產(chǎn)生能經(jīng)過分頻產(chǎn)生比較完美的IOKHz、30KHz、50KHz的方波信號。將震蕩電路頻率增設置成300KHz，在這個頻率下，經(jīng)過偶次分頻6、10、30分頻就得到了比較理想的信號。故裝置選用電路比較簡單，效果比較穩(wěn)定的施密特觸發(fā)器CD40106作為震蕩電路的核心器件。在外界電阻附=330 0、微調(diào)滑動變阻器？(^=100 0，電容Cl=O. Oluf，的調(diào)節(jié)下將輸出的方波信號調(diào)至300KHz。2)、分頻電路，如圖3所示采用計數(shù)器和D觸發(fā)器聯(lián)合分頻，并用邏輯門元件做輔助來控制占空比，選擇 741s90做計數(shù)器芯片，D觸發(fā)器選用的⑶4013，再配相應的邏輯門。選擇中，要考慮其占空比和幅值的變化。所謂分頻即將一個復合信號分成它的“子信號”，如送進一個300Khz的方波信號，可通過硬件人為的對其頻率進行倍數(shù)變換，其波型不變。因為是方波，可認為波峰為高電平，波谷為低電平，沒有中間電平的干擾，即可通過邏輯元件并結合計數(shù)器改變方波的頻率和占空比。
Δ,Α111
￡m = j ^ [smCwj^t) + - sin(3w/) + — sin(Sw1I) +......+ — Sin(^w1I) +...為奇數(shù))
π3 ‘ 5 'k“根據(jù)此公式可以算出各次諧波的值。將圖3中A輸出口的信號送到分頻電路信號輸入口中，分頻電路設計采用十進制計數(shù)器74LS90 (或74LS192)和雙上升沿D觸發(fā)器CD4013做十分頻，通過設置74LS90 (Ul) 的寄存器對送入信號計數(shù)，計數(shù)完畢后向⑶4013 (U2A)送信號觸發(fā)其工作，得到十分頻方波。[0030]三十分頻將十分頻信號用異或門CD4070 (U5A)和六反相器CD4069 (U8A)反饋的信號進行異或再送入兩個D觸發(fā)器(U2B，U3A)即可產(chǎn)生三十分頻方波，六分頻的方波信號先通過兩分頻，兩分頻可通過設置D觸發(fā)器(U3 :B)得到，在與三分頻電路(由U5B，U6A, U6B, U4A)級聯(lián)，即可得到六分頻的方波信號。3)、濾波電路，如圖4所示對于濾波電路，經(jīng)分析要得到的IOKHz、30KHz、50KHz的正弦波正好是對應頻率的方波的基波分量，可以采用四階巴特沃思低通濾波電路，設置相應的截止頻率就可以得到所需要的正弦波。濾波電路采用以0P37運算放大器的有源四階低通電路(經(jīng)典巴特沃斯低通)。因為要得到ΙΟΚΗζ、30KHz、50KHz的正弦波，而這3個頻率的正弦波恰好是與之對應頻率的方波的基波分量。所以只需要通過對電阻、電容的調(diào)節(jié)(利用公式)分別設置ΙΟΚΗζ、30KHz、 50KHz的截止頻率。就可以得到ΙΟΚΗζ、30KHz、50KHz的正弦波。下圖為30KHz正弦波的濾波電路圖，10k，20k濾波電路圖與下圖也一樣，只是電阻，電容參數(shù)略有不同。IOK 濾波電路電容 Cl、C2、C3、C4 值為 0. Oluf，電阻 Rl、R2、R3、R4 值為 1. 5kQ。30K 濾波電路電容 Cl、C2、C3、C4 值為 0. Oluf,電阻 Rl、R2、R3、R4 值為 440 Ω。50k 濾波電路電容 Cl、C2、C3、C4 值為 0. Oluf,電阻 Rl、R2、R3、R4 值為 320 Ω。4)、放大電路，如圖5所示放大電路主要是對分頻后的信號的電壓進行相應調(diào)整，使它們在滿足信號合成時的電壓賦值只要求。主要由精度較高的AD620放大器，滑動變阻器組成。電氣參數(shù)RV1、 RV2、RV3值為200Κ。原理是將3個分頻后的正弦信號送到電路INI、ΙΝ2、ΙΝ3輸入口。通過對滑動變阻器的調(diào)整，使輸出的3個信號電壓比值呈現(xiàn)一定比例關系。5)、移相電路，如圖6所示本實用新型信號合成是由移相電路和加法器構成，其中移相電路的方案為直接對模擬信號進行移相，即采用有源RC移相電路(0Ρ系列運放)，這種電路簡潔，易操作。移相電路采用有源RC移相電路。選用0Ρ07運放為核心器件，再確定合理電容值后，通過調(diào)接電滑動變阻器Ρ0Τ1、Ρ0Τ2、Ρ0Τ3的阻值就可以實現(xiàn)(Tl80度的范圍相位調(diào)節(jié)， 并且信號的輸出幅值衰減非常微小。電氣元件參數(shù)電阻Rl、R2、R3值都為10Κ，電容Cl、 C2、C3值都為102 (IOOOpf )，滑動變阻其POTl、P0T2、P0T3為IOK滑動變阻器。6)、加法電路，如圖7所示加法器是以0Ρ37運算放大器為核心，電阻R1、R2、R3、R4、R5阻值分別為10k、10k、 10k、4k、10k。7)、減法電路，如圖8所示三角波合成用到減法器。減法器工作原理是將基波加上5次諧波再減去3次諧波， 電氣參數(shù)電阻1 1、1 2、1 3、1 4阻值分別為1(^、1(^、1(^、51^電壓比為1 1/9 1/25。具體控制程序框圖如圖9所示設計制作一個能對各個正弦信號的幅值進行測量和數(shù)字顯示的電路。本裝置采用ATmegaie單片機和YXD的液晶，先將外部正弦信號經(jīng)真有效值轉換再利用單片機內(nèi)部A/D采樣、轉換，將轉換的結果送入液晶顯示，也可選擇用示波器顯不。經(jīng)方波振蕩器，產(chǎn)生方波頻率為297KHZ ；[0049]經(jīng)分頻濾波電路和顯示電路產(chǎn)生的正弦波的測量值如下圖
權利要求1.信號諧波分解與合成裝置，其特征在于方波振蕩電路連接分頻/濾波/放大電路， 分頻/濾波/放大電路連接移相電路，移相電路連接加法/減法電路，加法/減法電路連接顯不電路。
2.根據(jù)權利要求1所述信號諧波分解與合成裝置，其特征在于所述方波振蕩電路采用施密特觸發(fā)器電路。
3.根據(jù)權利要求1所述信號諧波分解與合成裝置，其特征在于所述分頻/濾波/放大電路的分頻電路包括十分頻電路、三十分頻電路、六分頻電路，所述十分頻電路由信號輸入計數(shù)器U1，計數(shù)器Ul連接D觸發(fā)器U2A構成，所述三十分頻電路由十分頻信號連接異或門U5A、反相器U8A后連接兩個D觸發(fā)器 UW、U3A 構成，所述六分頻電路由信號輸入D觸發(fā)器U3B，D觸發(fā)器TOB連接異或門TOB、反相器U4A、 D觸發(fā)器U6A、U6B組成的三分頻電路而構成。
4.根據(jù)權利要求1或3所述信號諧波分解與合成裝置，其特征在于所述分頻/濾波/ 放大電路的濾波電路為有源四階低通電路。
5.根據(jù)權利要求1或3所述信號諧波分解與合成裝置，其特征在于所述分頻/濾波/ 放大電路的放大電路由正弦波信號輸入放大器，放大器連接滑動變阻器構成。
6.根據(jù)權利要求1所述信號諧波分解與合成裝置，其特征在于所述移相電路為有源 RC移相電路。
專利摘要信號諧波分解與合成裝置，方波振蕩電路連接分頻/濾波/放大電路，分頻/濾波/放大電路連接移相電路，移相電路連接加法/減法電路，加法/減法電路連接顯示電路。本實用新型信號諧波分解與合成裝置，從信號產(chǎn)生、分頻、濾波、移相到諧波合成，直觀展現(xiàn)信號基波與諧波的產(chǎn)生和最終合成效果，讓學生對信號中諧波與基波概念更加清楚。模擬硬件電路中芯片、電阻都是可拆卸，安裝，方便更換器件。還可以通過更換相應電阻值大小可以得到不通的諧波。
文檔編號H03K23/66GK202094872SQ20112020444
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權日2011年6月17日
發(fā)明者劉林, 徐浩, 黃穎 申請人:徐浩