MSP430F499的波形合成器

网络使得信号产生确定的相位差，根据方波三角波各次谐波组成关系，把各次谐波叠加，即可得到近似方波和三角波。各次谐波信号依次经过峰值检波电路处理后送入单片机，单片机对分频滤波后的信号采样，经过一系列处理后，将峰值用LCD显示。系统框图如1所示。

3 系统硬件电路设计

3．1 整个系统中电源的去耦问题

在整个系统中会用到很多的运算放大器芯片。一般来说，运算放大器的供电电源端应连接去耦电容(对交流放大器尤其需要)，以消除信号电流通过电源内阻给电路带来的影响。运算放大器的性能不同，其去耦电容的容量也有所不同。对于低速运算放大器，一般在紧靠运放供电端与电源地之间接容量为0．1μF的电容就可以了，但是对于高速运算放大器，应当在紧靠运放的供电端与电源地之间用容量为10μF和容量为0．01μF的电容器并联连接。整个系统中所有的运算放大器都做了去耦处理，只是画图中为简单起见，省略了去耦电容。

除此之外，运算放大器的地线连接也有讲究，对于小功率运放而言，地线连接无特殊要求，但对于较大功率的运算放大器，地线连接相当重要。总的原则是地线应短而粗并且在同一点连接。本系统中数字地模拟地共存，因此设计时将所有模拟地和数字地分别连接，最后电路中的模拟地和数字地与电源地一点汇集。

3．2 滤波电路

图2、图3中两个低通滤波器都是三阶巴特沃斯低通滤波器。有源滤波器适应在低频段(<100 kHz)的滤波，当频率较低时，若用无源滤波，电容、电感的元件值及体积都会很大，大电容电感不易获得，且误差较大，而有源滤波器则可以依靠运放在低频段的诸多优势(尤其是低噪声运放)达到很好的滤波效果。10 kHz、30 kHz、50 kHz信号经八阶椭圆开关电容滤波器滤波后，10 kHz、30 kHz、50 kHz信号再分别用理论截止频率为20kHz、35 kHz、55 kHz的低通滤波器滤波，理论值与实际截止频率有一定的偏差，为防止有用信号落在通频带之外，理论截止频率没有按照严格的10kHz和30kHz。

3．3 移相电路

RC移相网络参数的计算：

要求叠加后的信号移相范围为-45°～+45°，设A信号为Asin(ωt+45°)，B信号为Bsin(ωt+45°)，叠加后的信号为
改变A和B的值就可以改变叠加后信号的相位。

只有输入信号的频率与RC网络的谐振频率相同时，才会有45°的相移，因此随着输入信号频率的变化，RC网络的谐振频率也要相应的改变。根据公式

f=1／2πRC (5)

推导可得R值，取电容C为0.1μF，当输入信号的频率为100Hz时，R=16kΩ，当频率为1kHz时，R=1.6kΩ，当频率变为10kHz时，R=160Ω。

输入的正弦信号经过RC构成的超前和滞后网络后经过运放(OPA37)构成的射极跟随器，然后通过电位器R3叠加，再经过放大电路通过一个电位器输出。电路图如图4所示。

3．4 加法器

此加法器为同相加法器，由于集成运放可视为理想运放，其输入端可视为虚短和虚开路。在同向端运用节点电流方程可求得输出：

3．5 有效值检波

有效值检波采用真有效值／直流转换芯片AD637能计算任何复杂波形的真有效值、平均值、均方值、绝对值，具有分贝输出(0～60 dB)。具有宽频带，量程在0～7 V范围内可调。

AD637内部结构包括有源整流器(即绝对值电路)，平方／除法器、滤波放大器、独立的缓冲放大器、偏置电路五部分。使用AD637在测量峰值系数高达10的信号时附加误差仅为1％，且外围元件少、频带宽。对于有效值为200 mV的信号，-3dB带宽为600kHz；对于有效值为1V的信号。-3dB带宽为8MHz。该方案硬件简单，两且精度很高，效果理想。

4 系统软件设计

软件流程图见图6，本系统选用MSP430F449单片机，主要负责对方波、三角波10k、30k、50k等各次谐波连行采样，并用LCD12864对各次谐波的峰值显示；在程序运行的过程中，可通过16x16矩阵键盘控制选择波形及阶数的切换。

5 结束语

系统实现了对三角信号、方波信号的合成。从方波信号中分频滤波获得了10kHz、30kHz、50kHz的正弦信号，信号波形比较好，无明显失真，幅度峰峰值达到要求。最终合成的方波、三角波比较好，接近方波、三角波。从总体上看，系统的性能很好。