x-y信号产生与图形显示。
摘要：本作品主要由移相电路模块、分频模块、带通滤波模块、单片机控制模块组成，其中移相电路模块主要通过单片机msp430控制模拟开关实现了移相步进可调；分频模块采用模拟电路和数字电路结合的方式实现了1mhz正弦波的二分频。运放主要运用ti公司的opa2350，其高速轨至轨的特点使得同样功效的电路所需电源电压更小。
分频电路使用ti公司cd74hct74，级联lm311、带通滤波电路实现信号的二分频。该系统设计体积小，性价比较高。
关键字：移相分频滤波模拟开关 msp430
一、系统方案设计。
1-1、移相方案比较。
方案一：同步信号、正弦信号通过过零比较器变为相位与周期一致的同步方波，上升沿与下降沿检测电路检测出同步方波的上升沿与下降沿，产生的两个尖脉冲分别对应同步信号正负半周的触发信号。采用该触发信号启动计数器进行减法计数，a/d转换输出值置为计数器的初值，当减法计数器为0时产生移相后的尖脉冲，减法器的启动和停止脉冲之间的相位差，即对应于脉冲群与正弦波之间的相位差，此方案电路复杂，并且短时间内难以实现。
方案二：由r-c串联电路构成移相电路，此电路相位差最大只有90°，而且电阻的选择非常重要，当电阻选择相对较小时，会出现较大的误差，即相位差小于90°或者几乎没有相位差。
方案三：用高速运算放大器opa2350组成移相电路，opa2350是一种低噪声、高速轨至轨运算放大器，带宽可达38mhz，可处理较高频率的信号。
方案三组成的移相电路具有电路简单、工作可靠、成本低、波形好、适应性强的特点，可处理较高频率的信号，根据题目要求选用此方案。
1-2、分频方案比较。
方案一：用lm311将正弦波变为同频率方波，再采用74ls90进行分频，74ls90不仅能计数，还能用于分频，其分频计数功能采用反馈清零法，但得到的方波波形占空比并不为50%，存在较大误差。
方案二：用lm311将正弦波变为同频率方波，再级联d类上升沿触发器cd74hct74进行分频，cd74hct74不仅能二分频，还能对波形整形，使方波的占空比为50%。
方案二外围电路简单，可得到精准的分频信号，且成本低，因此选用此方案。
1-3、滤波方案比较。
方案一：用无源元件(r、l 和c)组成带通滤波电路，此方法虽然成本低，但通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，系统不稳定，效果较差。
方案二：运用rc及运放搭建二阶巴特沃斯带通滤波器，集成度高，反应动作迅速，多级级联时相互影响较小，且幅频响应在通带中具有最大平坦度。
方案二的有源滤波器比无源滤波器设计更为灵活，且具有良好的隔离性能，系统稳定，体积小，因此选用此方案。
1-4、程控移相方案比较。
方案一：采用变容二极管搭建rc有源移相电路，可通过dac产生的电压来改变其电容值，实现程控移相，但此方案计算复杂，调试较难，短时间内难于达到预期效果。
方案二：采用电阻网络搭建rc有源移相电路，可通过单片机控制模拟开关cd4051来改变接入的电阻值，进而改变相位差，实现程控移相。
方案二原理简单，调试容易，且成本较低，故采用此方案。
二、理论分析与计算。
2-1移相电路相关数值选取的分析。
对于移相电路的原理图如图1所示：
图1 移相原理图。
其传递函数推导如下：
实际中选取，所以，其辐頻特性，相頻特性。
对于1m的正弦波，本设计选取c=82pf，通过计算当移相为时；移相时；当移相时，；当移相时，电路采用反相比例放大器。
2-2电路稳定性分析。
1）由于电源本身并不是绝对直流，里面含有纹波与高频噪声，因而需要在电源输入端对电源进行滤纹波。本实验设计采用在电源输入端并联一个大电容（电解电容10uf）和一个小电容（陶瓷电容0.1uf）组合的方法，大电容虑低频，小电容率高频，可有效的滤掉电源的纹波与噪声。
2）为了减少电路中的干扰，在pcb板上焊接电路时，总的连线尽可能的选短，相同电路尽可能的采取了对称布局。同时在设计电路时，运用了阻抗匹配，磁珠等抗干扰措施，提高了电路的精度与稳定性，并尽量使用贴片原件以减小走线长度来减小寄生电容的影响。
3）模拟电路单元与数字电路单元电源要分开，模拟地与数字地一点相连。
三、系统设计。
3-1、系统框图。
本系统主要由移相模块、分频模块、滤波模块、单片机控制模块组成，其系统框图如图2所示：
图2 系统框图。
3-2、主要硬件设计。
1）移相电路设计。
采用rc与运算放大器opa2350组成有源移相网络，当改变电路r或c的参数时，相位差会发生改变，电路原理图如图3：
图3 移相电路。
2）分频电路设计。
1mhz的正弦信号通过模拟比较器lm311产生1mhz的方波，再通过d类上升沿触发器cd74hct74进行二分频，产生500khz的方波，占空比为50%，模拟电路如图4：
图4 分频电路。
3）滤波电路设计。
500khz方波产生500khz正弦波时，采用的是巴特沃斯带通滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，虽然在阻频带内缓慢下降为零，但可以通过增加滤波器的阶数来加快阻带内的衰减。经过滤波器设计软件filter solutions和**软件multisim**，二阶时就可以达到要求，电路图如图5：
主要计算公式为；
当时，时，q=,图5 巴特沃斯带通滤波器。
4）程控移相电路设计。
采用有源移相电路，通过单片机控制模拟开关cd4051改变接入的电阻值，进而改变相位差，实现0-的移相。45～90°的移相、90～的移相、135～180°的移相，可通过单片机控制 cd4052使0-的移相电路分别与、90°、的移相电路级联来实现题目要求。
四、软件设计。
本实验应用msp430g2553实现对模拟开关的控制，控制程序较为简单，其流程图如下：
五、测试方案与测试结果。
5-1测试仪器。
1）agilent technologies mso-x 3054a 500mhz；
2）uni-t ut803；
3) dc power supply df1731sc2a。
5-2测试方法。
1）频率为1mhz，峰峰值为2v的正弦信号分别通入°的移相电路，输出作为y轴信号，用示波器观察峰峰值及相位差。
2）直接使用外加信号作为x轴信号，移相电路作为y轴信号，观察示波器显示的x-y图形。
3）频率为1mhz，峰峰值为2v的正弦信号通过2分频电路，作为x轴信号，观察分频输出信号频率，电压峰峰值，波形有无明显失真；再用示波器显示x-y图形。
4）频率为1mhz，峰峰值为2v的正弦信号通入程控移相电路，msp430控制移相（0--）用示波器观察相位差及峰峰值，记录数据。
5）利用要求（1）中的移相电路组和要求（4）中的程控移相电路，组合成一个移相范围为0～180°的移相电路，用示波器观察移相误差，记录数据，并能结合a和b两种x轴信号，在示波器上显示对应的x-y图形，看x-y图形是否正确。
6）测试在msp430的控制能否完成0～180°的自动循环移相，并能结合a和b两种x轴信号，在示波器上动态地显示x-y图形。看x-y图形显示是否正确，5-3测试结果。
输出移相及峰峰值（1mhz、为2v的正弦波）
2）直接使用外加信号作为x轴信号，移相电路作为y轴信号，x-y图形见附录一。
3）频率为1mhz，峰峰值为2v的正弦信号通过2分频电路，输出信号频率为500khz，峰峰值为2.01v的正弦波，波形无失真。
4）输入1mhz，峰峰值为2v的正弦波，步进，记录输出相位差及。
0--）测试数据表1
由数据可知，移相误差在4以内，增益误差均在3%以内。
545-180）测试数据表2
由表1和表2可知，步进设置为6.4，实测移相误差均在3.6以内，达到题目要求，且x-y图形显示正确。
6）测试在msp430的控制能完成0～180°的自动循环移相，结合a和b两种x轴信号，x-y图形显示正确。
5-5 误差分析。
1）由于仪器显示存在一定误差，并受周围环境，如温度、磁场等一些自然因素的影响，测试数据难以达到理想值，但可以通过多次测量来降低误差。
2）整个电路系统由于手工制作完成，无法实现严格的阻抗匹配，布线不能完全避免线路之间以及外界磁场的干扰，干扰抑制还达不到理想程度。
六、结论。6-1该系统满足了题目的所有要求，并有一定程度的提高。本设计多使用贴片元件、集成芯片，使系统体积大大减小并降低了成本，性价比较高。
6-2 作品改进。
1）本系统设计可以增加lcd显示，显示电路的相关数据，实现人机交互。
2）由于手工布局电路受限，时间有限，来不及制板，如果采用pcb印制电路板，可以减小连线引起的干扰，同时增加系统的精度与稳定性。
附录。一、系统部分电路图。
图6 2分频电路。
图7 2分频电路效果图。
原信号与0移相电路的x-y图形原信号与45移相电路的x-y图形。
原信号与90移相电路的x-y图形原信号与180移相电路的x-y图形。
二分频信号与0移相电路的x-y图形二分频信号与45移相电路的x-y图形。
二分频信号与90移相电路的x-y图形二分频信号与180移相电路的x-y图形。
附录。二、参考文献。
1】 全国大学生电子设计竞赛训练教程（修订版） ，黄智伟主编电子工业出版社，2010
2】msp430系列单片机系统工程设计与实践，谢楷赵健编著机械工业出版社，2011
3】电子创新设计与实践（第2版），王松武主编国防工业出版社，2010
4】模拟电子电路及技术基础（第二版），孙肖子主编西安电子科技大学出版社，2008
5】电子设计指南孙肖子等编高等教育出版社，2006。
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