一.系统设计

1.1 设计要求

设计制作一个X-Y信号产生与图形显示装置，示意图如图1所示。图中示波器工作在X-Y方式；外加正弦信号的频率为100KHz左右，电压峰峰值为2V。

基本要求:

（1） 设计并制作一组移相分别为45°、90°、180°的移相电路，完成对外加正弦信号的移相，作为示波器Y轴信号。要求移相电路的增益为1，增益误差不大于5%，移相误差不大于5°。

（2） 直接使用外加信号作为X轴信号（见图1的A信号），示波器用X-Y显示方式，分别显示移相为0°、45°、90°、180°的图形。

（3） 设计并制作一个2分频电路，完成对外加正弦信号的2分频，作为X轴信号（见图1的B信号）。要求分频输出为正弦信号，电压峰峰值为2V，波形无明显失真，示波器显示的X-Y图形正确。

扩展要求:

（1） 能在单片机的控制下实现0°、45°、90°、180°和二分频的自动循环显示，能在示波器上正确显示以下五种情况下X-Y图形，循环周期大约为10秒。

（2） 其他。

1.2方案论证

二分频电路方案分析：

本方案采用数字电路和模拟电路相结合的方法，先将100KHz的正弦波信号通过比较器LM311转换成方波信号，接着用D触发器将100KHz方波信号分频成50KHz，最后通过四阶低通滤波器还原成成正弦波，在滤波的过程中会对信号造成相位偏移，因此在四阶低通滤波器后面加入了一个移相器来校准相位的偏移，最终精准实现了模拟信号的二分频。该方案缺点是电路复杂，但是分频精度高。100KHz正弦信号和其二分频信号通过CD4066四传输门，由单片机控制选择输出到示波器X轴输入口。

移相电路：

0°移相电路直接将信号源接入即可，45°移相使用一阶移相电路构成，90°移相使用积分器，180°由信号源通过反相器直接实现。本方案在原有电路的基础上拓展了135°的移相，即将45°的输出经过一个反相器后可以得到135°移相， 0°、45°、90°、135°和180°通过CD4051八选一模拟开关由单片机控制选择输出到示波器的Y轴输入口。

单片机选择控制电路：

本方案采用AT89C51单片机，搭建单片机最小系统，实现对移相电路的选择控制。使用中断的方式实现0°、45°、90°、180°、135°和二分频的自动循环显示，每一个图像显示显示2秒钟，一个循环周期为12秒。

二.单元电路设计

2.1二分频电路

100KHZ正弦波信号经过比较器LM311进行过零比较变成100KHZ的方波，LM311的响应时间大概280ns左右，而信号周期为10us，因此LM311能满足要求。接着经由D触发器分频成50KHZ方波，74HC74响应时间约为15ns，远小于信号周期，完全能够完成分频。

方波分频后要将信号还原成正弦信号，这由四阶低通滤波网络来实现，本方案中四阶滤波网络由两个二阶低通网络组成，其中第二个二阶低通滤波器中R4是可调电阻，用于调节分频信号的幅度。滤波器之后是一个移相器，用于消除滤波器网络造成的相位偏移，使分频信号和信号源同相。

2.2移相电路组

上图可以实现将信号源进行45度和90度的相移，设输出电压为Uo，输入电压为Ui，根据电路可以得到：

其中R11=R10=2K,

所以

180度相移和135度相移分别由信号源和45度相移信号简单地反相即可得到。其中R12=R13=2K，所以相移后的幅度不变。

2.3信号选择电路

X轴信号选择电路

Y轴信号选择电路

三.电路仿真

四阶低通滤波器

移相器电路（90度）

四.系统测试

实测波形如下表所示：

五.总结

在二分频电路中，信号经过滤波器时没有考虑到前面的方波信号中是带有直流分量，我们原来考虑的是使用四阶低通滤波器，结果经过滤波后发现有直流分量，对李沙育图形造成了偏移。原有电路已经焊好了，因此我们在滤波器后面加入了一阶无源高通网络滤除直流分量，然后再经过移相器修正相位偏差。

移相电路组，在测试移相电路组输出时发现用反相器做的180°移相电路并不准确，其李沙育图形不是一条直线而是一个细长的椭圆，于是将180°移相电路改成两个90°串联，实现了精确移相。移相电路组还存在着幅度降低的现象，我们在原有电路的基础上，将负反馈电阻改为可调电阻修正了幅度上的误差。

在这次设计中，在硬件焊接之前我们对整个电路都在电脑上进行过了仿真，仿真可行了以后才开始焊接。但是在一些方面还是没有考虑周全，在以后的设计中应该注意，比如滤波器的设计，如果我们一开始考虑的是使用四阶高通滤波器的话，就既能够将方波还原成正弦波又能够将直流分量滤除。还有移相电路方面，由于没有考虑到仿真与实际电路存在误差，出现了相位误差和幅度误差。

附录：

1.±12dB音调控制电路的仿真

2. AD590温度传感器的信号调理电路的仿真