低頻三相正弦信號發(fā)生器畢業(yè)設計論文.doc

2012年“迅通杯”海南省大學生電子設計競賽試題 參賽注意事項（1）2010年11月5日8:00競賽正式開始。本科組參賽隊只能在【本科組】題目中任選一題；高職高專組參賽隊在【高職高專組】題目中任選一題，也可以選擇【本科組】題目。（2）參賽隊認真填寫登記表內(nèi)容，填寫好的登記表交賽場巡視員暫時保存。（3）參賽者必須是有正式學籍的全日制在校本、專科學生，應出示能夠證明參賽者學生身份的有效證件（如學生證）隨時備查。（4）每隊嚴格限制3人，開賽后不得中途更換隊員。（5）參賽隊必須在學校指定的競賽場地內(nèi)進行獨立設計和制作，不得以任何方式與他人交流，包括教師在內(nèi)的非參賽隊員必須迴避，對違紀參賽隊取消評審資格。（6）2010年11月7日20:00競賽結(jié)束，上交設計報告、制作實物及登記表，由專人封存。低頻三相正弦信號發(fā)生器（C題）一、任務設計制作一個低頻三相正弦信號發(fā)生器，能產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的三相正弦波，并具有數(shù)字顯示頻率、相位和電壓的功能。二、要求1、基本要求（1）三相正弦波輸出頻率范圍：10Hz100Hz，相位差120； （2）具有單相移相功能，移相步進：1； （3）具有頻率設置功能，頻率步進：1Hz； （4）輸出信號頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-4；（5） 輸出電壓幅度：在負載電阻上的電壓峰-峰值Vopp3V；（6） 失真度：用示波器觀察時無明顯失真。（7） 數(shù)字顯示預置的頻率、相位差。 2、發(fā)揮部分在完成基本要求任務的基礎上，增加如下功能：（1）增加輸出電壓幅度可調(diào)功能，實現(xiàn)雙極性電壓輸出；（2）增加電壓峰峰值、有效值顯示功能；（3）增加改變相序功能；（4）設計TFT液晶顯示屏，實現(xiàn)輸出波形顯示；（5）其他。三、說明1、不能使用微機虛擬儀器系統(tǒng)，可使用集成電路、嵌入式板、單片機等最小系統(tǒng)。2、設計報告正文應包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原理圖、主要流程圖和主要的測試結(jié)果。完整的電路原理圖、重要的源程序和完整的測試結(jié)果可用附件給出。四、評分標準項目滿分設計報告系統(tǒng)方案3理論分析與計算8電路與程序設計8測試方案與測試結(jié)果 8設計報告結(jié)構及規(guī)范性3總分30基本要求完成第（1）項10完成第（2）項8完成第（3）項8完成第（4）項5完成第（5）項6完成第（6）項5完成第（7）項8總分50發(fā)揮部分完成第（1）項12完成第（2）項10完成第（3）項8完成第（4）項15其他5總分50低頻三相正弦信號發(fā)生器摘要：函數(shù)信號發(fā)生器是電子設計以及教學、科研中應用最廣泛的儀器之一。如果能用相對簡單的實現(xiàn)方式和較少的成本產(chǎn)生具有優(yōu)秀穩(wěn)定度和精確度的常用波形，無疑將會在這些領域中得到廣泛的應用。本系統(tǒng)基于AT89S52單片機控制DDS系統(tǒng)產(chǎn)生正弦波形和矩形波，組成低頻函數(shù)信號發(fā)生器。通過鍵盤控制達到電壓預置、頻率預置和占空比預置等功能，電壓值、頻率值和占空比都可用LCD12864顯示，實現(xiàn)友好的人機界面。關鍵字：單片機 DDS系統(tǒng) 函數(shù)信號 LCD一、題目理解與分析題目要求設計并制作一臺低頻三相函數(shù)信號發(fā)生器，通過分析和理解，把題目功能要求及指標要求以下表格形式列出。序號功能要求指標要求1完成一路正弦波信號輸出頻率范圍20Hz20kHz，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-5，用示波器觀察無明顯失真2能夠頻率設置和頻率步進頻率步進10Hz3能夠輸出電壓幅度在10k負載電阻上的電壓峰-峰值Vopp20V4數(shù)字顯示正弦波的電壓有效值、頻率等電壓有效值精度5%，頻率精度0.1%5正弦波輸出信號擴展到三相輸出波形無明顯失真，頻率可調(diào)范圍擴展到1Hz30kHz，頻率步進1Hz6在頻率范圍1Hz30kHz內(nèi)，任兩相間的相位差在0359范圍內(nèi)可任意預置相位差步進17在1Hz30kHz頻率范圍內(nèi)，增加方波輸出信號，頻率可任意預置頻率步進2Hz，頻率精度0.05%8矩形波信號的占空比可以預置占空比步進1/360，并且當占空比為1/4時，誤差2/3609能輸出載波頻率約為10kHz的調(diào)頻信號輸出調(diào)制信號頻率在100Hz1kHz范圍內(nèi)可變，觀察載波信號無明顯失真二、系統(tǒng)方案設計方案一：采用單片機控制由單片機、D/A轉(zhuǎn)換器及波形數(shù)據(jù)存儲器等組成系統(tǒng)，單片機控制正弦波波形的合成、相位的改變，以及所有的邏輯和時序控制等工作。此方案除了要求單片機完成基本的處理分析以外，還需要完成信號波數(shù)據(jù)的存儲、按鍵的處理、信號顯示等控制與變換工作。其優(yōu)點在于系統(tǒng)規(guī)模小，有較大的靈活性，但單片機內(nèi)部資源和處理速度不容易滿足要求。系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。波形輸出單片機正弦波發(fā)生器/濾波正弦波形移位幅值放大模塊電壓有效值/頻率顯示DA0832控制模塊方波鍵盤/顯示模塊圖2.1 單片機 控制系統(tǒng)框圖方案二：基于IP核技術的FPGA 移相波形輸出由帶有IP核的FPGA來完成采集、存儲、顯示及D/A轉(zhuǎn)換等功能，由IP核實現(xiàn)人機交互及信號輸出分析等功能。FPGA內(nèi)部可以容納上百萬個晶體管，其單片邏輯門數(shù)已達到上百萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。這種方案的優(yōu)點在于系統(tǒng)高度集成、結(jié)構緊湊、操作方便；缺點是調(diào)試過程繁瑣、難度大，難以在短時間內(nèi)完成系統(tǒng)設計。系統(tǒng)框圖如圖2.2所示。FPGADDS系統(tǒng)正弦波形移位幅值放大模塊電壓有效值/頻率顯示方波鍵盤/顯示模塊圖2.2 FPGA 控制系統(tǒng)框圖綜合分析以上兩種方案，并結(jié)合實際，采用方案一來完成低頻三相函數(shù)發(fā)生器的制作。三、模塊方案設計3.1 單片機的選擇方案一：采用凌陽系列單片機凌陽系列單片機指令系統(tǒng)的指令格式緊湊，執(zhí)行迅速，并且其指令結(jié)構提供了對高級語言的支持。低功耗，低損耗。另外，它的工作電壓范圍大，能在低電壓供電時正常工作。采用32MHz的外部晶振，能滿足題目要求，但是操作處理比較慢且價格較貴。方案二：采用51系列單片機MCS-51系列單片機，具有的集成度高、處理功能強、可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構簡單、價格低廉等優(yōu)點。采用AT89S52單片機，外接12MHz晶振，勉強能夠滿足題目要求，但是它的缺點是處理速度較慢。綜合比較，考慮成本及功能采用方案二。3.2 正弦波發(fā)生器的設計方案方案一：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成法直接合成利用混頻器、倍頻器、分頻器和帶通濾波器完成對頻率的算術運算。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導致直接頻率合成器的結(jié)構復雜，體積龐大，成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達到較高的頻譜精度。方案二：采用直接數(shù)字式頻率合成(簡稱DDS)用隨機讀/寫存儲器RAM存儲所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求，以頻率控制字K為步進對相對增量進行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存放在存儲器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和幅度控制，再濾波即可得到所需波形。由于DDS具有相對帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時間極短，頻率分辨率高等優(yōu)點，以及輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控，因此可以完成題目要求。綜合比較選擇方案二。另外。DDS系統(tǒng)板中已含有四階巴特沃斯低通濾波電路，不需另外再設計濾波電路。3.3 電源設計方案 本系統(tǒng)需要多個電源，DDS模塊和單片機的工作電壓為5V，DAC0832的工作電壓為15V，基準電壓為-5V，提供給OP37的工作電壓為15V。因此，采用三端穩(wěn)壓器7815、7915、7805和7905制作穩(wěn)壓電源，提供各器件電壓。3.4 顯示模塊的設計方案方案一：采用LED數(shù)碼管顯示雖然功耗低，控制簡單，但是只能顯示數(shù)字和一些簡單的字符，沒有較好地人機界面。方案二：采用LCD液晶顯示LCD12864可以顯示所有字符和自定義字符，并能同時 顯示多組數(shù)據(jù)、漢字，字符清晰。自身具有控制器，不僅可以減輕主單片機的負擔，而且可以實現(xiàn)菜單驅(qū)動方式的顯示效果，達到友好人機界面。用LCD液晶顯示，能解決LED只能顯示數(shù)字等幾個簡單字符的缺點，性能好，效果多，控制方便，顯示方式多。比較以上兩種方案，采用方案二。3.5 鍵盤設計方案由于單片機I/O口足夠，因此采用矩陣44鍵盤即可。/html/de/20121114/8673.html 四、硬件電路設計4.1 DDS的基本原理DDS的基本原理是在高速存儲器中放入正弦函數(shù)相位數(shù)據(jù)表格，經(jīng)過查表操作，將讀出的數(shù)據(jù)送到高速DAC產(chǎn)生正弦波?？删幊藾DS系統(tǒng)原理圖如圖4.1.1所示。頻率控制字KN位相位累加器正弦查詢表ROM數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC低通濾波器FCW N位系統(tǒng)時鐘 fclkfoutM位圖4.1.1 DDS的基本原理圖 DDS系統(tǒng)由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。參考時鐘為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步DDS各組成部分的工作。相位累加器是可編程DDS系統(tǒng)的核心，它由一個加法器和一個N位相位寄存器組成，N一般為2432。每來一個外部參考時鐘，相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個地址對應正弦波中0360范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅(qū)動DAC以輸出模式量。系統(tǒng)采用專用美國AD公司推出的高集成度頻率合成器AD9850。AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。據(jù)圖4.1.1,相位寄存器每過2N/M個外部參考時鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相位地正弦查詢表每消費品一個循環(huán)也回到初始位置，從而使整個DDS系統(tǒng)輸出一個正弦波。輸出的正弦波周期 To=Tc2N /M頻率 fout=Mfc/2NTc、fc分別為外部參考時鐘的周期和頻率。AD9850接上精密時鐘源和寫入頻率相位控制字之間后就可產(chǎn)生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。在125MHz的時鐘下，32位的頻率控制字可使AD9850的輸出頻率分辨率達0.0291Hz；并具有5位相位控制位，而且允許相位按增量180、90、45、22.5、11.25或這些值的組合進行調(diào)整。它的外圍電路連接如圖4.1.2所示。4.2 移位和調(diào)幅電路設計DDS系統(tǒng)輸出的正弦波并不是標準的正弦波函數(shù)，它的幅值都大與零，因此要計算輸出電壓的有效值，需要先將波形整體向下移位，波形移位原理如圖4.2.1所示。圖4.2.1 移位（左）和調(diào)幅（右）電路其核心部分是一電壓跟隨器，電壓跟隨器的輸出Vo1=（Vin-Vp）所以輸出的Vo1就相當于在輸入Vin的基礎上下移了Vp，而Vp又受電位器Rw1的控制，理論上可將Vin的波形向Y軸負方向下移012V。為了滿足外接10K輸出電壓峰峰值不小于20V，而波形移位后輸出電壓最大值為5V，因此需再連一電壓放大電路。其核心是OP37，由虛短虛段Vout=-Vin*Rw2/R3Rw2/R3的范圍是010，因此通過調(diào)節(jié)Rw2可以使輸出波形的峰峰值在010Vo1間變化，即輸出信號的峰峰值范圍為0-50V,足以滿足題目20V的要求。4.3 移相電路設計移相電路采用模擬方法實現(xiàn)，根據(jù)RC電路的相頻響應，在RC低通電路中對于實際頻率，上限轉(zhuǎn)折頻率fH=1/（2RC）相角 H=-arctan(f/fH)實際輸入信號頻率為f：1）當f0.1fH時，H0，相頻響應的相角為零度，幅頻響應可以忽略。2）當ffH時，H-45，相角從0到45變化，幅頻響應可以忽略。3）當fHf10fH時，H90, 相角從45到90變化，幅頻響應非常明顯，通過增益Av=1的反相比例放大器，把幅頻響應抵消同時把相位差擴大一倍。4）當10fH Vref則通過比較器，輸出電壓Vout=1；輸入電壓Vin Vref則通過比較器，輸出電壓Vout=0。另外，由于DAC0832轉(zhuǎn)換出的是電流，所以需后接一運放OP07進一步將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量。電路設計如圖4.4.1所示。/html/_NETbiyesheji/20070925/493.html 圖4.4.1 DAC0832模塊電路4.5 鍵盤/顯示電路設計鍵盤采用矩陣44鍵盤，鍵盤和LCD12864與單片機接口電路如圖4.4.1所示。另外采用另一塊AT89S52單片機和LCD1602組成一個頻率計對頻率進行顯示，方波脈沖從單片機P3.2口輸入。電路如圖4.4.2所示。五、程序設計本系統(tǒng)的所有程序均采用C語言編寫。程序各部分分別做成模塊，主程序做成不同的界面，各模塊按主程序調(diào)用子程序的方式執(zhí)行。軟件的關鍵在于如何控制AT9850的工作方式和控制字，以及如何控制DAC0832改變波形的幅值，從而達到數(shù)控效果。軟件實現(xiàn)的功能有：（1）輸出一路正弦波信號；（2）步進控制；（3）頻率設置；（4）輸出一路方波信號；（5）方波占空比預置。整個系統(tǒng)軟件由主程序和多個功能子程序構成。軟件基本按照主程序調(diào)用子程序的方法執(zhí)行。系統(tǒng)程序流程圖如圖5.1.1所示。選擇界面開始正弦波設置界面矩形波設置界面調(diào)頻波設置界面矩形波顯示界面正弦波顯示界面調(diào)頻波顯示界面結(jié)束圖5.1.1 系統(tǒng)程序流程圖六、系統(tǒng)測試6.1 測試儀器序號儀器名稱儀器規(guī)格數(shù)量備注1數(shù)字示波器TDS2012 C0449551泰克科技（中國）有限公司2萬用表DT9205A+1山創(chuàng)/H.NEYTEK6.2 系統(tǒng)測試 測試說明：按鍵10：退步/頻率+；按鍵11：清零/頻率-；按鍵12：確定/重置；按鍵13：返回/返回。系統(tǒng)測試主要用示波器測試預置頻率，頻率步進，接10K負載電壓峰峰值的準確性與穩(wěn)定性。正弦波測量結(jié)果如表6.2.1所示。表6.2.1 正弦波有關參數(shù)測量結(jié)果項目頻率預置頻率步進波形峰峰值(10k電阻)設置頻率輸出頻率誤差/%步進步進頻率值150Hz50.02Hz0.210Hz50.01Hz20.02V21KHz1000.1Hz0.110Hz1010.1Hz20.01V315KHz15000.2Hz0.210Hz15010.1Hz20.02V方波的主要參數(shù)為頻率和占空比，均可調(diào)。頻率預置與顯示上表已測，這里不再測量。用示波器測試結(jié)果如表6.2.2所示。表6.2.2 方波占空比測量結(jié)果預置0/36060/360120/360180/360240/360300/360顯示11/43/81/25/83/4誤差分析：主要原因是DAC0832的基準電壓不夠穩(wěn)定。七、總結(jié)通過將近一周的設計與制作，基本完成以下功能：（1）能夠完成一路正弦波，頻率在20Hz-20KHz范圍