程控信號發(fā)生器論文　

1、目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc138494090 1概述1 題目名2 功能和技術(shù)指標(biāo)要求2 國內(nèi)外相關(guān)情況概述2 234 HYPERLINK l _Toc138494091 2 技術(shù)方案 PAGEREF _Toc138494091 h 5 波形產(chǎn)生原理5 HYPERLINK l _Toc138494092 2.2 總體設(shè)計方案 PAGEREF _Toc138494092 h 5 HYPERLINK l _Toc138494093 2.3 方案論證 PAGEREF _Toc138494093 h 63 硬件設(shè)計7 波形產(chǎn)生電路7 電源電路83.3 單片機(jī)

2、電路94 軟件設(shè)計104.1 軟件功能說明104.2 軟件總流程104.3 各功能軟件135 附錄一 附錄二 第一章 概述題目名程控信號發(fā)生器設(shè)計功能和技術(shù)指標(biāo)要求輸出電壓：交流24V輸出波形：連續(xù)矩形波，頻率10100kHZ可調(diào)，幅值可調(diào)連續(xù)正弦波，頻率10100kHZ可調(diào)，幅值可調(diào)連續(xù)鋸齒波，頻率10100kHZ可調(diào)，幅值可調(diào)連續(xù)三角波，頻率10100kHZ可調(diào)，幅值可調(diào)單個正弦波，每按一次輸出開關(guān)輸出一個正弦波，周期時間，幅值可調(diào)單個矩形波，每按一次輸出開關(guān)輸出一個矩形波脈沖，波脈沖的寬度、周期時間，幅值可調(diào)單個三角波，每按一次輸出開關(guān)輸出一個三角波，周期時間，幅值可調(diào)單個鋸齒波，每按一

3、次輸出開關(guān)輸出一個鋸齒波，周期時間，幅值可調(diào)輸出阻抗：100最大輸出電流：10mA信號輸出幅值在105000mV之間可調(diào)，相鄰兩檔幅值變化不超過1%信號輸出頻率可調(diào)，相鄰兩檔幅值變化不超過1%輸出信號頻率、幅值數(shù)字可調(diào)國內(nèi)外相關(guān)情況概述 波形發(fā)生器亦稱函數(shù)發(fā)生器，作為實驗用信號源，是現(xiàn)今各種電子電路實驗設(shè)計應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。目前，市場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。信號發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用555振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機(jī)。

4、但是這種電路存在波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大等缺點。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學(xué)，地震模擬機(jī)械振動等領(lǐng)域常常要用到低頻信號源。而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的RC很大；大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證；體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會大大增加。波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和易操作性的電子儀器。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形

5、進(jìn)行動態(tài)、及時的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、震動激勵、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。在 70 年代前，信號發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標(biāo)準(zhǔn)波形，產(chǎn)生其它波形時，需要采用較復(fù)雜的電路和機(jī)電結(jié)合的方法。這個時期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同時，主要表現(xiàn)為兩個突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因此很難將頻率調(diào)到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。

6、在 70 年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、A/D/和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。這時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對 DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。 90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價格的函數(shù)發(fā)生器、但是HP公司推出了型號為 HP770S的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A任意波形數(shù)字化和 HP1776A波形發(fā)生軟件組成。HP8770A實際上也只能產(chǎn)生8 中波形，而且價格昂貴。不久以后，Analogic公司推出了型號為 Data-2020的多波形合成器，Lecroy 公司生產(chǎn)的型號為9100 的任意波形發(fā)生器等。

7、 而近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）過去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。同時可以利用一種強有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復(fù)合成 v=f (t)形式的波形方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式產(chǎn)生。從而促進(jìn)了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機(jī)語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic ,Vis

8、ual C 等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。 （2）與VXI資源結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機(jī)的插卡以及新近開發(fā)的VXI模塊。由于VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用VXI系統(tǒng)測量產(chǎn)生復(fù)雜的波形，VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā)VXI模塊的周期長，而且需要專門的VXI機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。在民用方面，VXI模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺式儀器更為方便。 （3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現(xiàn)在新的

9、臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半。 早在 1978 年，由美國 Wavetek 公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣頻率為 5MHz ，可以形成 256 點(存儲長度)波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為8bit，主要用于振動、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號源，經(jīng)過將近30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高。變得操作越來越簡單而輸出波形的能力越來越強。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質(zhì)量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的

10、操作性越好。 給出了幾種波形發(fā)生器的性能指標(biāo)，從中可以看出當(dāng)今世界上重要電子儀器生產(chǎn)商在波形發(fā)生器上的研制水平。一些波形發(fā)生器的性能指標(biāo)公司TektronixTektronix橫河電機(jī)Wavetek型號AG320AWG710AG5100295最高采用頻率16MS/s4GMS/s1GMS/s50MS/s通道數(shù)2224垂直分辨率12bit8bit8bit12bit存儲容量64K8M8M64K輸出電壓10V2V15V本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀二十一世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過 GHz 的DDS 芯片，同時也推動了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展，2003 年，Agilent的產(chǎn)品 33

11、220A能夠產(chǎn)生 17 種波形，最高頻率可達(dá)到 20M，2005 年的產(chǎn)品N6030A 能夠產(chǎn)生高達(dá) 500MHz 的頻率，采樣的頻率可達(dá)。由上面的產(chǎn)品可以看出，函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快。 對目前而言，國外（美）研究和使用的信號發(fā)生器大多要求頻率在10HZ-50MHZ，產(chǎn)生正弦、三角、鋸齒、方波、調(diào)幅、直流等波形，而國內(nèi)則對頻率在5*10HZ-40MHZ，能產(chǎn)生正選-三角等基本波形已經(jīng)調(diào)幅、調(diào)頻、TTL等的信號發(fā)生器需求大 第二章 技術(shù)方案2.1 波形產(chǎn)生原理方案一：使用集成函數(shù)發(fā)生器芯片集成函數(shù)芯片有ICL8038等。ICL8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波四種不同的波形，將它作為正弦

12、信號發(fā)生器。它是電壓控制頻率的集成芯片，失真度很低。可輸入不同的外部電壓來實現(xiàn)不同的頻率輸出。但是發(fā)揮部分要求正弦波以1Hz為步進(jìn)增加，所以用ICL8038不方便控制。方案二：采用鎖相式頻率合成（PLL）鎖相式頻率合成是將一個高穩(wěn)定度和高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過加減乘除的運算產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的技術(shù)，它在一定程度上解決了既要頻率穩(wěn)定精確，又要頻率在較大范圍內(nèi)可變的矛盾，但頻率受VCO可變頻率范圍影響，高低頻率比不可能作得很高，隨著頻率穩(wěn)定度的提高，PLL的鎖定時間越來越來越長。方案三：直接數(shù)字頻率合成（DDS） 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是根據(jù)相位間隔對波形信號進(jìn)行取樣、量化、編碼，然后

13、儲存在EPROM中構(gòu)成一個波形查詢表。頻率合成時，相位累加器在參考時鐘的作用下對時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，同時將累加器輸出的累加相位與頻率控制字K預(yù)置的相位增量相加，以相加后的吉果形成波形查詢表的地址；取出表中與該相位對應(yīng)的單元中的幅度量化波形函數(shù)值，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號，再經(jīng)低通濾波器平滑得到符合要求的模擬信號。相位累加器的最大計數(shù)長度與波形查詢表中所存儲的相位分隔點數(shù)相同，由于相位累加器的相位增量不同，將導(dǎo)致一周期內(nèi)的取樣點數(shù)不同，在取樣頻率(由參考時鐘頻率決定)不變的情況下，輸出信號的頻率也相應(yīng)變化。如果設(shè)定累加器的初始相位，則可以對輸出信號進(jìn)行相位控制。目前有許多可用作信號發(fā)生器的專用DD

14、S集成芯片，如ADI公司推出的AD9850其基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖2。圖2 DDS結(jié)構(gòu)原理圖綜合比較以上方案，結(jié)合信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度和精確度要求，我們選擇DDS直接數(shù)字頻率合成。一方面，DDS較信號發(fā)生器更容易精確控制；另一方面，DDS較鎖相式頻率合成外設(shè)少，更容易實現(xiàn)。2.2 總體技術(shù)方案4*4鍵盤輸入DDS低通濾波LCD液晶屏51單片機(jī)示波器1.波形設(shè)定：對任意波形進(jìn)行程序設(shè)定2.單片機(jī)部分：最小系統(tǒng)3.鍵盤：用按鍵來控制輸出波形的種類和數(shù)值的輸入4.顯示部分：采用LCD顯示波形的頻率與幅值 5.低通濾波部分：減少波形的抖動、抑制高次諧波、取出主頻f第三章 硬件設(shè)計3.1、波形產(chǎn)生電路

15、本作品采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，使用ADI公司的集成DDS器件AD9850。 AD9850是AD公司生產(chǎn)的最高時鐘為125 MHz、采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)的直接頻率合成器，主要由可編程DDS系統(tǒng)、高性能模數(shù)變換器（DAC）和高速比較器3部分構(gòu)成，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成，并具有時鐘產(chǎn)生功能。AD9850的DDS系統(tǒng)包括相位累加器和波形查找表，其中相位累加器由一個加法器和一個32位相位寄存器組成，相位寄存器的輸出與外部相位控制字（5位）相加后作為波形查找表的地址。波形查找表實際上是一個相位/幅度轉(zhuǎn)換表，它包含一個任意波期的數(shù)字幅度信息，每一個地址對應(yīng)任意波中0360范圍的一個相位點。查找表

16、把輸入地址的相位信息映射成任意波幅度信號，然后驅(qū)動10 bit的DA變換器，輸出個互補的電流，其幅度可通過外接電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。AD9850還包括一個高速比較器，將DA變換器的輸出經(jīng)外部低通濾波器后接到此比較器上即可產(chǎn)生一個抖動很小的方波，這使得AD9850可以方便地用作時鐘發(fā)生器。 圖3.2 LPF電路3.2、電源電路3.3、單片機(jī)電路圖3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)由于AT89C52芯片中，I/O口內(nèi)置上拉電阻，所以在制作鍵盤模塊時可以不加電阻。本模塊包括16個鍵位，用來選擇波形和調(diào)節(jié)類型，調(diào)節(jié)所選波形的類型參數(shù)。確認(rèn)輸出和返回主菜單。鍵盤電路如下圖圖3.5 鍵盤電路此次實習(xí)，我們選用的是1602液晶

17、也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。圖3.6 LCD1602電路圖第四章 軟件設(shè)計4.1、軟件功能說明程序各部分分別做成模塊，按主程序調(diào)用子程序的方式執(zhí)行。此程序的功能就是要將外部輸入的頻率、幅值數(shù)據(jù)按照一定協(xié)議和算法變換成DDS芯片（AD9850）所能接受的格式，并送出相應(yīng)的頻率相位控制信號，從而使AD9850能產(chǎn)生頻率可控的任意信號。4.2、軟件總流程下面給出程序設(shè)計流程圖： 圖4.1 軟件總流程圖 4.3 各功能軟件一、鍵盤掃描子程序如圖所示。因按鍵較多。本系統(tǒng)采用28

18、行列式鍵盤來節(jié)約IO口，并用程序把8根列線全部拉低，再判斷2根行線是否有低電平，如果沒有，說明沒有按鍵被按下，系統(tǒng)則退出鍵盤掃描程序，否則，依次拉低列線，然后依次判斷行線是否有低電平并判斷鍵號，鍵號確定后再轉(zhuǎn)到鍵號相對應(yīng)的功能程序去執(zhí)行。鍵盤主要方便用戶設(shè)置頻率、幅度、選擇工作方式等功能。鍵盤掃描子程序二、信號頻率的數(shù)字控制程序流程如圖所示。該部分程序主要用于將鍵盤輸入值轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后產(chǎn)生相應(yīng)的頻率控制字并送至DDS芯片，以改變DDS的相位增量，最終輸出相應(yīng)頻率信號。圖4.3 信號頻率數(shù)字控制程序附錄一：總體電路原理圖 參考文獻(xiàn)1 鄭鳳濤,陳金佳.基于CPLD的數(shù)控正弦波的信號源的設(shè)計.黎明職業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,2 徐志軍,徐光輝. CPLD/FPGA的開發(fā)與應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，20023 黃正謹(jǐn),徐堅,章小麗等.CPLD系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)入門與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，20024 陳新原,龍世瑜.DDS芯片AD