函数信号发生器设计方案

函数信号发生器设计方案 : 该设计使用的是AT89C52单片机构成的发生器，可产生三角波、方波、正弦波等多种波形，波形的频率可用程序控制改变。在单片机上加外围器件独立式键盘，通过键盘控 制波形频率的增减以及波形的选择，并用LCD显示频率大小。在单片机的输出端口接 TLC7528进行DA转换，再通过运放进行波形调整，最后输出波形接在示波器上显示。本设 计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。 关键词：信号发生器；单片机；波形调整 Function Generator Abstract: The design is composed of single-chip AT89C52 generator can produ ce the triangular wave, square wave, sine wave, etc., waveform control can be used to change the frequency. Increase in single-chip peripheral devices on sta nd-alone keyboard, the keyboard control through changes in wave frequency an d the choice of waveform, and frequency of the size of LCD display. Output ports in the MCU access to DA converter TLC7528, and then through the ope rational amplifier to adjust the waveform, then the final output waveform in th e oscilloscope display. The design of simple lines, compact structure, low cost, the advantages of superior performance. Key words: signal generator; singlechip; waveform adjustment 一、 设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的 特定形状波形。 1. 能够产生正弦波、方波、三角波 2. 频率范围：100～1MHZ，频率步进?100Hz 3. 输出电压范围：0～5V，电压步进?0.1V 4. 以上参数在负载为50Ω测量 5. 方波能够调整占空比 6. 不得使用专用DDS芯片以及专用信号发生芯片 7. 能够显示频率和电压 根据题目的要求，我们一共提出了三种设计方案，分别介绍如下： 1、 方案一 采用低温漂、低失真、高线性单片压控函数发生器ICL8038，产生频率受控可变的正弦 波 ，可实现数控频率调整。通过D/A和5G353进行输出信号幅度的控制。输出信号的频 率、 幅度参数由4x4位键盘输入，结果输出采用6位LED显示，用户设置信息的存储由 24C01完成。 2、 方案二 由8M晶振产生的信号，经8253分频后，产生100Hz的方波信号。由锁相环CD4046和8253进 行N分频，输出信号送入正弦波产生电路和三角波产生电路，其中正弦波采用 查 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 方式产 生。计数器的输出作为地址信号，并将存储器2817的波形数据读出，送DAC0832进行D/A 转换，输出各种电压波形，并经过组合，可以得到各种波形。输出信号 的幅度由0852进 行调节。系统显示界面采用16字x1行液晶，信号参数由4x4位键盘输入，用户设置信息的存储由24C01完成。 3、 方案三 通过查表法才生波形，此时需要事先存储正弦波、三角波、方波的256个采样点，通过控制输送采样点的速率及送点的间隔来改变输出波形的频率。此方案采用2片DA芯片，分别为DAC0832,TLC7528。由DAC0832的输出电压作为TLC7528的参考电压，这样就可以方便的控制最大输出电压。以8M有源晶振作为参考源，通过F273、5个F283以及LS164组成的精密相位累加器，通过高速 D/A变换器和RAM产生正弦波形，这个数字正弦波经 过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。通过高速D/A产生数字正弦数字波形和三角数字波形，数字正弦波通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号，最后该模拟 正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。通过相位累加器来实现多种波形的同相位输 出，并可以连续地改变频率。 输出信号幅度由DAC0832进行数字控制。用户设置信息的 存储由SRAM6264完成。 下面对三种方案的性能特点和实现的难易等作一些具体分析与比较。 1、方案一结构比较简单，但由于ICL8038自身的限制，采用了RC振荡器，故输出频率稳 定度只能达到10-3数量级。方案二采用石英晶体振荡器和数字锁相环技术，而一般石英 晶体振荡器的频率稳定性优于10-5，故输出信号的频率稳定性指标得以保证。方案三同 样采用石英晶体振荡器、精密的相位累加器，频率稳定性指标同样优于10-5。达到题目 的要求。 2、方案一由于压控振荡器F/V的线性范围有限，频率步进的步长控制比较困难，难以保 证1000倍的频率覆盖系数。方案二采用集成锁相环4046，配合8253很容易做到1000倍的 线性频率覆盖系数。方案三使用精密相位累加器和高速DA，同样可以实现1000倍的线性频率覆盖。 3、方案一的控制显示系统比较简单，六位LED的显示系统制作比较简单，但难以显示系 统输出信号的详细信息，使用时操作难度比较大，人机界面比较难懂。方案二和方案三 采用16字符x1行的液晶，菜单式操作方法，要求有比较高的硬件制作水平和软件编程技 术，但可以详细的显示波形，占空比，信号幅度等信息。人机界面友好，操作方便。而 且通过软件编程控制使系统输出信号的频率、波形预置变的非常简单。 4、方案一的ICL8038可以产生比较准确的波形。方案二通过实时查询输出正弦波，虽然 我们对每一个波形只采用了100个点，但在要求较高的场合，可以通过对每个波形取更多 个点的方法来提高波形精度。具有很好的升级扩展性能。方案三中E2PROM中存储了1024 个波形点，可以提供非常精确的波形。在200KHz的时候，仍然能够对每个波形提供8个点 ，通过滤波器后，同样会具有良好的波形。 5、方案一和方案二的频率变换时间主要是它的反馈环处理时间和压控振荡器的响应时间 ，通常大于1ms。而方案三的频率变换时间主要是数字处理延迟，通常为几十个ns。 从以上的方案比较可以看出，方案三结构比较复杂，但具有输出频率稳定性高、频率输 出线性度好、频率分辨率高、波形准确、频率变换时间小、相位噪声小、人机界面友好 ，易于控制等优点，性能优良。是本次设计的理想设计方案。 6、方案三的具体电路实现： 以8M有源晶振作为参考源，通过F273，F283以及LS164组成的精密相位累加器和 数字信号处理，通过高速D/A变换器DAC0832和2817 E2ROM产生正弦波形，三角波形 和任意波形。 正弦信号频率计算：我们是通过采样256个点来输出正弦信号，面在低频时要求DA达到256MHz，而DA的速度达不到，所以加上高频，到高频段，DA自动漏点使采样点数为8个，这样DA要求频率为8MHz,DA速度是能达到的，只是输出的波形有一定的失真， 这就要通过低通滤波器来进行波形还原。在相位累加器中，每来一个时钟脉冲，它的内容就 更新一次。在电路中用了5个F283有20们进行累加，如果采用四个F283就不行,因为8M除以2的16次方等于128Hz,这样步长频率就大于100Hz,所以采用5个F283，同时进行17们的累加使步长频率为64Hz,这样就能达到要求的步长频率。相位累加器的输出作为正 弦查找表、三角波查找表和用户自定义波形查找表（均为 E2PROM2817）的查找地址。查找表中的每个地址代表一个周期的波形的一个相位点，每 相位点对应一个量化振幅值。因 此，这个查找表相当于一个相位／振幅变换器，它将相位累加器的相位信息映射成数字振幅 信息，这个数字振幅值就作为D/A变换器的输入。 数字正弦波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。通过高速DAC产生数字正 弦数字波形和三角数字波形，数字正弦波通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦 波 信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。 输出信号的幅度数控由 TLC7524数控衰减器完成，幅度数码由单片机通过总线寻址方式输 微控制器系统由89C52最小系统，4x4位键盘输入，字符型液晶显示器以及相应的译 码、 驱动电路构成。液晶显示采用菜单显示方式，显示直观，操作方便，人机界面非常友 好。 电路总图如下： 各模块具体设计： 1、 相位累加器 这一部分电路是整个波形发生系统的核心，包括ICF273F283+LS164。它由5个加法器 F283、三个8位相位寄存器F273（构成24位相位寄存器）和2个串行--并行地址转换LS164组 成。在相位累加器中，每来一个时钟脉冲，它的内容就更新一次。在每次更新时， 相位 增量寄存器的相位增量M就加到相位累加器中的相位累加值上。假设相位增量寄存器 的M 为00...01，相位累加器的初值为00...00。这时在每个时钟周期，相位累加器都要加 上 00...01。本设计累加器位宽n是17位，相位累加器就需要2^17个时钟周期才能恢复初 值。 2、 三种波形（正弦波、三角波和用户自定义波形）发生 相位累加器的输出作为正弦查找表、三角波查找表和用户自定义波形查找表（均为 E2PR OM2817）的查找地址。查找表中的每个地址代表一个周期的波形的一个相位点，每 个相 位点对应一个量化振幅值。因此，这个查找表相当于一个相位／振幅变换器，它将相 位 累加器的相位信息映射成数字振幅信息，这个数字振幅值就作为D/A变换器的输入。 设计n=17, M=1, 这个相应的输出信号频率等于时钟频率除以2^17。如果M=2，输出频率 就增加1倍。对于一个n-bit的相位累加器来说，就有2n个可能的相位点，相位增量寄存 器中控制字M就是在每个时钟周期被加到相位累加器上的值。假设时钟频率为fc，那么输 出信号的频率就为： f0 = M*fc /2^n 数字正弦波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。通过高速DAC产生数字正弦数字波形和三角数字波形以及方波。 1、我们只做了产生正弦波的电路板，由于没有做低通滤波器，所以是在示波器上进行滤波 的。 调试方法和过程：采用分别调试各个单元模块,调通后再进行各单元电路联机统调的方 法,提高调试效率。 （1）软件部分调试 本机的软件主要功能是完成人机接口，因此编程的时候把界面的友好性放在首位 采用主从菜单式的操作方法。由于对51系列单片机编程比较熟悉，在软件的仿真调试过程中没 有遇到太大的问题。各软件功能均正常实现。 （2）硬件部分调试 由于不知道是不是电路连接的问题，把所有的正负和电源用跳线相连接后导通电源，出 来的是噪声，输出频率达到了9MHz，所以认为是不正确的，于是用万用表检查电路，发现 本身164没工作，于是写一段程序进行测试，结果发现该高电平输出的引脚却是低电平， 心此判断164的接法有问题，就检查了164的连接方法，发现有一忘接。不过后来依然没 出来正确的波形，还因此烧了一块芯片。到现在依然没发现问题所在，还在继续调试中。 （3）调试过程中使用的仪器设备 示波器、万用表、电源、信号发生器 2、 系统指标测试 ：由于还没调试出正确的波形，此步骤还没进行。 [1] 王福瑞。单片微机测控系统设计大全。北京航空航天大学出版社，1999 [2] 戴仙金。51单片机及其C语言程序开发实例。清华大学出版社，2008 [3] 李华。MCS-51系列单片机使用接口技术。北京航空航天大学出版社，1990