函數(shù)波形發(fā)生器

1、 第九屆電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽論文所在院系：通信與信息工程學(xué)院題 目：函數(shù)波形發(fā)生器 二一一年六月目 錄摘要 31、系統(tǒng)總體框圖42、方案設(shè)計(jì)與論證 52.1三角波變正弦波電路52.2 輸出波形幅度調(diào)節(jié)電路 52.3 直流電壓信號(hào)產(chǎn)生電路 63、硬件電路設(shè)計(jì) 63.1 恒流源電路 63.2電路與觸發(fā)器電路73.3 三角波變正弦波 73.4 方案誤差分析 84、軟件設(shè)計(jì)85、測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果85.1 主要測(cè)試儀器 95.2 指標(biāo)測(cè)試 96、附錄 96.1 總原理圖 106.2 參考文獻(xiàn) 12函數(shù)波形發(fā)生器摘要： 本系統(tǒng)以模擬電路為核心，以msp430f149單片機(jī)為控制器，設(shè)計(jì)一個(gè)可以產(chǎn)生方波、三角波、

2、ttl信號(hào)的函數(shù)波形發(fā)生器。其頻率和幅值度可調(diào)，占空比可調(diào)。該波形發(fā)生器采集其輸出信號(hào)的頻率、幅度信息并進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出信號(hào)的精準(zhǔn)控制。本波形發(fā)生器是據(jù)波形發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、d/a轉(zhuǎn)換、軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來(lái)的高性能波形發(fā)生器，具有波形觸發(fā)、波形步進(jìn)、波形轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示、測(cè)量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，人機(jī)界面由液晶屏和鍵盤(pán)構(gòu)成，使用方便。本系統(tǒng)有效地使用了msp430f149單片機(jī)的片內(nèi)資源，將數(shù)字電路與模擬電路高效地融合到一起，配合自動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)波形輸出。關(guān)鍵詞：波形發(fā)生器 msp430f149 恒流源 反饋 function waveform generatorabs

3、tract: this system to analog circuit as the core, with msp430f149 for controller, this system to analog circuit as the core, with msp430f149mcu for control design a can produce square-wave, triangle wave and square-wave function waveform generator. the frequency and amplitude degree adjustable, squa

4、re-wave occupies emptiescompared adjustable. the waveform generator frequency of its output signal collecting information feedback, amplitude, realizing the accurate control of the output signal. this waveform generator is according to the waveform happen, data acquisition, a/d conversion, software

5、programming and so on a series of technology made out high-performance waveform generator, has the waveform trigger, waveform stepping, waveform conversion, storage, display, measurement, waveform analysis of data processing, and other unique advantages, in addition, man-machine interface by lcd and

6、 keyboard structure, easy to use. this system to effectively use the msp430f149mcu within the piece of digital circuit resources, will efficiently with analog circuit together, cooperate with automatic control algorithm, realize waveforms output.key words: waveform generator msp430f149mcu constant-c

7、urrent source feedback1 系統(tǒng)總體框架本系統(tǒng)的基本工作原理是這樣的：系統(tǒng)上電后，msp430f149單片機(jī)自動(dòng)選通一路繼電器，將電容組中的一個(gè)電容接到電路中，并通過(guò)2路da輸出2個(gè)默認(rèn)電壓值，使恒流源開(kāi)始工作（對(duì)電容進(jìn)行充放電）。此時(shí)電路開(kāi)始自激，產(chǎn)生出頻率相同的方波、三角波、正弦波以及ttl信號(hào)。真有效值測(cè)量電路檢測(cè)三角波的有效值，并將該電壓值送至msp430f149單片機(jī)的adc接口，msp430通過(guò)調(diào)節(jié)其輸出的一個(gè)pwm信號(hào)的占空比來(lái)控制一個(gè)直流電壓信號(hào)，該信號(hào)輸入到乘法器，對(duì)輸出信號(hào)的幅度進(jìn)行調(diào)整，直至adc檢測(cè)到的電壓值與缺省值相等為止。同時(shí)，msp430f14

8、9單片機(jī)對(duì)輸出的ttl信號(hào)的頻率進(jìn)行采樣，若采樣結(jié)果與預(yù)期值不同，則msp430f149單片機(jī)對(duì)兩路da的輸出進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整輸出頻率，使其趨向于預(yù)期值。用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入所需的波形，并設(shè)置其頻率、幅度，系統(tǒng)將根據(jù)用戶(hù)輸入的信息自動(dòng)調(diào)整輸出的波形，使其各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定在用戶(hù)設(shè)置的值上。12864液晶顯示8位d/a轉(zhuǎn)換器 dac0832外圍4*4鍵盤(pán)控制模塊msp430f149信號(hào)幅值采集電路由繼電器組成的信號(hào)輸出選擇電路壓控恒流源信號(hào)輸出波形轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)波形振蕩網(wǎng)絡(luò)2方案設(shè)計(jì)與論證2.1 三角波變正弦波電路方案一： 使用低通濾波器將三角波變?yōu)檎也▽⑷遣ò锤盗⑷~級(jí)數(shù)展開(kāi)：（11）其中um是三角波

9、的幅值，由該公式知，只要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，使其截止頻率大于三角波的基波頻率且小于三角波的三次諧波頻率。即可將三角波變?yōu)檎也?。方案二?使用折線(xiàn)法（逐次逼近法）將三角波變?yōu)檎也?折線(xiàn)法的原理，即對(duì)三角波的邊進(jìn)行分段，改變各個(gè)段的斜率，即可將三角波近似地“折”成正弦波。 方案選用：方案二 的優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率、幅值較為穩(wěn)定，缺點(diǎn)是三角波的失真比較嚴(yán)重，波形的頻譜不純凈，波形質(zhì)量不如方案一，考慮到本次比賽要求輸出波形的頻率能在10 hz 至100 khz 間連續(xù)可調(diào)，且頻率不高故采用方案一。 圖2.1 低通濾波2.2 輸出波形幅度調(diào)節(jié)電路方案一： 基于運(yùn)放的放大電路用運(yùn)放搭建反相放大器，通過(guò)調(diào)節(jié)相

10、應(yīng)電阻值，即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出波形的幅度調(diào)節(jié)。方案二：使用模擬乘法器作為幅度調(diào)整電路乘法器可以實(shí)現(xiàn)w=xy+z 的功能，函數(shù)發(fā)生器核心電路的原始輸出信號(hào)作為x，用控制系統(tǒng)輸出一個(gè)直流信號(hào)作為y，用z 作為調(diào)零輸入，即可實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的幅度調(diào)整。方案選用：方案1 成本低，可以方便的用模擬的方式調(diào)節(jié)輸出波形幅度，方案2 則通過(guò)調(diào)節(jié)直流信號(hào)，通過(guò)乘法調(diào)幅，只要系統(tǒng)有可以程控的直流信號(hào)便可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。考慮到系統(tǒng)的閉環(huán)反饋，從程控的實(shí)現(xiàn)難度上講，方案2 更優(yōu)，且使用乘法器還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)零，故選擇方案2。2.3 直流電壓信號(hào)產(chǎn)生電路（用于乘法器輸入端，調(diào)節(jié)幅度）方案一：用集成dac 芯片如dac0

11、832，實(shí)現(xiàn)程控電壓信號(hào)，用于幅度調(diào)節(jié)。方案二：pwm 轉(zhuǎn)da 電路利用八位da轉(zhuǎn)換芯片dac0832可以將電壓控制在0v與基準(zhǔn)電壓之間，其電壓辨析度為：基準(zhǔn)電壓/256，可基本滿(mǎn)足要求，且成本低，故選此方案。 3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 恒流源電路恒流源可分為流出型(current source)和流入型(current sink)兩種，為了可以對(duì)電容充放電，我們?cè)O(shè)計(jì)了這兩種電路，分別為電流輸出（圖3.1 左）型和電流輸入（圖3.1右）型。電壓信號(hào)vin1為2.5v5v，在左上圖中，運(yùn)放2 腳電壓等于3 腳電壓，故電阻r6兩端電壓差=5v-vin1。發(fā)射極電流ie=(5-vin1)/r6。因?yàn)榧?/p>

12、電極電流ic約等于ie ， 故iout=ic=ie=(5-vin1)/r6。當(dāng)取r6=200 歐姆時(shí)，vin 輸入2.5v5v 即可以產(chǎn)生025ma的電流。同理，對(duì)于電流輸入行恒流源，當(dāng)r17=100歐姆時(shí)，輸入-2.5v-5v電壓，即可以產(chǎn)生050ma的電流。 圖3.1 恒流源實(shí)現(xiàn)電路3.2 電路與觸發(fā)器電路比較器采用ti 公司的線(xiàn)性比較器tlc372,r-s 觸發(fā)器采用cd4011 與非門(mén)搭建。電路如圖5 所示。兩路比較器的輸入電壓與對(duì)應(yīng)r-s 觸發(fā)器的輸入電平的關(guān)系如表格1所示：比較器實(shí)現(xiàn)電路rp2和rp3分別用于-2.5v和+2.5v這兩個(gè)比較點(diǎn)的設(shè)置。tlc372為開(kāi)漏輸出，r10,

13、r13為上拉電阻，r11,r14用于限流，二極管d7,d8將負(fù)電壓濾除。通過(guò)比較器和與非門(mén)間的信號(hào)調(diào)理電路，交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，使cd4011正常工作。比較器輸入電壓（v）r端輸入（0=0v,1=5v）s端輸入（0=0v,1=5v）-5vin-2.501-2.5vin2.5112.5vin510表1-13.4 恒流源充放電切換電路恒流源切換電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣會(huì)直接影響到輸出波形的質(zhì)量。當(dāng)恒流源切換到放電回路時(shí)，若s1上的壓降太大，會(huì)導(dǎo)致電容不能充分放電，為了解決這一問(wèn)題，我們選用了性?xún)r(jià)比較高的cd4051作為模擬開(kāi)關(guān)。cd4051是精密單刀八擲模擬開(kāi)關(guān)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，其導(dǎo)通電阻為98歐姆（12

14、v雙電源供電），當(dāng)放電電流在10ma時(shí)，該電阻上的壓降可忽略不計(jì)。在測(cè)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，如果電路中只有s1，沒(méi)有s2，在頻率較高時(shí)，三角波失真嚴(yán)重（具圖 6 充放電路體波形參見(jiàn)系統(tǒng)調(diào)試測(cè)試結(jié)果）。這是因?yàn)樵陂_(kāi)關(guān)閉合前，恒流源2上端（即圖6中的a點(diǎn)）電壓大約為-4v，電容上端電壓（即圖6中的b點(diǎn)）為+1v，突然將兩個(gè)點(diǎn)連到一起，會(huì)使電容在切換回路的瞬間，電壓值迅速下降，然后再上升，最后才再正常放電。添加了s2和電位器后，可以解決這一問(wèn)題。電路如右圖所示，s1,s2由同一信號(hào)控制，控制信號(hào)為高電平時(shí)，s1斷開(kāi)，s2閉合，調(diào)節(jié)電位器電阻到360歐姆左右使得10ma*360=3.6v,這時(shí)s2右端電

15、壓為1.5v左右，較為合適（因高頻時(shí)b點(diǎn)在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通前為1.5v左右），這樣在開(kāi)關(guān)閉合瞬間，不會(huì)有瞬間電壓驟降，三角波失真度很小。3.3 三角波變正弦電路本電路采用了一階低通濾波，雖然在頻率較高時(shí)信號(hào)衰減較大，但信號(hào)的波形保持較好，經(jīng)過(guò)放大電路放大之后，可使其幅度恢復(fù)到預(yù)設(shè)幅度范圍。3.4 方案誤差分析可能引起本系統(tǒng)測(cè)量誤差的干擾形式包括：輸入信號(hào)與本振的自身組合干擾（也叫噪聲干擾）；外來(lái)干擾與本振的組合干擾（也叫副波道干擾、寄生通道干擾）；外來(lái)干擾互相形成的互調(diào)干擾，外來(lái)干擾與輸入信號(hào)形成的交叉調(diào)制干擾（交調(diào)干擾），阻塞、倒易混頻干擾,系統(tǒng)誤差等。4 軟件設(shè)計(jì)流程圖主要程序流程圖如圖4.圖4

16、主要程序流程圖5. 測(cè)試方法及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.1主要測(cè)試儀器tds1002數(shù)字示波器；mfg-8250a波形發(fā)生器；ut39a數(shù)字萬(wàn)用表；5.2指標(biāo)測(cè)試 各項(xiàng)指標(biāo)如表4.1.表4.1 測(cè)量結(jié)果及誤差計(jì)算實(shí)際頻率（hz）測(cè)量頻率（hz）周期測(cè)量誤差10099.910ms0.1%5005032ms0.6%100010011ms0.1%20001992502s0.4%50004969201s0.62%100009676103s3.2%由表可看出頻率越大誤差也越大，誤差產(chǎn)生原因分析：1、采用單片機(jī)定時(shí)器測(cè)頻精確度低、速度慢。2、整形電路整形效果不夠好。3、單片機(jī)資源占用較多，對(duì)中斷時(shí)間和按鍵判斷產(chǎn)生干擾。6. 附錄6.1 原理圖6.1.1 總原理圖6.1.2