任意波形發(fā)生器

--#-美亞光電“杯安徽省首屆大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計報告書設(shè)計報告書作品名稱：任意波形發(fā)生器（題）參賽學(xué)校：合肥學(xué)院參賽成員：周海波劉亞軍高超參賽成員：周海波劉亞軍高超任意波形發(fā)生器摘要本系統(tǒng)的設(shè)計綜合了技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的二者之所長，實現(xiàn)了二者在性能、功能以及資源上的良好結(jié)合，整個系統(tǒng)可簡略分為波形產(chǎn)生模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示、鍵盤、幅度控制模塊等功能模塊。采用直接數(shù)字頻率合成（F技術(shù)，通過軟件對其波形進(jìn)行控制，實現(xiàn)多種波形的輸出及組合。該系統(tǒng)可實現(xiàn)的頻率范圍寬、幅度和頻率精度高，并且實現(xiàn)電路簡單，結(jié)構(gòu)較優(yōu)，利用液晶顯示屏實現(xiàn)了良好的中文人機(jī)交互界面。TOC\o"1-5"\h\z一、方案論證與比較-4-1．波形產(chǎn)生及頻率合成模塊-4-2．幅度控制模塊-5-3．顯示模塊-5-4．波形存儲模塊-6-二、原理分析-6-1.DDS原理-6-．基本算法-7-.誤差分析-7-.DDFS的特點(diǎn)-8-三、系統(tǒng)設(shè)計-8-四、方案實現(xiàn)-10-.波形產(chǎn)生-10-.頻率控制-11-.幅度控制-13-.液晶顯示、鍵盤輸入-13-.波形存儲-13-.功率放大電路-14-五、軟件系統(tǒng)設(shè)計-15-程序設(shè)計流程圖-15-六、結(jié)果測量及分析-16-.基本波形測試-16-.波形編輯測試-17-.波形存儲測試-17-七、功能實現(xiàn)-17-八、總結(jié)-18-一、方案論證與比較1．波形產(chǎn)生及頻率合成模塊方案1：采用傳統(tǒng)的模擬振蕩電路的方法。如產(chǎn)生正弦波可采用模擬分立元件或振蕩器，但其產(chǎn)生的信號的頻率精度低，穩(wěn)定度和抗干擾能力差，成本也比較高，外圍電路復(fù)雜，且易受外界干擾，硬件調(diào)試?yán)щy，不便程控。而且對于題目發(fā)揮部分所要求的最高頻率的要求，不容易滿足，實現(xiàn)的性能指標(biāo)不理想。方案：采用專用集成芯片。專用集成波形發(fā)生芯片能夠產(chǎn)生方波、正弦波、三角波等多種常規(guī)波形，頻率變化范圍可達(dá)一一，占空比達(dá)2%——98，%該芯片具有良好的性能，與外圍電路配合調(diào)試后可以達(dá)到本題目的要求。但是采用該方法所需要的外圍電路模塊較多，且較為復(fù)雜，不利于控制和問題的檢查。方案3：采用純單片機(jī)的方法。利用單片機(jī)編成的發(fā)式可以產(chǎn)生多種波形，開發(fā)簡易。而且由于是數(shù)字量，容易受用戶的控制。但是單片機(jī)速度有限，產(chǎn)生的波形頻率較低，難以達(dá)到題目的要求。方案4利用采用直接數(shù)字式頻率合成器（，簡稱或）的方式。在中定義空間用來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為步進(jìn)對相位增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存放在存儲器內(nèi)部的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換和幅度控制，再濾波即可得到所需的波形（如圖所示）。具有相對帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時間極短（可小于），頻率分辨率可以做到很高等優(yōu)點(diǎn)；另外，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，而且理論上可以實現(xiàn)任意波形，能夠比較全面的滿足題目的要求。參考頻率源頻率控制字3：：相位累加器波形存儲器數(shù)模轉(zhuǎn)換器圖1-1：-波1形產(chǎn)生原理2．幅度控制模塊方案1：幅度控制有數(shù)控電位器組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)組成，但是數(shù)控電位器的分檔數(shù)目較少，難以滿足題目幅度步進(jìn)的要求。同時電路連接比較復(fù)雜，電路龐大。方案2利用的高速計算功能，采用高效算法對波形進(jìn)行全數(shù)字處理，但內(nèi)部有限字長效應(yīng)，會造成波形具有一定的失真，不過經(jīng)過濾波電路后會對波形進(jìn)行一定的校正。方案3幅度由控制，利用其內(nèi)部的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，將其作為數(shù)控電位器使用（原理見圖）-系統(tǒng)板產(chǎn)生的波形作為的參考電壓源輸入，其輸出波形幅度將為（0X，其中為單片機(jī)輸入的幅度控in制字。圖：幅度控制原理從方案的實現(xiàn)上來看，第二種方案和第三種方案都是不錯的方法，但由于我們對該算法不是很熟悉，所以我們采用第三種方案。3．顯示模塊方案：采用數(shù)碼管方式。利用串轉(zhuǎn)并芯片可將串行數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，這種方式占用處理器端口資源少，可驅(qū)動多位顯示，并且數(shù)碼管易于控制，成本低廉。但數(shù)碼管的缺點(diǎn)是顯示不夠直觀，不能隨心所欲的顯示字符。方案2采用液晶屏方式。利用液晶屏幕可以顯示中文，這樣方便實現(xiàn)直觀的菜單功能，能夠制作比較人性化的界面，并顯示豐富多彩的內(nèi)容。同時，利用液晶屏可以實現(xiàn)用鍵盤控制描點(diǎn)的方法繪制出任意波形，為完成本題目的發(fā)揮部分要求做準(zhǔn)備。但是顯示過程比較復(fù)雜，需要完成大量的顯示編程工作。

我們采用第二種方案，使用（我們采用第二種方案，使用（X）點(diǎn)陣液晶顯示模塊（原理4波形存儲模塊圖如圖1-3所-示1），制成友好的中文人機(jī)交互菜單。4波形存儲模塊左半屏64X64顯示屏原理圖方案i采用非易失或?qū)Ξ?dāng)前產(chǎn)生波形的數(shù)據(jù)值進(jìn)行實時存儲，掉電后上電從當(dāng)前掉電時地址讀取波形數(shù)據(jù)，這樣即可實現(xiàn)波形的掉電存儲。方案2受到掉電存儲原理的啟發(fā)，我們?yōu)椋ǘx在中）外接一鋰電電池，這樣即可保證掉電后中的數(shù)據(jù)不丟失。二、原理分析1.DDS原理我們在通過數(shù)字技術(shù)得到某一目標(biāo)頻率時一般情況下是需要有一個基準(zhǔn)頻率源一個分頻系數(shù)為的分頻器，分頻器的分頻系數(shù)和基準(zhǔn)頻率，目標(biāo)頻率有如下關(guān)系令人遺憾的是分頻器的分頻系數(shù)只能是整數(shù),所以在一般情況下,實際分頻系數(shù)m并不等于需要的分頻器分頻系數(shù)他們有如下關(guān)系0W100因此我們只能通過分頻器得到的實際頻率也就有三為了得到準(zhǔn)1d確的目標(biāo)頻率我們希望分頻器的輸入頻率不是基準(zhǔn)頻率源而是另外的一d個頻率x這樣我們通過分頻系數(shù)為的分頻器就可以得到準(zhǔn)確的目標(biāo)頻1d1率。由公式我們知道W也就是W。假設(shè)和的差值為TOC\o"1-5"\h\zd101001001因此只要在基準(zhǔn)頻率上減去然后送入分頻系數(shù)為的分頻器就可以得到001我們需要目標(biāo)頻率了。通過上述分析可知,頻率數(shù)字直接合成技術(shù)和常規(guī)數(shù)字分頻技術(shù)的區(qū)別是:分頻器輸入的頻率不是基準(zhǔn)頻率而是經(jīng)過修正的。正是這個使我們有可011能得到準(zhǔn)確的目標(biāo)頻率因此如何得到是實現(xiàn)數(shù)字直接分頻技術(shù)的關(guān)鍵。d12．基本算法在計算分頻器的分頻系數(shù)時,一般采用的公式如下:.0d00式中是的余數(shù)。根據(jù)式可以得出的原理框圖如下圖就是的原理框圖需要注意的是在實際應(yīng)用中應(yīng)該把減去的0個脈沖均勻的分布在單位時間上否則最后得到的可能有較大的相位抖動如d果對信號在單位時間內(nèi)每+個脈沖減去一個脈沖就可以使輸TOC\o"1-5"\h\z0000出頻率的相位抖動最小3．誤差分析由于為了減少相位抖動采用了在上每+個脈沖減去一個脈沖方法0000)并且+所以我們在一般情況下不可能把減去的個脈沖均勻的分000布在單位時間上。在大多數(shù)情況下從減去個脈沖的時間要小于單位時間。但是,在最壞的情況下,也不過是在單位時間內(nèi)多減去1個脈沖。因此,實際得到的與期望的之間的關(guān)系是三三。在實際應(yīng)用中只要能保證在111111以上就可以保證相對誤差小于百萬分之一。4.DDFS的特點(diǎn)的頻率分辨率在相位累加器的位數(shù)足夠大時，理論上可以獲得相應(yīng)的分辨精度，這是傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的。由于中無需行為反饋控制，頻率建立及頻率切換快，并且與頻率分辨率、頻譜純度相互獨(dú)立，這一點(diǎn)明顯的優(yōu)于。的行為誤差主要依賴于時鐘的相位特性，相位誤差小。另外，的相位是連續(xù)變化的，形成的信號具良好的頻譜，這是傳統(tǒng)的直接頻率合成方法無法實現(xiàn)的。的失真度除受轉(zhuǎn)換器本身的噪聲影響外與離散點(diǎn)數(shù)和字長有著密切關(guān)系，設(shè)為均勻量化間隔，則其近似數(shù)學(xué)關(guān)系為THD=1+qJ兀/N2—1x100%6JLsin（n/N）_按上式計算，當(dāng)取樣點(diǎn)數(shù)為102點(diǎn)4時，失真度約為0.26。%在最高輸出頻率點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，量化級數(shù)為25時6，失真度約為5.67，6已%經(jīng)足夠小了，可以滿足系統(tǒng)的要求。三、系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)題目要求，綜合分析各項指標(biāo)后，我們制定總體的設(shè)計方案大體為：用作為基本波形產(chǎn)生的核心，通過查找表的方式產(chǎn)生正弦波、方波和三角波數(shù)據(jù)，然后通過位高速芯片產(chǎn)生連續(xù)波形；同時我們將若干單片機(jī)外圍電路芯片（如、、等）的功能以軟件形式集成到了內(nèi)部，這樣既充分利用了的內(nèi)部資源，又減少了單片機(jī)及與外圍的電路的接口，簡化了電路結(jié)構(gòu)。我們以單片機(jī)為基本核心構(gòu)成控制單元，完成對波形的各個參量（包括幅度控制字和頻率控制字）的改變、顯示、功能選擇的控制實現(xiàn)。波形數(shù)據(jù)表中的波形數(shù)據(jù)經(jīng)過芯片完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，再由內(nèi)部的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)波形幅度的控制，進(jìn)而經(jīng)過濾波以及穩(wěn)幅電路后輸出，得到具有一定帶負(fù)載能力的所需波形。（系統(tǒng)總體簡略框圖如圖所示，單片機(jī)與系統(tǒng)連接線路圖如圖。-)頻率控制幅度控制波形存儲任意波形輸入液晶顯示波形數(shù)據(jù)表圖3-1：-系1統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖獨(dú)立顯示板串行靜態(tài)顯示P3.0P3.1電源RS232串行通信適配電路PIO24PIO24PIO25P2.7P2.0<>PIO8PIO15troP3P座插示顯晶液8單片機(jī)「2工作電源

5V3.3V2.5V25/15C98TAP0.7P0.0<>PIO7PIO0FPGA/CPLDGWAK50/30GWA71282KCOLC0KCOLCP32P11建議連接信號P12P13CSDO93C46DISCLK50MHz12MHz晶振16RAM/ROM8復(fù)用P3、P1口顯示可配液晶RST鍵鍵鍵鍵鍵鍵鍵鍵P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7圖3-1：-單2片機(jī)與系統(tǒng)連接線路圖四、方案實現(xiàn)1．波形產(chǎn)生通過查找表方式產(chǎn)生波形是在數(shù)字系統(tǒng)中最常用的波形產(chǎn)生方法，我們在

中定義一，用于存儲正弦波、方波、三角波的波形數(shù)據(jù)。由于后級輸出采用位的5所以表采用模式，內(nèi)部數(shù)值表通過在中使用其精確計算公式獲得，并導(dǎo)入系統(tǒng)中。2．頻率控制該模塊由根據(jù)給出的頻率字完成。這里，使用完成設(shè)計，是由于速度較慢，難以滿足題目擴(kuò)展部分的頻率要求。同時也節(jié)省了的資源，使其能夠更好的完成數(shù)據(jù)處理及其他控制功能。這里采用了公司的器件T適合中規(guī)模應(yīng)用，能夠滿足要求。該模塊設(shè)計由實現(xiàn)，框圖如（圖2所示。頻率控制字（來自圖4-2：-頻1率合成模塊其中相位累加器是的核心（請見圖：累加原理），它主要由一個位字長的二進(jìn)制加法器和一個由固定時鐘控制的位相位寄存器構(gòu)成。相位寄存器的輸出與累加器的一個輸入端相連，而送來的頻率控制字經(jīng)同步寄存后與累加器的另一個輸入端相連。這樣，在每個時鐘脈沖到達(dá)時，相位寄存器采樣上一個時鐘周期內(nèi)的值與頻率控制字的和，并取其高位部分作為這一時鐘周期的輸出序列。頻率控制字決定了相應(yīng)的相位增量，相位累加器則不斷的對該相位增量進(jìn)行線性累加，當(dāng)相位累加器計滿會產(chǎn)生一次溢出，從而完成合成信號的一個頻率周期。頻率控制字來自0位地址0位地址圖2累加原理的輸出頻率和步進(jìn)A可分別表示為：F=fxF（式）out2NclkFN=康（式）其中，是相位累加器的字長；為基準(zhǔn)時鐘信號；為頻率控制字。題目要求波形頻率范圍，步進(jìn)k。為達(dá)到最優(yōu)指標(biāo)，我們將輸出頻率范圍設(shè)置為一一，實際步進(jìn)最小值可達(dá)以內(nèi)。根據(jù)（式）和（式2）綜合考慮，選用波形表寬度為10位、深度為102位4，即每周期波形有點(diǎn)。相位累加器字長為位（）而基準(zhǔn)時鐘由的晶振通過倍頻得到（i）這輸出頻率步進(jìn)為Af=50Af=50M23020.05HzFout就此，實現(xiàn)了輸出輸出精度。Fout就此，實現(xiàn)了輸出輸出精度。2步進(jìn)，完全完成了題目要求且提高了頻率控制字為位，則最高輸出頻率為50Mx225=1.56MHz2303．幅度控制我們采用控制幅度，利用其內(nèi)部的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，將其作為數(shù)控電位器使用，輸出波形幅度為（0X。其電路連接如圖34．液晶顯示、鍵盤輸入由于單片機(jī)的和口與相連接，用來進(jìn)行二者之間的數(shù)據(jù)交換，因此我們可用的外部單片機(jī)數(shù)據(jù)口只有口和口，而口需要復(fù)用為特殊功能口，所以能夠作為數(shù)據(jù)交換和控制的端口只有口。我們采用口復(fù)用的辦法來解決鍵盤控制和液晶顯示的問題。盡管我們采用的鍵盤鍵數(shù)較少（只有8個），但是我們用軟件的方式的實現(xiàn)了按鍵的分時復(fù)用，這樣以較少的按鍵實現(xiàn)了較多的功能選擇和控制。同時我們利用中文液晶屏幕制作了非常直觀的中文菜單，配合按鍵的功能進(jìn)行即時顯示，這樣使按鍵的使用變得直觀和更加人性化。5．波形存儲由于該題目的發(fā)揮部分具有“調(diào)電數(shù)據(jù)保存”的要求，所以我們本來打算采用非易失實現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的即時存儲，但由于該芯片缺乏，其他芯片又難以與我們使用的開發(fā)板進(jìn)行有效連接，所以我們放棄了掉電保護(hù)功能的實現(xiàn)。我們利用宏定義的方法，在內(nèi)部定義一雙口單元，可在帶電的狀態(tài)下實現(xiàn)對當(dāng)前波形的存儲。同時由于是采用雙口接口，可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)的高速讀取和寫入。6．功率放大電路為實現(xiàn)帶Q-—8負(fù)載，輸出端接一功率放大電路，該功率放大電路采用運(yùn)放驅(qū)動的閉環(huán)推挽輸出電路，電壓增益為1，可實現(xiàn)穩(wěn)幅輸出功能。推挽輸出級采用塑封硅三極管901和2901，3如圖4-7所-示1。圖:功率放大電路圖:功率放大電路五、軟件系統(tǒng)設(shè)計程序設(shè)計流程圖KEY1主菜單主菜單主菜單波組合波組合圖5-1-1：軟件流程圖

KEY1主菜單主菜單主菜單波組合波組合圖5-1-1：軟件流程圖六、結(jié)果測量及分析1．基本波形測試周期性波形包括頻率和幅值可調(diào)的正弦波、方波、三角波及其線形組合波形。用示波器來測試波形的頻率和幅值，數(shù)據(jù)如表7-1，-表17-1，-表27-1-所3示。表7-1：-波1形頻率測試數(shù)據(jù)（Vp-p=）5V正弦波方波三角波設(shè)定頻率值（）實際頻率值（）誤差實際頻率值（）誤差（）實際頻率值（）誤差（）表：波形幅值測試數(shù)據(jù)（1正弦波，空載）設(shè)定幅值（）實際幅值（）誤差（）表i波形穩(wěn)幅測試數(shù)據(jù)，正弦波，負(fù)載電阻9設(shè)定幅值（）實際幅值（）誤差（）2．波形編輯測試由于正弦波、方波和三角波的基波及其多次諧波的線形組合較多，這里僅取5次以下諧波的線形組合，其每個波形的幅度系數(shù)可以實現(xiàn)0—9的變化，然后輸出組合波形。3．波形存儲測試在線存儲測試：先從通道A中輸出波形八，按存儲鍵，顯示“完成”后可將此波形存儲，用示波器在通道B輸出端即可檢測到先前存儲的波形。掉電存儲檢測：先輸出任意波形C，關(guān)閉電源后上電，可在原輸出端看到先前波形。七、功能實現(xiàn)我們設(shè)計的系統(tǒng)不僅完成了題目的基本功能、基本指標(biāo)，而且完成了大部分題目發(fā)揮部分的要求，現(xiàn)將題目要求指標(biāo)及我們所做系統(tǒng)的實際性能列表比較如下:基本要求發(fā)揮要求實際性能產(chǎn)生正弦波、方波、三角