函数信号发生器.doc

简易函数信号发生器摘要：本系统以AT89s52单片机为控制核心，并结合DDS技术实现三角波、正弦波、方波的波形输出。输出频率可在1hz1Mhz内任意调节，并能实时显示输出频率，具有频率预置和频率步进功能，频率步进为1Hz. 方波占空比可调,调整电路采用DAC0832和运放构成的数控电源。系统人机界面友好，可用键盘任意设定频率及用键盘实现步进。末级输出采用功率放大，具有带负载能力，并能实现Vopp的稳幅输出。该系统的特色是软件编程相对简单，操作方便快捷。The system for at89s52 monolithic integrated circuits to control the core, and combination of the dds implements the output of the waves of sinusoidal, square and triangular.一，方案设计与论证， 波形的生成方案方案一：采用低温漂、低失真、高线性单片压控函数发生器(如ICL8038，MAX038 等)，即可同时产生频率受控可变的三角波、正弦波、脉冲波等。用D/A转换器的输出来改变调节电压，也可以实现频率的数控调整。此方案优点：方法简单易行，由于采用单片专用芯片，系统复杂度大大减小。此方案缺点：由于压控的非线性，频率步进的步长控制比较困难。方案二：采用锁相式频率合成器。锁相式频率合成是将一个高稳定度和高精确度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率的技术，它在一定程度上解决了既要频率稳定精确，又要频率在较大范围可变的矛盾，但输出频率受压控振荡器（）可变范围的影响，高低频率比不可能做的很高。这样不能满足低频的要求。此方案优点：由于使用了频率锁定技术，所以系统性能良好。此方案缺点：电路复杂，不适于产生低频信号。方案三： 采用直接数字式频率合成器(DDS),用随机储存器RAM储存波形的采样数据，按输入频率以频率控制字K为步进，对相位累加器进行累加，以累加器的值作为地址码读取RAM中的数据，经DA转换，幅值控制，滤波，即可得到所需波形。由于DDS可以工作在很高频率，所以可以实现较高的频率输出，而且全数字化的结构，频率、相位、幅值均可实现程控。满足题目要求 ，故采用第三种方案。2)方案论证（1）DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。DDS的结构有很多种，其基本的电路原理可用图1来表示。图1相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fs，加法器将频率控制字K与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。 用相位累加器输出的数据作为波形存储器(ROM)的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到D/A转换器，D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。最后用低通滤波器滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。二.系统设计（1）系统框图液晶显示模块AD9834波形发生器AT89S52单片机矩阵键盘正弦波 三角波输出滤波及功率放大方波输出方波占空比调整电路（2）模块说明1）波形产生电路：本系统使用的是ADI公司的DDS芯片AD9834，其输出频率、参考时钟和控制字的关系由下式决定: OUT=(Phase*CLKIN)/228其中:Phase为28位频率控制字的值;CLKIN为输入参考时钟频率值(MHz);FOUT为输出信号频率(MHz)。频率的分辨率是由参考时钟经2N bit的控制字分频后决定的，它与频率的关系为: OUT=fclk/228根据题目要求，频率扩展到1MHz,频率步进为1Hz，我们采用fclk=30MHz,相位累加器字长N=28位，则频率分辨率fmin=fclk/2N =0.1118Hz,可以实现1Hz的步进。DDS模块如下图 经过对AD9834进行调试，其实物输出波形如图所示：正弦波：三角波：电路实物照片：2）滤波电路滤波部分采用四阶巴特沃斯无源低通滤波电路。对于阶梯正弦波进行傅里叶分析，可以证明;若一周期采样点数为N，则其高次谐波能量主要集中在输出频率的N+1倍频上，其幅值为基频的1/（N+1）。进行低通滤波可以平滑其台阶。正弦波的输出频率最大为1MHZ,为保证1MHZ频带内输出幅度平坦，又要尽可能抑制谐波和高频噪声，综合考虑取： L1=19nH，L2=79nH,C1=54Nf,C2=77Nf. 电路如图所示： 其波特图如下图所示： 由波特图可知其频率响应在10Mhz以内很平缓，在其以后迅速衰减，满足题目要求。3）功率放大模块运放采用宽带运放LF351,用Multisim10.0分析表明：在1Mhz带宽内，增益=5,输出电压峰峰值=10V。满足题目要求。4)方波占空比调整电路TTL产生部分：TTL信号的产生原理是借助已经产生的DDS信号(正弦波、三角波)，加以高速比较器，将正弦信号转变为脉冲信号。由于DDS产生的信号频率特性很好，这也就保证了TTL信号的频率特性;同时，方法利用了已有的资源，减少了硬件开销。现在比较采用正弦波和三角波产生TTL信号，对于占空比调整精度的差别。先考虑用正弦波信号与一个直流进行比较来产生TTL信号，正弦信号与时间本身不是一个线性关系，这导致比较电平与占空比之间并非一个线性关系。因此，要达到一个很高的精度，采用借助正弦波产生TTL信号的方法并不合适。下面分析用三角波来产生占空比可调的方波信号： 如图所示f=1/T为频率,比较电平值为X2,设占空比为D（0D1）根据图可得D=t2/T=(2t1+T/2)/T=2t1/T+1/2所以t1=T(D-1/2)/2由于三角波的线性特性，我们可以得到占空比D和比较电平X2之间的关系：X2=A+X=A+4A/T*t1=2AD可见若用三角波来产生方波信号可以得到一个占空比与比较电平的简单的线性关系。比较电平是用AT89S52控制DAC0832并通过两个运算放大器产生可数控的参考电压，用Proteus仿真电路如下;上图为产生可数控的电源图下图为TINA仿真的用三角波产生的可变方波占空比的比较器部分其输出波形如下图所示：液晶显示及键盘控制用proteus仿真如下：按键功能说明;09为10个数字键，其它六个为功能选择键，STEP+:每按一下频率步进1HZ;WAVE:输出波形选择键；HZZ为确认键；BACK为返回键；SQU为方波输出选择键；W_STEP+;每按一次占空比5%步进。 该按键和液晶人机交互友好，并充分利用现有的按键，可方便快捷的实现波形转换和频率步进等题目所要求的功能。系统软件设计： 程序全部由C语言编写。主函数的流程图如下图所示，先进行系统初始化，设定AD9834的初始值，在上电后先要对AD9834进行复位，这将使相应的内部寄存器清零。为避免误输出，在AD9834初始化过程中，复位控制位必须一直保持为高。其次通过LCD的菜单与键盘的配合，对输出的信号参数进行选择，在单片机内部对输入的信号进行预处理。若为正弦波和三角波信号，则向AD9