程控信号发生器论文.doc

目 录1概述11.1 题目名21.2 功能和技术指标要求21.3 国内外相关情况概述2 1.3.1波形发生器的发展状况2 1.3.2国内外波形发生器产品比较3 1.3.3本课题在国内外的发展状况42 技术方案5 2.1 波形产生原理52.2 总体设计方案52.3 方案论证63 硬件设计73.1 波形产生电路73.2 电源电路83.3 单片机电路94 软件设计104.1 软件功能说明104.2 软件总流程104.3 各功能软件135 附录一 附录二 第一章 概述1.1 题目名程控信号发生器设计1.2 功能和技术指标要求（1） 输出电压：交流24V（2） 输出波形： 连续矩形波，频率10100kHZ可调，幅值可调 连续正弦波，频率10100kHZ可调，幅值可调 连续锯齿波，频率10100kHZ可调，幅值可调 连续三角波，频率10100kHZ可调，幅值可调 单个正弦波，每按一次输出开关输出一个正弦波，周期时间，幅值可调 单个矩形波，每按一次输出开关输出一个矩形波脉冲，波脉冲的宽度、周期时间，幅值可调 单个三角波，每按一次输出开关输出一个三角波，周期时间，幅值可调 单个锯齿波，每按一次输出开关输出一个锯齿波，周期时间，幅值可调（3） 输出阻抗：100（4） 最大输出电流：10mA（5） 信号输出幅值在105000mV之间可调，相邻两档幅值变化不超过1%（6） 信号输出频率可调，相邻两档幅值变化不超过1%（7） 输出信号频率、幅值数字可调1.3 国内外相关情况概述1.3.1波形发生器的发展状况 波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。 90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为 HP770S的信号模拟装置系统，它由 HP8770A任意波形数字化和 HP1776A波形发生软件组成。HP8770A实际上也只能产生8 中波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic公司推出了型号为 Data-2020的多波形合成器，Lecroy 公司生产的型号为9100 的任意波形发生器等。 而近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成 v=f (t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如Visual Basic ,Visual C 等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。 （2）与VXI资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便。 （3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。1.3.2国内外波形发生器产品比较 早在 1978 年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为 5MHz ，可以形成 256 点(存储长度)波形数据，垂直分辨率为8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 表1.1给出了几种波形发生器的性能指标，从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在波形发生器上的研制水平。表1.1一些波形发生器的性能指标公司TektronixTektronix横河电机Wavetek型号AG320AWG710AG5100295最高采用频率16MS/s4GMS/s1GMS/s50MS/s通道数2224垂直分辨率12bit8bit8bit12bit存储容量64K8M8M64K输出电压10V2.5V2V15V1.3.3本课题在国内外的研究现状二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过 GHz 的DDS 芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003 年，Agilent的产品 33220A能够产生 17 种波形，最高频率可达到 20M，2005 年的产品N6030A 能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达 1.25GHz。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快。 对目前而言，国外（美）研究和使用的信号发生器大多要求频率在10HZ-50MHZ，产生正弦、三角、锯齿、方波、调幅、直流等波形，而国内则对频率在5*10HZ-40MHZ，能产生正选-三角等基本波形已经调幅、调频、TTL等的信号发生器需求大 第二章 技术方案2.1 波形产生原理方案一：使用集成函数发生器芯片集成函数芯片有ICL8038等。ICL8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，将它作为正弦信号发生器。它是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。但是发挥部分要求正弦波以1Hz为步进增加，所以用ICL8038不方便控制。方案二：采用锁相式频率合成（PLL）锁相式频率合成是将一个高稳定度和高精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内可变的矛盾，但频率受VCO可变频率范围影响，高低频率比不可能作得很高，随着频率稳定度的提高，PLL的锁定时间越来越来越长。方案三：直接数字频率合成（DDS） 直接数字频率合成技术是根据相位间隔对波形信号进行取样、量化、编码，然后储存在EPROM中构成一个波形查询表。频率合成时，相位累加器在参考时钟的作用下对时钟脉冲进行计数，同时将累加器输出的累加相位与频率控制字K预置的相位增量相加，以相加后的吉果形成波形查询表的地址；取出表中与该相位对应的单元中的幅度量化波形函数值，经DA转换器输出模拟信号，再经低通滤波器平滑得到符合要求的模拟信号。相位累加器的最大计数长度与波形查询表中所存储的相位分隔点数相同，由于相位累加器的相位增量不同，将导致一周期内的取样点数不同，在取样频率(由参考时钟频率决定)不变的情况下，输出信号的频率也相应变化。如果设定累加器的初始相位，则可以对输出信号进行相位控制。目前有许多可用作信号发生器的专用DDS集成芯片，如ADI公司推出的AD9850其基本结构原理图如图2。图2 DDS结构原理图综合比较以上方案，结合信号发生器产生的频率稳定度和精确度要求，我们选择DDS直接数字频率合成。一方面，DDS较信号发生器更容易精确控制；另一方面，DDS较锁相式频率合成外设少，更容易实现。2.2 总体技术方案4*4键盘输入DDS低通滤波LCD液晶屏51单片机示波器1.波形设定：对任意波形进行程序设定2.单片机部分：最小系统3.键盘：用按键来控制输出波形的种类和数值的输入4.显示部分：采用LCD显示波形的频率与幅值 5.低通滤波部分：减少波形的抖动、抑制高次谐波、取出主频f第三章 硬件设计3.1、波形产生电路本作品采用直接数字频率合成技术，使用ADI公司的集成DDS器件AD9850。 AD9850是AD公司生产的最高时钟为125 MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器（DAC）和高速比较器3部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成，并具有时钟产生功能。AD9850的DDS系统包括相位累加器和波形查找表，其中相位累加器由一个加法器和一个32位相位寄存器组成，相位寄存器的输出与外部相位控制字（5位）相加后作为波形查找表的地址。波形查找表实际上是一个相位/幅度转换表，它包含一个任意波期的数字幅度信息，每一个地址对应任意波中0360范围的一个相位点。查找表把输入地址的相位信息映射成任意波幅度信号，然后驱动10 bit的DA变换器，输出个互补的电流，其幅度可通过外接电阻进行调节。AD9850还包括一个高速比较器，将DA变换器的输出经外部低通滤波器后接到此比较器上即可产生一个抖动很小的方波，这使得AD9850可以方便地用作时钟发生器。 图3.2 LPF电路3.2、电源电路3.3、单片机电路图3.4 单片机最小系统由于AT89C52芯片中，I/O口内置上拉电阻，所以在制作键盘模块时可以不加电阻。本模块包括16个键位，用来选择波形和调节类型，调节所选波形的类型参数。确认输出和返回主菜单。键盘电路如下图图3.5 键盘电路此次实习，我们选用的是1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。图3.6 LCD1602电路图第四章 软件设计4.1、软件功能说明程序各部分分别做成模块，按主程序调用子程序的方式执行。此程序的功能就是要将外部输入的频率、幅值数据按照一定协议和算法变换成DDS芯片（AD9850）所能接受的格式，并送出相应的频率相位控制信号，从而使AD9850能产生频率可控的任意信号。4.2、软件总流程下面给出程序设计流程图： 图4.1 软件总流程图 4.3 各功能软件一、键盘扫描子程序如图4.2所示。因按键较多。本系统采用28行列式键盘来节约IO口，并用程序把8根列线全部拉低，再判断2根行线是否有低电平，如果没有，说明没有按键被按下，系统则退出键盘扫描程序，否则，依次拉低列线，然后依次判断行线是否有低电平并判断键号，键号确定后再转到键号相对应的功能程序去执行。键盘主要方便用户设置频率、幅度、选择工作方式等功能。图4.2键盘扫描子程序二、信号频率的数字控制程序流程如图4.3所示。该部分程序主要用于将键盘输入值转换成十六进制数据，然后产生相应的频率控制字并送至DDS芯片，以改变DDS的相位增量，最终输出相应频率信号。图4.3 信号频率数字控制程序附录一：总体电路原理图 参考文献1 郑凤涛,陈金佳.基于CPLD的数控正弦波的信号源的设计.黎明职业大学学报,2003,2 徐志军,徐光辉. CPLD/FPGA的开发与应用. 北京：电子工业出版社，20023 黄正谨,徐坚,章小丽等.CPLD系统设计技术入门与应用.北京：电子工业出版社，20024 陈新原,龙世瑜.DDS芯片AD9