波形发生器设计PPT课件

.,1,.,2,一、任务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，波形发生器结构示意图如图所示。二、要求1基本要求（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。（2）用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（5次以下）线性组合的波形。（3）具有波形存储功能。（4）输出波形的频率范围为100Hz20kHz（非正弦波频率按10次谐波计算）；重复频率可调，频率步进间隔100Hz。（5）输出波形幅度范围05V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整。（6）具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。,.,3,2.发挥部分（1）输出波形频率范围扩展至100Hz200kHz。（2）用键盘或其他输入装置产生任意波形。（3）增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于3%（负载电阻变化范围：100）。（4）具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置。（5）可产生单次或多次（1000次以下）特定波形（如产生10个周期三角波输出）。（6）其他（如增加频谱分析、失真度分析、频率扩展200kHz、扫频输出等功能）。,.,4,三、评分标准,.,5,题目分析在对原题进行仔细的阅读分析后，将题目要求完成的功能和技术标归纳成一个表格，使之更加明了，详见下表。由表可知，本题的重点和难点如下:重点:波形生成;频率变化范围及步进;输出电压幅度范围，步进及稳幅。,.,6,难点:任意波形及各种组合波形的生成;频谱分析，失真度分析，频率扩展（200kHz），扫频输出等。本题只对失真度和频率稳定度提出明显的要求，但从其他要求中已间接保障这两项重要技术指标。这部分内容放在方案论证中再介绍。,.,7,.,8,方案论证一、波形生成方案方案一：采用分立元件和中小规模集成电路构成波形发生器；方案二：采用单片压控函数发生器MAX038构成波形生成电路；方案三：采用锁相式频率合成方案；方案四：采用DDFS，即直接数字频率合成方案；,.,9,二、波形生成原理1正弦波、方波、三角波、锯齿波的生成原理采用DDS（又称DDFS）技术不仅可以生成正弦波、方波、三角波、锯齿波以及可以编辑生成上述四种波（同周期）的线性组合波，基波和谐波（5次以下）的线性组合波，还可以生成任意波和生成单次或多次（1000次以下）的特殊波形。,.,10,（）正弦波生成原理将要输出的波形数据预先存在ROM（或RAM）单元中，然后在系统标准时钟（CLK）频率下，按照一定的顺序从ROM（或RAM）单元中读出数据，再进行D/A转换、滤波就可以得到一定频率的输出波形。以正弦波为例，在正弦波一周期（360）内，按相位划分为若干等分，将各相位对应的幅值A按二进制编码并存入ROM中，设=6，则一周期内共有60等分。由于正弦波对180为奇对称，对90和270为偶对称，因此ROM中只需存090范围内的幅度码。其090范围内编码关系见下表。,.,11,以ROM为基础组成的DDS原理图,.,12,正弦信号（090）范围内编码表,.,13,输出频率通式,其中，fc为时钟频率，n为地址位数，K为相位控制字，即每多少个输出一个数据,当K=1时，可得到最低频率输出，即,当K=2n-2时，可得最高频率输出，即,频率分辨率,.,14,（）.三角波、方波、锯齿波生成原理方波：三角波：锯齿波：,.,15,由此可见，采用此种方法，只需利用一个基本的正弦函数表，就可以近似地生成上述四种波形。这种方法还可以扩展到任意波形，其前提条件是该波形可以利用傅里叶进行分解成基波与它们的谐波之和。或者利用频谱分析法能求出它的基波和谐波的信号强度。便能生成任意波形。,.,16,（）正弦波、方波、三角波线性组合波生成原理设正弦波、方波和三角波的函数分别为f1、f2、f3，其线性组合函数为f=Af1+Bf2+Cf3因存储在ROM或RAM中的上述三种函数表一般是幅度归一化的函数表。且同频率线性组合。只需将采样对应的幅值先分别乘以固定系数A、B、C，然后求和，得到新的函数表再存入ROM或RAM中，等待用户调用即可。,.,17,（）编辑生成基波及谐波（5次以下）线性组合波的原理,原理已经在（）做了介绍。根据已知的傅利叶级数的表达式，预先存好数据调用即可。,.,18,（）任意波形的生成原理方法一：以触摸屏作为前向通道，采集用户在触摸屏上绘制的波形，并将其存储和显示。触摸屏与单片机之间通过串口进行数据传输，波特率为9600Hz。当触摸屏被触及时，它便将被触及点的坐标值进行适当的编码，并打包传给单片机，单片机接收到信号后，对接收到的数据进行适当的处理，然后存储起来，这样就完成了一次波形的输入操作。方法二：采用键盘输入。这是最基本的方法。优点是输入值精确，实现方便。但用户自定义输入时无法自由输入想要的特殊波形。,.,19,（）产生单次或多次（1000次以下）特定波形的原理方法一：计数法。通过PLD（或FPGA）内部计数输出脉冲的方法，通过计数累加器进位信号来得到输出波形个数，当达到输出个数时就禁止输出的方法实现。方法二：单片机中断请求法。将进位信号反相后输入至单片机中断口，每输出一个完整波形就向单片机发送中断。单片机对中断次数计数，到达预定值即控制PLD（或FPGA）停止输出。当预定值为1时，就实现了单次生成。当预定值为K200kHz，步进100Hz。现选定fomin=20Hz，fomax=250kHz，频率分辨率f=10Hz。满足题目要求。,.,21,.,22,四、输出电压幅度变化范围及步进论证方案一：利用DDS本身的调幅功能实现输出电压的变化范围及步进DDS本身具有调幅功能。我们知道，函数表的幅度是经过归一化的。即最大幅度为1V。若幅度改为A，只需将函数表中存储的幅值均乘以常量A就行了。根据题目要求，输出电压的变化范围为05V，步进为0.1V。若输出电压从0.0V开始，依次输出为0.1V，0.2V，5.0V，则有51种工作状态。考虑符号位取7位幅度码，则有128种工作状态。若000000对应0V，000001对应0.1V，111111对应6.3V。完全可以满足题目要求。方案二：采用双D/A转换器的设计方案采用双D/A转换器。函数表中存储的是幅值数字量，先将该数字量通过第一个D/A转换器转换成模拟量，然后将该模拟量作为第二个D/A转换器的参考量，第二个D/A转换器输出受控制的模拟量。可选用DAC0800，电流建立时间为100ns，完全可以满足转换速度要求。但必须指出，DAC0800相当于一个数控衰减电位器。它的增益小于1。上述两种方案均可行，各有各的优势。,.,23,五、稳幅论证根据题目要求，负载电阻变化范围为100时，输出电压幅度变化范围在-3%+3%内。为了满足这个技术指标，只要输出级采用跟随器就行。因为跟随器实际上属于电压串联负反馈，对输出电压有稳定作用，且输出电阻小，带负载能力强。,.,24,六、波形存储论证方案一：采用EEPROM2817作为存储器件对用户波形的存储，由于要求掉电不丢失数据，因此采用EEPROM2817作为存储器件。2817操作简单，易于实现与单片机的连接。其片选、读允许、写允许信号均与普通RAM接法相同。在写操作时，单片机对其RDY信号进行查询，有效则继续写入，无效则等待。每次输出波形之前，先对波形进行存储。方案二：使用FPGA作为数据转换的桥梁，将波形数据存储在内部的RAM中，通过硬件扫描将波形数据传输给DAC0832产生波形输出。由于FPGA是一种高速高密可编程逻辑器件，可以满足题目要求。但是，FPGA中的RAM容量有限，不足以存储足够的原始波形数据，所以，先将数据存储在EPROM27C512中，通过单片机的控制将数据传输给FPGA，再由FPGA将数据高速传送给DAC0832。,.,25,七、波形显示1.液晶驱动采用LCM12864C（12864）点阵式液晶屏作为主要显示工具。该液晶屏自带双控制芯片，自动完成液晶控制。该液晶屏具有众多控制字。2.汉字显示LCM12864C支持全中文显示。全部的国标汉字点阵信息（1212）存入在FlashROM中，共192kByte。每个汉字的内码有两个字节（a，b）。3.菜单结构采用全程菜单操作系统。1）预设波形2）自定义波形3）波形叠加,.,26,八、频谱分析论证1）基于FFT技术的数字频谱仪九、失真度分析论证输出信号经过频谱分析仪分析出基波与谐波的信号强度后，根据失真度公式计算：,.,27,十、扫频输出采用DDS技术实现扫频输出非常方便。设扫频一周为T，将T均分为N个时间等分，每一个时间间隔改变频率一次。只需改变频率控制字K就行了。K值由低到高。于是频率变化也由低到高变化，当计时器到T时自动返回。可以编一段子程序就可实现自动频率扫描。,.,28,系统设计1.总体设计（1）系统框图如图所示。（2）各模块说明如下。,.,29,波形产生电路用EPLD控制DDFS电路，从存储器读出波形数据，把数据交给D/A转换器进行转换得到模拟波形。键盘输入模块用8279控制44键盘，8279得到键盘码，通过中断服务程序把键盘信息送给单片机。此方案不用单片机控制键盘，使单片机可以腾出更多资源。液晶显示模块采用液晶显示可以显示很多信息，接口电路简单，控制方便。任意波形输入模块采用触摸屏将手写的任意波形的数据从单片机串口送入系统，也可通过具有RS-232接口的外设输入波形数据，供单片机处理。,.,30,波形A/D采集模块用MAX574，以10kbps速率对输入信号进行采集。频谱分析模块采用高效实序列FFT算法计算采样信号的频谱。单片机控制模块系统的主控制器，控制其他模块协调工作。,.,31,2.各模块设计及参数计算1）频率参数计算、EPLD设计题目要求波形频率范围为100Hz200kHz，步进100Hz。为使频率范围扩展到200kHz，步进达到1Hz，根据fout=fclk/2MNf=fclk/2M=1因此选取的时钟频率必须为2MHz。另外要保证200kHz以上时，取样点数不小于32点，以减小失真，这样时钟频率必须大于6.4MHz。综合考虑，选取相位累加器时钟频率8.388MHz，相位累加器位数为23位，频率步进为fs=8.388106/223=1Hz相位增量寄存器为18位，则最高输出频率为fout=8.388218/223=262.125kHz所以，最低输出频率为1Hz。D/A转换器的转换时间为100ns，可以保证在输出频率为262kHz时，输出32个样点。用EPLD芯片作为控制电路输出地址，从存储器读出数据送到D/A转换器。EPLD芯片选择了EPM7128SLC84-15，在8.388MHz频率下，时延影响可忽略。为节省单片机的输出引脚，采用串行输入的方式对EPLD进行控制。控制电路的设计用VHDL语言实现。原理框图所示。,.,32,EPLD步进控制电路设计原理,.,33,2）幅度控制、双D/A设计双D/A转换是实现幅度可调和任意波形输出的关键，第一级D/A的输出作为第二级D/A转换的参考电压，以此来控制信号发生器的输出电压。D/A转换器的电流建立时间将直接影响到输出的最高频率。采用的是DAC0800，电流建立时间为100ns，在最高频率点，一个周期输出32点，因此极限频率大概是300kHz，本系统的设计为250kHz。幅度控制用8位D/A控制，最高峰-峰值为12.7V，因此幅度分辨率为0.1V。,.,34,3）滤波、缓冲输出电路（如图）设计D/A输出后，通过滤波电路、输出缓冲电路，使信号平滑且具有负载能力。,二阶有源低通ButterWorth滤波器及数据输出缓冲,.,35,4）液晶显示、键盘输入显示单元采用点阵液晶显示模块。该LCD模块是由LCD驱动器、LCD控制器、少量电阻电容以及LCD屏组成，具有质量轻、体积小、功耗低、显示内容丰富、指令功能强（可组合成各种输入、显示、移位方式）、接口简单方便（可与8位微处理器或控制器相连）、有88bit的RAM、可靠性高等优点。键盘输入模块采用8279控制44阵列键盘，采用扫描方式由8279得到键盘码，并由中断服务程序把数据送给单片机。此方案不用单片机扫描，占用资源少。5）单片机最小系统本系统程序代码比较长，约二十几kbit，使用PHILIPY公司的89C58单片机，片内有32Kbit程序ROM，不必扩展外部ROM。本程序需要的RAM也是比较大，以进行数据采集、波形存储、FFT运算、失真度分析等操作，本系统扩展了32Kbit外部SRAM。为了方便单片机和EPLD存取数据，采用双端口RAM。,.,36,6）任意波形输入方法一:以触摸屏作为前向通道，采集用户在触摸屏上绘制的波形，并将其存储和显示。触摸屏和单片机之间通过串口进行数据传输，波特率为9600Hz。当触摸屏被触及时，它便将被触及点的坐标值进行适当的编码，并打包传给单片机，单片机接收到数据后，对接收到的数据进行适当的处理，然后存储起来，这样就完成了一次波形的输入操作。方法二:通过串行RS-232接口，实现与任何带RS-232接口的输入设备连接。只要外部通过RS-232接口，向单片机发来数据，即可实现波形的输入。7）掉电存储对用户输入波形的存储，由于要求掉电不丢失数据，因此我们采用EEPROM2817作为存储器件，2817操作简单，易于实现与单片机的连接。其片选、读允许、写允许信号均与普通RAM接法相同。在写操作时，单片机对其RDY信号进行查询，有效则继续写入，无效则等待。每次输出波形之前，先对波形进行存储。8）对A/D信号采样进行频谱分析采样选用12位A/D转换器MAX574，其转换时间为25s，考虑到存储及中断调用等时间，选择采样中断时间为100s，这样采样频率为10kHz。根据奈