【本科优秀毕业设计】任意波形信号发生器

毕业设计论文任意波形信号发生器摘要任意波形发生器是信号源的一种，它是具有信号源所具有的特点，更因它高的性能优势而倍受人们青睐。信号源主要给被测电路提供所需要的己知信号各种波形，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。本论文的主要任务是基于DDS技术，AD760为核心，89C52单片机作为控制器设计一个性能优良的任意波形发生器。论文中主要对微机控制的任意波形发生器的软硬件设计进行了相应的研究，由CPU,DAC，计数器，定时器模块组成主要是用于对上层波形数据的接收，存储，同时可以单独使用，通过CPU向DAC发送所需波形数据。软件部分是开发一个任意波形发生器的波形编辑软件。通过该软件用户可以设置各种波形参数，进而控制硬件模块产生相应的波形信号通过串口下载到硬件系统。该软件集中体现了任意波形发生器的“任意”性，它具有强大的波形生产、编辑及处理功能。波形生产方式包括数学函数产生波形、手动绘制波形可以改变波形的幅度和相位。最后概括总结了全文，给出了结论，并说明了系统设计中待改进的工作。关键词任意波形、DDS、89C52ABSTRACTTHEARBITRARYWAVEFORMGENERATORISONEKINDOFTHESIGNALSOURCE,ITHASTHECHARACTERISTICSTHATTHEREARETHESIGNALSOURCES,FAVOREDBYPEOPLEBECAUSEOFITSHIGHPERFORMANCEADVANTAGETHESIGNALSOURCEPROVIDESTHEKNOWNSIGNALSNEEDEDFORCIRCUITUNDERTESTMAINLYVARIOUSKINDSOFWAVEFORMS,THENMEASURETHEPARAMETERTHATISINTERESTEDINWITHOTHERINSTRUMENTITISOBVIOUSTHESIGNALSOURCEISUSEDANDTESTTESTINGWHILEDEALINGWITHINVARIOUSKINDSOFEXPERIMENTS,ITISNOTAMEASURINGINSTRUMENT,BUTACCORDINGTOTHEREQUESTOFUSER,ASENCOURAGESOURCE,EMULATIONVARIOUSKINDSOFTESTSIGNAL,OFFERTOTHECIRCUITUNDERTEST,INORDERTOMEETMEASUREMENTORVARIOUSKINDSOFACTUALNEEDSTHEMAINTASKOFTHISTHESISISTODEVELOPTHECOREOFREGARDINGDIGITALSIMULATIONCHIPAD760OFADCOMPANYASBECAUSEOFDDSTECHNOLOGY,CYGNALCOMPANY89C52ONECHIPCOMPUTERDESIGNSAOFGOODPERFORMANCEARBITRARYWAVEFORMGENERATORASTHECONTROLLERTHESISDESIGNCORRESPONDINGRESEARCHTOARBITRARYWAVEFORMGENERATORANDHARDWAREOFGENERATORTHATCOMPUTERCONTROLMAINLY,BYCPU,DAC,THECOUNTER，TIMERMODULEISITISITRECEIVETOUPPERSTRATAWAVEFORMDATUMTOUSEDFORMAINLYTOMAKEUP,STORE,CANUSEALONEATTHESAMETIME,SENDTHENECESSARYWAVEFORMDATATODACTHROUGHCPUTHEPARTOFTHESOFTWAREISTHESOFTWAREFOREDITINGOFWAVEFORMWHICHDEVELOPSAARBITRARYWAVEFORMGENERATORCANSETUPVARIOUSKINDSOFWAVEFORMPARAMETERTHROUGHTHISSOFTWAREUSER,CONTROLHARDWAREMODULEPRODUCECORRESPONDINGWAVEFORMSIGNALDOWNLOADTHROUGHONEUARTTOTHEHARDWARESYSTEMSOFTWARETHISEMBODYACONCENTRATEDREFLECTIONOFARBITRARYWAVEFORM“ARBITRARY“OFGENERATOR,ITWITHPOWERWAVEFORMPRODUCE,EDITANDPUNISHTHEFUNCTIONTHEMODEOFPRODUCTIONOFTHEWAVEFORMINCLUDINGMATHEMATICSFUNCTIONPRODUCESTHEWAVEFORM,DRAWSTHEWAVEFORMMANUALLYCANCHANGETHERANGEOFTHEWAVEFORMANDPHASEPLACEKEYWORDSARBITRARILYWAVEFORM、DDS、89C52目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111概述112国内外波形发生器的发展状况2121任意波形发生器的发展状况2122研制任意波形发生器的目的及意义413本文研究内容4第2章任意波形发生器的设计方案与理论分析721任意波形发生器原理7211直接模拟法7212直接数字法722任意波形发生器的设计方案10221任意波形发生器的总体设计方案1023任意波形发生器的理论分析11231理想DDS的谱分布12232DDS的相位噪声1324小结14第3章任意波形发生器的硬件设计1531题目分析及方案论证15311波形发生器15312幅度控制方法1632系统设计17321总体设计思路1733小节17第4章各模块具体实现原理分析和说明1941波形表生成模块1942频率控制模块1943数模转换及幅度控制模块2044滤波处理模块2145波形数据存储2246小结22第5章任意波形发生器的软件设计2351波形编辑软件总体设计2352系统软件流程图23521软件功能及算法2553误差分析25531相位误差25532幅值量化误差26533由于D/A变换器的非理想特性引起的误差26534电源噪声26535运放带来的误差2654小结26结论27参考文献29附录131附录235附录339附录453致谢57第1章绪论11概述信号源有很多种，包括正弦波信号源、函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。一般来讲任意波形发生器，是一种特殊的信号源，综合具有其它信号源生成能力，因而适合各种仿真实验的需要。主要有这样的功能1函数功能函数信号源是使用最广的通用信号源，它能提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等波形，有的还同时具有调制和扫频能力、众所周知，在基础实验中设计一种电路，需要验证其性能、可靠性与稳定性，就需要给它施加理想的波形以辨别真伪。如可使用信号源的DC补偿功能对固态电路控制DC偏压电平可对一个怀疑有故障的数字电路，利用信号源的方波输出作为数字电路的时钟，同时使用方波加DC补偿产生有效的逻辑电平模式输出，观察该电路的运行状况，而证实故障缺陷的地方，总之，利用任意波形发生器这方面的基础功能，能仿真基础实验室所必须的信号。2任意波形众所周知，在实际的电子环境所设计的电路在运行中，由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，例如图11尖峰脉冲图12频率突变过脉冲、尖峰、阻尼瞬变等见图11，图12，这些情况的发生，如在设计之初没有考虑进去，有的将会产生灾难性的后果。例如图11中A处过剑峰脉冲，如果给一个抗过冲能力差的电路，将可能会导致整个设备“烧坏”。由于任意波形发生器特殊的功能，为了增强任意波形生成能力，它往往依赖计算机通讯输出波形数据。在计算机传输中，通过波形编辑软件生成波形，有利于扩充仪器的能力，更进一步仿真模拟实验。同时由于编辑一个任意波形有时需要花费很长的时间和精力，并且每次编辑的波形可能有所差异，一般会在任意波形发生器内配置一定数量的非易失性存储器。可以把所需要的波形从计算机接口下载到任意波形发生器的存储器中。综上所述，不论是在生产还是在科研与教学上，任意波形发生器是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。随着我国经济和科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求，而任意波形发生器己成为测试仪器中至关主要的一类，因此开发任意波形发生器具有重大意义。12国内外波形发生器的发展状况121任意波形发生器的发展状况任意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。任意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，组成白动测试系统，因此被广泛用于白动控制系统、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，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形，输出的波形具有良好的相位噪声、较低的寄生分量以及较快的开关速度等，但是模拟电路的漂移较大，使输出的波形的幅度稳定性差，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，因而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，可以利用为处理器、A/D/和D/A,硬件和软件是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。例如，令微处理器的累加器A白身循环增量，每增量一次即向DAC送出一个数，使DAC有一个输出。因为当A的内容达到最大值X55时，再增量一次，A的内容就变为最小值零，然后可以继续增加。如此，周而复始，就可以从DAC输出端获得一个正相的阶梯波。用同样的方法还可获得方波、锯齿波、三角波等波形。软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，主要时由CPU的工作速度决定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期或提高CPU的时钟周期，但这些办法时有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路。当时的信号处理其时专用于心好处理的微处理器，时钟频率只有12MHZ,A/D和D/A一般在8位左右，内部存储容量也很小。因此，能够产生正弦波的有效频宽不会超过1MHZ，要获得比较平滑的低失真度的波形，重复频率不会超过L0KHZ。用数字方法的函数发生器尚处于开发阶段，正式的商品还不多。到了1988年，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DATA2020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。现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大的促进了数字化技术在电子测量仪器的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之逐渐发展起来。目前任意波形发生器的基础就是直接数字合成技术，用存储器做查询表通过数字形式存入的波形，由数/模转换器产生所需要的任意波形。近几年来，国际上任意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，使得任意波形发生器能应用于越来越广的领域。任意波形发生器软件的开发正使任意波形的输入变得更加方便和容易。任意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。同时可以利用一种非常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VFT形式的波形方程的数学表达式产生。各种计算机语言的飞速发展也推动了任意波形发生器软件技术的发展。目前可以利用可视化编程语言如VISUALBASIC,VISUALC等等编写任意波形发生器的软面板，这样允许徒手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，任意波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卜以及新近开发的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系统测量和产生复杂的波形，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，使得任意波形发生器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，又在繁荣起来。不过现在的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122研制任意波形发生器的目的及意义任意波形发生器是信号源的一种，它是具有信号源所具有的特点，更因它高的性能优势而倍受人们青睐。信号源主要给被测电路提供所需要的己知信号各种波形，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。目前我国己经开始研制任意波形发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说，我国任意波形发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看，多为一些PC仪器插卜，独立的仪器和VXI系统的模块很少，并且我国目前在任意波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。13本文研究内容对任意波形发生器的研制在国外己有报道，而国内在这方面报道较少，本论文的任务是根据任意波形发生器的特点和应用情况，结合新一代高性能芯片设计一种使用简单、性能优良的任意波形发生器，该任意波形发生器能产生正弦波、方波，三角波等常用的标准信号，还能根据用户的需要生成任意波形，整个系统采用单片机控制，论文主要研究在任意波形发生器设计时如何合理地确定设计方案，在系统的硬件设计时需要注意的问题以及如何进行电路设计，还有单片机软件和生成任意波形编辑软件的编写等等问题。第2章任意波形发生器的设计方案与理论分析21任意波形发生器原理目前信号发生的主要实现方法由直接模拟法、直接数字法两种。211直接模拟法图21直接模拟法框图这是传统函数发生器的简化基本结构，一般都是由白由振荡器产生原始波形，然后经过转换电路将原始波形转换成其他波形，在上图中三角波是由振荡器产生的，方波是三角波通过比较器转变而成的，正弦波是三角波通过一个波形整形电路正弦波整形器演变而来的，所需要波形经过放大和衰减输出，显然这种方式产生的波形种类有限，每增加一种波形，都要增加相应的转换电路，整个电路变得很复杂，最重要的是要产生用户所需要的任意波形复杂的波形几乎不可能。212直接数字法直接数字法是采用直接数字合成DIRECTDIGITALSYNTHESIS的方法实现信号产生。该技术具有频率转换速度快、频率分辨率高、易于控制的突出特点。直接数字合成技术近年来发展得很快，而要产生任意波形就必须采用直接数字很成技术。随着DDS技术的发展，出现了各种各样的直接数字合成的结构，但基本上可以发成两种1基于地址计数器的数字频率和成法2基于相位累加器的数字频率和成法2121基于地址计数器的直接数字和成法1结构框图图22基于地址计数器的直接数学合成结构框图这是一种最简单的直接数字很成方式，这种直接数字频率合成器的结构包括地址计数器，存储器和D/A转换器。2工作原理将波形数据存储于存储器中，而后用可程控的时钟信号为存储器提供扫描地址，与每个地址相对应的数据则代表波形在等间隔取样点上的幅度值。数据被送至DAC，从而产生一个正比于其数字编码的电压值，每个电压值保持一个时钟周期，直至新的数据送至DAC，经数模转换后得到所需要的模拟电压波形。在存储器里的数据产生的波形是对“取样波形”的阶梯近似。假定地址计数器的时钟频率为FC，波形一周期内有N个采样值，那么很成的波形频率为CFN如果改变地址计数器的时钟频率或ROM的地址步进大小，合成波形的频率都会随着改变。而要改变波形，只要在只读存储器中写入不同的数据。2122基于相位累加器的直接数字合成法1结构框图地址记数器波形数据存储器数/模转换器时钟地址波形数据输出波形图23基于相位累加器直接数字合成结构框图这种结构中主要由相位累加器、数据ROM,D/A变换器组成，它是种全新的直接数字合成方式。目前国内外文献种提到的DDS一般是指这种方式，下面不作说明均指这种方式。2工作原理将要产生的波形数据存入波形存储器，然后在参考时钟的作用下，对输入的频率数据进行累加，并且将累加器的输出一部分作为读取波形发生器的地址，将读出的波形数据经D/A转换为相应的电压信号，D/A转换器输出的一系列的阶梯电压信号经低通滤波后便输出了光滑的很成波形信号。以合成正弦波为例，通常我们考虑一个正弦波时习惯使用正弦波的幅度一时间表达式。STASINAX，正弦函数幅度的非线性使依据幅度产生任意频率的正弦波非常困难，但我们注意到，正弦波的相位是线性变化的，DDS技术的关键就在于充分利用了正弦波相位线性变化这一特性，在DDS芯片种，其核心部件是相位累加和SIN函数表，下面作简单介绍相位累加器在功能上说实质是一个N位快速可循环累加器，N位的相位累加器在每一个时钟来临时与频率控制所决定的相位增量A累加一次，计数大于时则白动溢出，保留后面N比特的数字于累加器中。每当相2N位累加器计数满后，可白动循环重新累加，所以输出相位可以保持连续变化，这就保证了输出正弦波的连续性。相位累加器的输出是随时间不断线性变化的用N位二进制数表达的相位信息，相位信息是无法直接利用的，必须设法把相位信息转换成幅度信息，在DDS技术中，人们把对应于不同相位的SINE函数的幅度存储在ROM中，一般地，只要取相位累加器的高A位作为寻址信号，就完全可以满足精度的需要了。22任意波形发生器的设计方案221任意波形发生器的总体设计方案1设计思路任意波形发生器产生的波形总体上可以分成两类正弦波和任意波非正弦波。对正弦波可以逐个读出波形的每一个数据也可以间断地读出波形，这时波形的失真就会加大，但都可以通过滤波来改善失真。对任意非正弦波由于波形变化不规则，其中有丰富的谐波，因而这时不能简单的用滤波的方法来改善波形失真因滤波有可能把信号的有用部分给削减了。所以当要合成产生任意波形时，应采取逐点读出波形的每一个数据，要改变输出频率FC，可通过改变参考时钟频率FC或通过改变波形存储器中存储的波形周期的数目来实现，由于商DDS芯片中ROM表中的数据己固化，只能输出正弦波。所以采用商用的DDS芯片显然很难直接实现任意波形的生成。2系统总体设计框图根据以上分析，基于使用和性能的综合考虑，设计的任意波形发生器的结构时采用直接数字合成结构的方式，采用相位相加累加器的方式，逐点读出波形存储器中波形的数据，经过D/A转换和低通滤波器后输出所需要的任意波形，通过改变参考时钟的频率和计数的步长就可以实现波形频率的改变。图24系统整体框图23任意波形发生器的理论分析DDS的数学模型可归结为在每一个时钟周期内，频率控制码K与CTN比特相位累加器累加一次，并同时对,N取模运算，得到的相位值以二进制代码的形式对RAM进行寻址，输出与该相位值相对应的数字化幅度值，再经DAC数模转换完成离散信号到连续信号的转变，最后经低通滤波器滤波即可得到信号输出。由DDS的数学模型可知，DDS的输出频率满足212CLKNKFF当K1时，DDS有最小频率输出，则DDS的最小频率分辨率22MIN1CFF在实际的DDS电路中，为了达到足够小的频率分辨率，通常将相位累加器的位数N取得较大，如N32但受体积和成本的限制，即使采用先进的存储方法，RAM的容量都远小于此，因此在对RAM寻址时，只是用相位累加器的高W位取寻址，这样不可避免地引起误差，即相位舍位误差。其次，一个幅值在理论上只能用一个无限长的二进制代码才能精确表示，处于RAM的存储能力，只采用了S比特代码来表示这一幅值，这必PC机单片CPU010VVOUT串行接口18位DAC然会引起幅度量化误差。另外，DAC的有限分辨率以及非线性也会引起误差。由此可见，DDS存在引起误差的多种原因，不可避免地会导致许多杂散分量的出现。事实上，杂散多且幅度较高一直是限制DDS应用的主要因素。为获取一个低杂散的信号输出，对DDS的频谱分析就显得尤为重要。231理想DDS的谱分布所谓理想DDS是指不存在相位误差，幅度量化误差以及DAC误差。此时，整个DDS相当于一个理想采一保电路。NCO相当于一个理想采样器，DAC则相当于一个理想保持电路，其系统冲激响应为CHT（T）10T23（）ELS采样器保持电路低通滤波S（N）S（T）0U（T）SIN0（2FT）C（TNT）图25理想DDS等效电路24SCCNNKFK（N）SI（2T）SIN（2T）SIN（2）信号处理理论有，时域的周期性与离散性和频域的离散性与周期性存在着对偶的关系。出SN的离散性，知SN的频谱以1/T为周期另外可知SN是周期系列，其周期为/，K。其中X,Y表示两整数X与YN的最大公约数。出信号处理理论可知，一个离散周期系列的频谱可以这样求得即对它的一个离散周期作FFT变换，所得出的频谱再进行周期拓展，从而得到这个系列的频谱。从而SN的频谱是一些离散谱线，一个周期内共有/2N，K根谱线。考虑到LPF的截至频率是FC/2，且实系列的频谱关于F02N对称，故再O,FC/2内，SN的频谱是T/，K离散谱线，而再在12NN这些谱线中，幅度不为零的只有FFCK/2N,故理想DDS情况下，SN在0,FC/2内没有杂散。由3式可得HT的频谱HF25CJXFTCCHFTSAFE（）（）其中SAXSINX/X的是取样函数时域卷积对应频域相乘，可见，理想DAC只是改变SN输出频谱的幅度和相位，并不增加新的频率点。从而要考察DDS输出频谱分布，只需考虑SN己够。综上，理想DDS情况下，输出ST在0,FC/2内没有杂散。当然，根据信号理论里的无失真采样定理，对波形的采样必须达到奈奎斯特采样速率才能最后无失真的恢复出原波形，在DDS合成正弦波过程中，采样的速率是FC，这样，合成频率的值理论上应有F小于等于FC/2,实际上，输出频率一般为采样频率的3040。232DDS的相位噪声相位噪声的基本概念。通常使用的相位使用的相位噪声这个术语，实际上是正弦频率的短期稳定性。出于相位噪声的存在，引起载波频谱的扩展，其范围可以从偏离载波小于1HZ一直延伸到几兆赫兹。频率稳定性是振荡波在整个规定的时间范围内产生相同频率的一种量度。如果信号频率存在瞬时的变化，不能保持其不变，那么信号源就存在着不稳定性。它的起因就是相位噪声。DDS的相位噪声主要决定于参考时钟源的噪声。可以认为DDS是一个分频比为/K的分频器，设系统时钟的相位噪声为LCFM，则输出信2N号的相位噪声理论可达26020LGNMCLFFK（）（）（）通常，时钟的相位噪声指标较高，按理DDS的输出相噪声会更好，不过，实际的输出信号相噪远达不到这一指标，因为DDS的噪声还取决于其外围电路的噪声。24小结本章讲述了任意波形发生器的设计方案，阐述的两种波形发生器的设计原理，直接模拟和直接数学方法，在下一章里，将介绍任意波形发生器的硬件设计方案。第3章任意波形发生器的硬件设计31题目分析及方案论证311波形发生器方案一采用传统的直接频率合成DS技术。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及各种方法中最高工作频率。但由于才用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量难以达到较高的频谱纯度。更重要的是这种方法实现正弦波，或者进而由积分、微分等方法实现方波、三角波等标准波形，但确无法实现题目所要求的任意波形。方案二采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器VCO的输出频率锁定在所需频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需频率信号，抑制杂散分量，并且省去了大量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率和相位都很难控制。除此之外，同方案1类似，此方案也无法实现任意波形的输出。方案三采用直接数字式频率合成器DIRECTDIGITALFREQUENCYSYNTHESIS，简称DDS或DDFS。用随机读写存储器RAM存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据，经D/A转换和幅度控制，再滤波即可得所需波形如图31。图31直接数字合成流程参考频率源D/A转换器相位累加器波形存储器频率控制字K由于DDS具有相对带宽很宽、频率转换时间极短可小于20NS、频率分辨率可以做得很高典型值为0001HZ等优点，另外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，而且理论上能够实现任意波形，可以完全满足本题目的要求。于是我们采用了此种方案。312幅度控制方法方案一采用双数模转换技术，由单片机控制对DACOS32置数，改变其输出电流，经电流/电压转换后通过电阻以电流源的形式作为高速乘法型D/A转换器DAC08的基准电流，由此即可由单片机控制输出波形的幅度。但此种方法不能准确实现步进01V的要求，且当基准电平为零时，其输出不一定为零。方案二采用数控电位器组成的电阻分压网络，但由于数控电位器的分挡数不能满足题目的要求，而组合接法又比较复杂，故未采用此种方案。方案三幅度控制器由DAC0832控制，利用其内部的电阻分压网络，将其作为数控电位器使用。将DACOS的输出波形作为DAC0832的电压基准源的输入，其输出波形幅度将为VN/256VIN,其中N为单片机输人的幅度控制字。我们采用了此种方法。通过一简单的电阻分压网络调整运放输出为峰峰值05V，再送人DAC0832由单片机控制其幅度，从而实现峰峰值01V步进调整。为了消除波形表生成时所带来的毛刺及生成正弦波时进行数模转换所产生的高频分量，我们在系统的后级设计了滤波器来提高产生的波形质量。方案一采用二阶切比雪夫低通滤波器。切比雪夫滤波器的幅度响应在通带内是在两个值之间波动，在通带内的波动次数取决于滤波器的阶数。理想的切比雪夫滤波器在靠近截止频率的部分有比巴特沃思滤波器更接近矩形的频率响应。这一点是以通带内允许波动为代价而得到的。方案二采用二阶巴特沃思低通滤波器。巴特沃思滤波器的幅度函数是单调下降的，由于N阶低通巴特沃思滤波器的前2N1导数在0处为零，所以巴特沃思滤波器也称为最大平坦幅度滤波器。由于本题目中我们要滤除的频率分量主要为D/A产生的高频分量1M和10M，与我们所要保留的频率20KHZ相差很远，所以相对来说，滤波器在通带内的平坦程度对我们而言，比其衰减陡度更为重要，而且，巴特沃思滤波器的元件值也较合乎实际情况，不像绝大多数其他类型滤波器对元件值要求那么苛刻。在截止频率附近，频率响应钝化可能使这些滤波器在要求截止的地方不合要求。基于上述考虑，我们决定采用第二种方案。32系统设计321总体设计思路根据题目的要求，我们经过仔细分析，充分考虑各种因素，制定出了整体的设计方案以单片机89C52为核心，完成四方面的功能处理键盘数据，生成波形表存储于双口RAM中控制液晶显示控制DAC0832进行幅值转换传送频率控制字K值给FPGA处理。双口RAM的使用减少了单片机和FPGA之间的通信，从而节省了单片机的资源，也使系统更为可靠。FPGA主要用于实现DDS技术中累加器的功能一方面，在很大程度上提高了系统的速度；另一方面，我们将单片机的外围芯片74LS377、74LS373、74LS138、74LS02都集中在FPGA内，既充分利用了FPGA的资源，又减少了单片机与外部设备的接口，提高了系统的可靠性。双口RAM中传输出的数据经DAC08完成数模转换，由DAC0832内部的电阻分压网络实现幅度控制，继而经过二阶巴特沃思低通滤波器进行滤波，再经运放和三极管进行扩流，从而可以得到所需的任意一种具有一定带载能力的波形系统框图参见图32。图32系统硬件设计方案33小节本章讲述了波形发生器的实现原理以及幅度和频率控制的选择方案，具体说明了每个方案的优缺点，得出所选择的方案，最后给出了总的硬件设计流程图。PROM2E双口RAM单片机89C52显示键盘FPGAD/A转换幅度控制低通滤波扩流输出第4章各模块具体实现原理分析和说明41波形表生成模块1根据题目的基本要求A可产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形B键盘输人编辑生成上述三种波形的线性组合波形，以及由基波及其5次以下谐波线性组合的波形。我们设计了下述实现方案将归一化的正弦波、方波三角波的5次谐波以下的波形存储在PROM中，每种波形存储128个点。然后由单2E片机根据键盘输人的不同要求，令各点数据乘以相应的系数并叠加，再将所得到的新的128个字节的数据送双口RAM，此时我们便得到了所需要的波形数据表。2根据题目的扩展要求用键盘或其他输人装置产生任意波形。我们的实现方案为使用键盘输人所需波形的一个周期内16个采样点的数值，单片机采集数据后，进行线性插值，得到128个点的数值送双口RAM，产生所需波形数据表。42频率控制模块这一模块是由单片机控制FPGA实现的。FPGA完成相位累加器结构图见图41的功能，而频率控制字K是由单片机给出的。图41累加器结构图之所以使用FPGA而不用单片机实现累加器功能，是由于考虑到用单片机上限频率无法满足扩展部分200KHZ的要求。另外，使用FPGA借助硬件实现，还节省了单片机的资源，使其有足够的空间完成数据处理以及其它控制功能。我们采用了ALTERA公司的EPF10K10LC844，这是ALTERA公司10000门系列产品，有较高的速度和较大规模的逻辑阵列，完全满足我们的要求。相位累加器见图3是实现DDS的核心，它由一个N位字长的二进制N位加法器N位相位寄存器加法器和一个固定时钟脉冲取样的N位相位寄存器组成。在每个时钟脉冲到达时，相位寄存器采样上个时钟周期内相位寄存器的值与频率控制字K之和，并作为相位累加器在这一时钟周期的输出。当相位累加器积满量时就会产生一次溢出，从而完成一个周期性的动作，这个动作周期即是DDS合成信号的一个频率周期。于是，输出信号波形的频率表示为4102CKF由该式可知，输出信号频率主要取决于频率控制字K，当K增大时，以不断地提高，由抽样定理，最高输出频率不得大于FC/2，而根据实验0F验证，实际工作频率小于FC/3时较为合适。根据题目基本和扩展要求频率范围扩展至100HZ200KHZ，频率步进间隔100HZ。我们取FC10MHZFC的取值受到D/A转换速率的限制，并非越高越好，因为数模转换部分采用的是DAC08,其转换速度为85NS，约为117MHZ,综合考虑，我们选取晶振基准频率为10MHZ,N24位，这样，理论上在200KHZ时，我们的设计所产生的波形在一个周期内仍然有50个点，经后级处理，效果仍然会不错。而且频率分辨率427MIN24106CFHZ可以实现1HZ的步进。43数模转换及幅度控制模块1数模转换采用转换速度为85NS、带宽10MHZ的8位单调高速乘法器A/DDAC08。DAG08具有快速的稳定时间，可完全满足波形发生器的要求。输出级接一个运放作为电压电流转换器，可得到50004960V双极性电压输出。2幅度控制使用带宽1MHZ的DAC0832实现。利用DAC0832内的电阻分压网络，将经DAC08产生的波形作为DAC0832的电压基准源，由单片机控制输人的数字量从而实现幅度峰峰值01V步进的调整。其接法如图42所示。输入DAC08LM353输出LM353DAC0832单片机控制电压基准源图42幅度控制接法44滤波处理模块对于阶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土1倍频上，其幅值为基频的1/N士1。进行低通滤波，可以平滑其台阶。另外，我们还需要滤除由DAC0832和DAC08产生的1MH和10MHZ的高频分量。由于频率覆盖范围较大1HZ200KHZ，且需产生多种波形，为了使整个频率范围内都可以有较理想的滤波效果，我们采用了分段低通滤波的方式，在整个频率范围内将其分为三种清况中心频率为25KHZ的巴特沃思低通滤波器；中心频率为250KH的巴特沃思低通滤波器全通滤波器。其中，频率位于20KH以下的正弦波采用中心频率为25KHZ的巴特沃思低通滤波器，频率位于200KHZ以下的正弦波采用中心频率为250KHZ的巴特沃思低通滤波器，三角波及方波直接输出，由此我们可以得到较好的波形输出见图43。二阶巴特沃思低通滤波器25KHZ二阶巴特沃思低通滤波器250KHZ全通网络D/A输出晶体管扩流输出图43波形输出45波形数据存储使用PROM来存储我们所产生的波形表使我们能够同时实现基本2E要求里的波形存储和发挥部分的掉电存储功能，而无须外加其他设备。我们采用8K的PROM2864，可完全满足题目中对波形存储的各种要求。46小结本章讲述了波形表生成、频率控制、数模转换、幅度控制、以及滤波的模块，说明了各个模块的作用与实现原理。第5章任意波形发生器的软件设计51波形编辑软件总体设计前面提到过，在传统仪器设计中，一旦系统的硬件电路确定下来，其功能也就随之固定，这时很难再进行更改，而且这时候系统的功能也往往比较单一。这样传统意义上的仪器系统很难满足用户灵活多变的要求。近年来随着计算机技术、测量技术的发展，用户能够根据白己需要定义仪器功能，再不像传统仪器那样受到厂商的限制，这样极大的方便了使用者。同时由于这一技术主要基于计算机系统庞大的软件、硬件资源，因此它具有许多传统仪器所无法实现的功能，而且很多以前由硬件实现的功能也可以借助软件来完成，这样不仅仅增强了系统的功能，节省了资源、降低了价格，同时也具有易学、易用、易维护的特点。本课题种，为了进一步完善系统功能，通过RS232串口将系统硬件电路与PC机结合起来，使用PC软件来控制系统运行。不仅可以合成标准的方波、三角波、锯齿波、正弦波等函数波形，而且用鼠标绘制一个任意波形，系统首先对改波形进行采样量化等处理，然后将采样数据下载到硬件部分的波形存储器中。任意波形发生器采用单片机进行控制，既可以通过面板操作，也可以通过上位机PC机的软件控制。上位机软件的主要功能为1可输出各种规则波形，包括方波、三角波、锯齿波和正弦波。2可以输出任意波形。3频率范围可以调节。4输出电压可以调节。52系统软件流程图图51软件流程图521软件功能及算法由上系统可实现波形选择、频率幅度输人、波形编辑、频谱和失真度开始初始化显示及预置初值等待按键、按键识别波形选择频率控制幅度控制波形编辑频谱失真度组合波1、2、3自定义1、2、3正弦波方波三角波组合波自定义波数字键输入确认输入选择功能执行是否计算等功能。采用液晶分屏显示波形、频率、幅度、失真度和前8次谐波分量。波形编辑有两种方式一种为输人前五次谐波系数，通过线性运算生成所需波形的波形表另一种为输人16个采样值，通过线性插值生成所需波形的波形表。频谱计算出于计算量上的考虑，我们没有采用FFT算法，而是采用了直接计算傅立叶系数的方法，将积分运算近似成求和运算，得出波形的近似频谱分量；失真度由上面计算出来的频谱根据定义计算；扫频，使频索控制字按周期变化。422发送波形数据到硬件存储器硬件存储器的大小设定为4K3BIT。另外，硬件要求传送的是18位的整数形式，所以要取三个字节存储一个波形点，即D之间的整数。因此，根据硬件的要求，在波形数据发送之前，需要允许一系列的处理，然后才能进行发送。在寄存器向DAC发送时，可以采用高位先输入的方式，将24位数据写入18的数据寄存器不需要进行移位，在这种情况下，低6位可以被忽略。53误差分析由于DDS的工作原理是基于数字取样及数模恢复的处理，所以输出的模拟信一号中必然会有杂散噪声，其来源主要有以下三方面的因素531相位误差5311相位舍位引起的误差在DDS中，由于累加器的位数N大于RAM的寻址位数W，使得累加器的输出寻址RAM时，其NW个低位就必须舍去，因此会不可避免地产生相位截断误差。该误差是DDS输出散杂的主要原因。在设计中，我们使步进为10HZ，取N23,W8，即寻址256个字节，其总的信噪比为5140612WNSRG所产生的误差是为可以允许的。5312相位量化误差由于我们的波形是通过一系列有限的离散采样点表示的，这就不可避免地引人了相位量化误差，增加采样点数可以减少这种误差。我们在一个周期内设定了128个采样点。532幅值量化误差由于RAM中存储的数据字长和D/A位数有限，所以D/A进行幅值量化时会产生B值量化误差。增加数据字长和D/A位数将可以减少这种误差。533由于D/A变换器的非理想特性引起的误差DAC的非理想特性包括差分、积分的非线性，D/A转换过程中的尖峰电流，转换速率受限我们采用高速DAC08，上限工作频率为10MHZ等。534电源噪声这种随机噪声也会对我们的输出波形产生一定的影响，使输出纹波增大。为减弱这种噪声，一方面，我们可以选择纹波小的电源；另一方面，可以通过电源退耦以减小其影响。535运放带来的误差由于集成的运放自身存在的输入失调电压和输人失调电流的影响，以及运放本身增益带宽积与上升速率的影响，在输人频率较高时，不可避免地带来相位失真。尽管上述误差是不可避免的，但是通过适当的选取K,FC,N和W值，纹波较小的电源，合适的D/A变换器，并通过低通滤波器来平滑台阶，最后所得到的波形完全可以满足题目的要求。54小结本章讲述的系统总体软件流程，并说明了他的功能和算法，并总结出可能产生误差的原因。结论本文以单片机和FPGA为核心，辅以必要的模拟电路，设计了一个基于直接数字频率合成技术DDS的任意波形发生器。该系统主要由六个功能模块构成波形表生成、频率控制、数模转换、幅度控制、滤波及功率输出模块。其中，波形表生成和频率控制是通过单片机改变双日RAM中的波形表和向FPGA发送频率控制字来实现；数模转换采用DACOS实现；幅度控制由DAC0832内部的电阻分压网络实现；显示采用液晶显示模块；后级采用二阶巴特沃兹低通滤波器和晶体管扩流电路以提高输出波形质量并增强其带载能力，从而得到所要求的任意波形输出。本题目采用直接数字式频率合成器的设计方案，通过单片机改变双口RAM中的波形表和向FPGA发送频率控制字来实现波形生成和频率控制。数模转换采用DAC08；幅度控制由DAC0832内部的电阻分压网络实现，末级采用二阶巴特沃兹低通滤波器和扩流电路来提高带载能力和改善输出波形质量。系统设计指标达到了题目要求。本系统硬件设计应用了EDA工具，软件设计来用模块化编程方法。由于采用模块化设计，硬件系统具有良好的可升级性和可扩展性。参考文献1史海明个人仪器多功能任意波形发生器的研制，仪表技术，1988，126292赵柏树，李纪武一种可调频和占空比的函数发生器，电子技术应用，1997，821223王彤威任意波形发生器VXI模块的研制，哈尔滨理工大学硕士学位论文，1997164田良数字合成应用集成电路的性能及应用，国外电子测量技术，1996，514175李衍忠，蔡英杰，姬强等DDS谱质分析及其杂散抑制研究综述，现代雷达，2000年8月33386张玉兴，彭新泉相位舍位对DDS谱分布的影响，电子科技大学学报，19974261371427张玉兴，彭新泉直接数宇频率合成器的频谱分析，DDS技术与应用研讨会论文集，1997，1213208赵正敏相位结尾对DDS输出频谱影响的分析与计算,东南大学学报自然科学学报，2000年1月1411459乐翔，秦士自接数学式合成信号的杂散性能分析,清华大学学报自然科学版，2000年，10月464810李勇，符勇DDS技术及其在通信中的应用DDS技术与应用研讨会论文集，1997,12，合肥636611万天才频率合成技术及发展，电子产品世界，1999年9月，515212刘铁新，高俊法DDS输出频谱特点及改善方法，陕西天文台台刊，199961513MICHAELLAUTERBACH,ARTPIN任意波形发生器在通讯测试中的应用，电子产品世界，1997，1768014JVANKKASPURREDUCTIONTECHNIQUESINSINEOUTPUTDIRECTDIGITALSYNTHESIS，IEEPROC，50THAFCS，199695195915JOUKOVANKKAMETHODSOFMAPPINGFROMPHASETOSINEAPPLITUDEINDIRECTDIGITALSYNTHESIS，1996IEEEINTERNATIONALFREQUENCYCONTROLSYMPOSIUM，AUGUST199694295016HENRYTNICHOLASIIIANDHENRYSAMUELIANANALYSISOFTHEOUTPUTSPECTRUMOFDIRECTDIGITALFREQUENCYSYNTHESIZERSINTHEPRESENCEOFPHASEACCUMULATORTRUNCATIONMARCHL98749550217MARIANANGELOVTASLAKOWDIRECTDIGITALSYNTHESISERWITHIMPROVEDSPECTRUMATLOWFREQUENCIES，2000IEEE/EIAINTERNATIONALFREQUENCYCONTROLSYMPOSIUMANDEXHIBITION，APRI1200028028118GARYWKENTNENGHAUNGSHENAHIGHPURITY,HIGHSPEEDDIRECTDIGITALSYNTHESIZER，JANUARY199520721119ARCHITECTUREIEEEPROC，47HANNUALFREQUENCYCONTROLSYMPOSIUM，199325526020LJKUSHNERTHECOMPOSITEDDSANEWDIRECTDIGITALSYNTHESIZERARCHITECTUREIEEEPROC，47THAFCS，1993255260附录1燕山大学本科毕业设计论文开题报告课题名称任意波形发生器的研制课题性质模拟课题来源自选学院系里仁学院专