2016年陕西省TI杯五校联赛

1、信号发生器设计报告摘要: 基于单片机的信号发生器，由Tiva-C单片机、R-2R电阻树模块、直流偏置模块、乘法型DA模块、BOOST型DC-DC升压模块、功率放大模块和输出短路保护及报警模块组成，运用DDS技术，可输出正弦波、方波和三角波信号，并且信号电压幅度和频率均可程控调整。该系统具有自动短路保护及报警功能。经验证，该系统工作稳定，能够完全达到题目要求的基本功能和扩展功能。关键词： BOOST型DC-DC 功率放大器 DDS 短路保护1、 系统方案论证1.1方案比较与选择1.1.1 波形产生方案比较与选择方案一：采用专用DDS信号发生芯片。该方案的优点是DDS芯片集成度好且精度高，缺点是价

2、格较为昂贵并且不能直接产生三角波。方案二：基于单片机产生DDS信号。该方案的优点是产生波形易于控制，幅度和频率都可精确控制，缺点是需要单片机速度较快。方案三：文氏桥振荡器。该方案结构简单、成本低，但是难以实现幅度和频率可控。综上所述，这里选择方案二。1.1.2 单片机外接DA的选择方案一：使用TLV5618的串行DA。该方案精度好、电路简单，缺点是虽然Tiva-C的SPI有40MHz，每一个数据有16位，在生成10kHz的正弦波时，每周期最多有250个点，但由于Tiva-C进出中断时的固有时间，导致输出正弦在10kHz时波形非常不理想，无法使用。方案二：使用自行搭建的R-2R电阻树。该方案虽然

3、精度较方案一差，但是由于它相当于并行的DA，因此转换速度优于串行DA，易于实现，可以满足题目的要求。综上所述，考虑到本题对波形形状要求对比精度要求高，故选择方案二。1.1.3 信号幅度可控方案比较与选择方案一：使用压控增益放大器。该方案可实现精准幅度控制，但缺点是要求增益控制端电压非常精确，而本题中有开关电源，对精度有极大影响，故该方案实现难度较大。方案二：使用乘法型DA进行衰减。使用乘法型DA LTC1595对信号幅度进行衰减来实现幅度可控，该方案控制简单、精度高且功耗较小。综上所述，我们选择方案二。1.1.4 电源升压方案比较与选择这里由于题目的要求，选择TI公司的开关电源芯片TPS611

4、75将+5V电压升压为+21V。1.1.5 输出缓冲器选择由于题目要求，选择TI公司的高压功率运放，OPA551其200毫安的持续驱动能力能满足设计需要。1.1.6 短路保护功能方案一：使用继电器关断开关电源的输入。该方案电路简单，但关断时需要继电器上一直有电流，功耗大并且速度不理想。方案二：直接切断单片机的DDS输出。用单片机检测到过流后直接终止信号产生，功率运放将不会再有输出信号，起到了短路保护的功能，该方案没有额外电路，所有功能均在程序中实现，具有精度高、速度快的特点。综上所述，我们选择方案二来实现短路保护功能。1.2系统整体框图系统整体框图如图1所示，开关电源芯片TPS61175将电源

5、电压升压后给运放OPA551供电。Tiva-C控制R-2R电阻树，产生正弦波、方波和三角波信号，三种信号由运放OPA2350进行偏置和幅度的调整，再通过乘法型DA LTC1595完成幅度的程控。最后经过高压功率运放OPA551对三种信号进行输出缓冲，以达到题目要求。图1 系统整体框图二、理论分析与计算2.1程控增益参数计算使用了乘法型DA作为衰减器，将LTC1595与一个6.8 k的电阻串联分压，得到的电阻分压公式是其中R0是乘法型DA的最小电阻即N=65535时，先用65535作为基准值，通过示波器计算R0和Us的值，实测当N=65535时，Uout=1.65V，Us=3.38V,所以R0=

6、7.13k。借由此式，即可推出输出与衰减系数的关系，乘上后级增益后，即可得到所需要的电压。2.2 升压电路理论分析升压电路如图2所示，TPS61175基准源为1.229V，由R2，R3阻值关系可以得到输出电压为图2 升压电路2.3 信号放大电路理论分析单片机输出信号经调理后，输出最大电压峰峰值约为3.3V，将放大器设置为4倍增益同相放大，可以得到峰峰值大于12V的输出信号，满足题目要求。三、电路与程序设计3.1 升压电路设计题目要求在50负载上，最大输出电压Vopp大于12V，故选择R2=390k，R3=27k，则输出电压为Vout=1.229390/24(V) = 21V设计BOOST型DC

7、-DC升压电路如前一节图2所示3.2 信号放大电路设计单片机输出信号经调理后幅度较小，需要用放大器将信号进行放大以满足题目中输出信号峰峰值大于12V要求，利用运放OPA551实现信号放大电路如图3所示图3 OPA551信号放大电路3.3 程序设计系统开机后进入初始化状态，初始化后显示菜单，然后等待按键输入，根据不同的按键执行相应的功能。程序流程图如图4所示图4 程序流程图四、测试方案与结果4.1测试仪器测试仪器及型号如表1所示表1 测试仪器及型号序号仪器名称型号指标生产厂家数量1数字示波器54622D100MHz 200M Sa/sAgilent12直流稳压电源SS33233CHSUING13

8、信号发生器F80100uH80MHzSP14数字万用表UT603三位半UNIT14.2测试方案4.2.1 基本部分测量方案(1)产生信号测量：用示波器测量输出的正弦波、方波和三角波，测量频率，观察波形是否失真。(2)50负载上，输出电压峰峰值测量：在输出端接上50负载，步进调整幅度，测量最大输出电压峰峰值。4.2.2 发挥部分测量方案(1)设定频率测量：按键设定输出频率及步进，用示波器测量频率和步进是否正确。(2)输出短路保护测量：将输出端短路，看是否具有短路保护及声光报警功能。4.3 测试结果及误差分析4.3.1 基本部分测试(1)测试结果表明系统可通过切换输出的正弦波、方波和三角波(2)输

9、出电压幅度及步进分别如表2、表3、表4所示测试条件：频率为1kHz的正弦波表2 输出电压幅度及步进（单位：V）显示幅度0.10.20.51.02.05.08.010.012.013.0实测幅度0.100.200.501.041.974.987.949.7511.7012.94测试条件：频率为1kHz的方波表3 输出电压幅度及步进（单位：V）显示幅度0.10.20.51.02.05.08.010.012.013.0实测幅度0.100.200.480.991.925.067.759.3011.9413.06测试条件：频率为1kHz的三角波表4 输出电压幅度及步进（单位：V）显示幅度0.10.20.

10、51.02.05.08.010.012.013.0实测幅度0.100.200.491.031.954.978.009.6911.5612.90测试结果表明，输出电压幅度可以步进调整，输出信号峰峰值范围是016V，满足题目要求。4.3.2 发挥部分测试(1)输出频率范围分别如表5、表6、表7所示测试条件：Vpp=5V正弦波表5 输出频率范围（单位：kHz）显示频率0.10.5151012131516实测频率0.100.501.005.0010.0012.1013.0715.0416.00测试条件：Vpp=5V方波表6 输出频率范围（单位：kHz）显示频率0.10.5151012131516实测频率0.100.501.005.0010.0012.1013.0715.0416.00测试条件：Vpp=5V三角波表7 输出频率范围（单位：kHz）显示频率0.10.5151012131516实测频率0.100.501.005.0010.0012.1013.0715.0416.00测试结果表明输出信号频率可以设定，设定频率范围为100Hz16kHz，达到并超出题目指标要求。(2)将输出端短路，可以看到系统自动切断输出进行短路保护，LED灯亮，蜂鸣器发声。4.3.3 误差分析总结误差来源，主要有以下几个方面：1)幅度误差主要