双路低频信号发生及分析仪的设计制作(E题)(共14页)

1、PAGE PAGE II 双路低频信号(xnho)发生及分析仪的设计制作（E题）中国(zhn u)石油大学(华东) 孟庆平 肖渤涛 秦炳坤专家(zhunji)点评：该作品采用Silicon Labs公司的C8051F120作为主控制器，由信号发生、信号整形放大、信号叠加、信号分析、LCD显示、键盘等模块组成。以单片机为核心，可产生两路均可独立程控选择参数的正弦波、矩形波、三角波和锯齿波信号，并应用相应电路对输出信号进行放大整形与合成；利用FFT算法对合成后的信号进行频域分析，并可以绘制信号频谱图，通过LED液晶显示；系统稳定性好，精度较高，频谱纯净。论文方案论证充分，理论分析与计算正确，测试方

2、案合理，测试结果可信。设计报告规范性方面还需进一步提高。 烟台大学光电信息学院 王中训教授摘 要本系统采用Silicon Labs公司的C8051F120作为主控制器，由信号发生、信号整形放大、信号叠加、信号分析、LCD显示、键盘等模块组成。以单片机为核心，可产生两路均可独立程控选择参数的正弦波、矩形波、三角波和锯齿波信号，并应用相应电路对输出信号进行放大整形与合成；利用FFT算法对合成后的信号进行频域分析，并可以绘制信号频谱图，通过LED液晶显示；系统稳定性好，精度较高，频谱纯净。关键字：信号发生 C8650F120 信号合成 FFT算法 频域分析 目 录 TOC o 1-3 h z u H

3、YPERLINK l _Toc239306421 1系统(xtng)方案 PAGEREF _Toc239306421 h 1 HYPERLINK l _Toc239306422 1.1信号发生模块的论证(lnzhng)与选择 PAGEREF _Toc239306422 h 1 HYPERLINK l _Toc239306423 1.2 信号整形发达模块(m kui)的论证与选择 PAGEREF _Toc239306423 h 11.3显示模块的论证与选择1 HYPERLINK l _Toc239306425 2系统理论分析与计算 PAGEREF _Toc239306425 h 1 HYPERL

4、INK l _Toc239306426 2.1 信号参数设定原理的分析 PAGEREF _Toc239306426 h 1 HYPERLINK l _Toc239306427 2.1.1频率的设定 PAGEREF _Toc239306427 h 1 HYPERLINK l _Toc239306428 2.1.2双路同频正弦信号相位差的设定 PAGEREF _Toc239306428 h 1 HYPERLINK l _Toc239306429 2.1.3 方波占空比的设定 PAGEREF _Toc239306429 h 22.1.4信号幅度的设定2 HYPERLINK l _Toc2393064

5、34 2.2 FFT算法的分析和计算 PAGEREF _Toc239306434 h 2 HYPERLINK l _Toc239306435 2.2.1 FFT算法原理 PAGEREF _Toc239306435 h 2 HYPERLINK l _Toc239306436 2.2.2 采样频率的确定 PAGEREF _Toc239306436 h 3 HYPERLINK l _Toc239306438 3电路与程序设计 PAGEREF _Toc239306438 h 4 HYPERLINK l _Toc239306439 3.1电路的设计 PAGEREF _Toc239306439 h 4 H

6、YPERLINK l _Toc239306440 3.1.1系统总体框图 PAGEREF _Toc239306440 h 4 HYPERLINK l _Toc239306441 3.1.2 信号产生与整形子系统框图与电路原理图4 HYPERLINK l _Toc239306442 3.1.3 信号叠加与分析子系统框图与电路原理图5 HYPERLINK l _Toc239306443 3.1.4电源5 HYPERLINK l _Toc239306444 3.2程序的设计5 HYPERLINK l _Toc239306445 3.2.1程序功能描述5 HYPERLINK l _Toc2393064

7、46 3.2.2程序流程图5 HYPERLINK l _Toc239306447 4测试方案与测试结果5 HYPERLINK l _Toc239306449 4.1 测试条件与仪器5 HYPERLINK l _Toc239306450 4.2 测试结果及分析5 HYPERLINK l _Toc239306451 4.2.1测试结果(数据)6 HYPERLINK l _Toc239306452 4.2.2测试分析与结论6 HYPERLINK l _Toc239306453 附录1：电路原理图7PAGE PAGE 141系统(xtng)方案本系统主要由信号产生与整形和信号叠加与分析两个子系统构成，

8、其中(qzhng)信号产生与整形子系统包括信号发生模块、信号整形放大模块；信号叠加与分析子系统包括信号叠加模块、信号分析（分析仪）模块；另外还有独立的显示模块、键盘模块、电源模块等，下面分别论证几个模块的选择。1.1 信号发生模块(m kui)的论证与选择方案一：采用基本模拟电路产生，比如LC振荡电路，施密特触发器等。此方案，电路复杂，并且难以达到高精度的程控调节，并且稳定度不高。方案二：采用DDS芯片。DDS以Nyquist时域采样定理为基础在时域内进行频率合成，其频率可以实现程控，电路易实现，可以直接打到题目要求精度，包括频率和步进值。但是题目在要求中提出作品中不得使用集成DDS芯片，故排

9、除此方案。方案三：使用C8051F120单片机，运用DDS基本原理，通过编程计算并建立波形查找表，存入数组中，然后通过C8052F120单片机进行寻址查表输出波形的数据，再经过D/A转换，滤波即可恢复原波形。此方案产生的波形比较稳定，电路易实现，频谱清楚，幅度恒定，失真小且控制方便。综合以上三种方案，选择方案三。1.2 信号整形放大模块的论证与选择方案一：比例放大电路。此方案电路简单，信号放大后较为稳定，失真小，但不易调节信号放大参数。方案二：程控电位器调节放大。技术成熟，稳定性好，精度高，可以实现精确调节信号放大的参数，并且易于用单片机进行参数控制。方案三：比例放大电路与程控电位器组合为程控

10、信号放大电路。综合以上三种方案，选择方案三。1.3 显示模块的论证与选择方案一：采用普通LED。优点是元器件价格低廉，而且外围电路简单。但扫描要占用大量I/O口资源，还增大了单片机的运算开销，显示信息也不够丰富。方案二：采用LCD液晶显示。优点是显示信息非常丰富，可以形象显示选项菜单和信号频谱图。占用I/O口资源较少，不需要循环扫描节省了大量程序开销。综合系统及拓展要求，本作品采用方案二LCD液晶显示。2系统理论分析与计算2.1 信号参数设定原理的分析 2.1.1 频率的设定信号生成采用DDS基本原理,在单片机内部通过编程计算建立了波形查找表，对于系统要求信号每个周期保存固定72个点供寻址，寻

11、址操作是由C8051F120单片机内部定时器控制。通过改变定时器溢出时间就可以实现输出信号频率在1000HZ2000HZ范围内变化。2.1.2 双路同频正弦信号相位差的设定由于输出信号的每个周期数据包含72个点，由360/72=5 得寻址每移动一个点，正弦信号相位改变5度。因此可以设置两路输出的地址相差合适点数，就可实现双路同频正弦信号相位差（0度360度）的变化。2.1.3 方波占空比的设定(sh dn)对于方波则采用每个周期使用100个点，通过改变置高电平与置低电平的点数不同，实现占空比在1%99%范围(fnwi)内变化。2.1.4 信号(xnho)幅度设定信号幅度调节较为简单，直接使用比

12、例运算电路与程控电位器组成的整形电路，调节幅值。2.2 FFT算法的分析和计算 2.2.1 FFT算法原理快速傅立叶变换（FFT）技术是信号处理技术中最为重要的基础之一，为数字信号处理的一个强有力的工具。本实验采用基-2FFT算法，对合成后信号进行频域分析。其原理如下：将x(n)按n为奇偶分解成两个子序列，当n为偶数时，令n=2r；当n为奇数时，令n=2r+l；可得到则其DFT可写成和均分别是N/2点序列和的DFT，而且r与k的取值满足0,1,N/2-1。而X(k)是一个N点的DFT，因此上式只计算了X(k)的前N/2的值。由DFT和的性质可得到X(k)的后N/2的值为：表明，只要计算出两个N

13、/2点的DFT和，经过线性组合，即可求出全部N点的X(k)。由于,仍为偶数，因而这样的分解可以继续进行下去，直到最后的单元只需要做2点DFT为止。若Xm(p)和Xm(q)为输入数据, 和为输出数据, 为旋转因子，则对于基-2DIT-FFT算法，蝶形运算的基本公式为其图形(txng)表示如例图1所示，称Xm(P)为上结点(ji din)，Xm(q)为下结点(ji din)。例图1 时间抽取蝶形运算单元根据上述算法原理及运算流图，可以得出基-2DIT-FFT的基本特点，特点如下。(1)级数分解：对于。共分了M级，每级包含N/2个蝶形运算单元，总共所需蝶形运算个数为。(2)运算量估计：每个蝶形运算需

14、要一次复数乘法和两次复数加(减)法，N点FFT共需要次复数乘法，次复数加(减)法。实际上有些蝶形运算不需要做复乘。(3)原位运算：当数据输入到存储器以后，每一组蝶形运算后，结果仍然存放在这同一组存储器中的同一位置，不需要另辟存储单元，直到最后输出。(4)位码倒序：由图2可以看到，FFT输出的X(k)的次序正好是顺序排列的，即X(0)，X(1)，,X(7)，而输入X(n)是按x(0)，X(4)，,X(7)的倒序存入存储单元，即为倒序输入，正序输出。这种顺序看起来相当杂乱，然而它是有规律的，即位码倒序规则。(5)旋转因子的确定：每次迭代的蝶形类型比前一迭代增加一倍，间隔也增大一倍。最后一次迭代的蝶

15、形类型最多，参加蝶形运算的两个数据点的间隔也最大，为N/2。根据基-2DIT-FFT的基本特点可使用C8650F120单片机控制实现对信号的频域分析。2.2.2 采样频率确定同时傅立叶变换中必须满足采样定理。采样定理：一个在频率以上部分无频率分量存在的有限带宽信号，可以由小于或等于的均匀时间间隔上的取值唯一地确定。采样定理写成数学表达式即为：这个定理说明当以大于或等于的频率对x(t)进行采样时，采样值x(n)中包含了x(t)在每一时刻的信息。这就确定了对信号采样频率的要求。本次作品要求频率最大为2000HZ，因此综合考虑确定采样频率为8KHZ左右，若是2的乘方数则更便于计算。3电路(dinl)

16、与程序设计3.1电路(dinl)的设计3.1.1系统总体(zngt)框图系统总体框图如下图图二所示。 图二 系统总体框图3.1.2 信号产生与整形子系统框图与电路原理图1、信号产生与整形子系统框图图三 信号产生与整形子系统框图2、信号产生与整形子系统各部分电路信号滤波电路采用简洁(jinji)的RC低通滤波电路，信号放大与整形电路部分则结合使用由运放搭建的同相比例运算电路和程控电位器X9C103。电路图可见(kjin)附录(fl)1电路原理图和程序流程框图中的图四：信号产生与整形子系统各部分电路。3.1.3信号叠加与分析子系统框图与电路原理图1、信号叠加与分析子系统框图图五 信号叠加与分析子系

17、统框图2、信号叠加与分析子系统各部分电路信号叠加电路采用NE5532搭建的加法器电路，电路结构及各元件参数可见附录1电路原理图和程序流程框图中的图六：加法器电路。3.1.4电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者15V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现信号发生、键盘的设置，信号的频域分析和液晶显示。1）键盘引导实现功能：设置输出信号类型、频率值、电压值、占空比（方波）以及两路（同频率正弦）信号的相位差等。2）显示部分：显示菜单（信号类型、

18、电压值、频率、步进值、占空比（方波）设定）、频谱图等。3.2.2程序流程图1、信号输出及相应频率、幅值、相位、占空比控制程序流程图可见附录1电路原理图和程序流程框图中的图七:信号输出算法流程图：2、FFT算法对信号频域分析程序流程可见附录1中图八：FFT算法流程图。4测试(csh)方案与测试结果4.1 测试(csh)条件与仪器测试条件：检查多次，硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误(ww)，硬件电路保证无虚焊。测试仪器列表如下：序号名称型号规格1数字存储示波器GDS-10222数字合成函数信号发生器F203数字多用表TH19514.2 测试结果及分析4.2.1测试结果（数据） 测试结

19、果所得的数据分析表格附于附录中，见表1到表5，分别有对输出信号频率，幅度，占空比，相位差以及对信号合成效果的测试。4.2.2测试分析与结论根据题目要求，该设计完成了所要求的基本功能，达到了基本指标。并且在许多方面有一定发挥，现将所有题目要求与系统实际性能列表如下：基本要求发挥部分完成情况输出信号波形选择实现，键盘选择输出信号频率误差1%，步进值10HZ实现，误差在要求范围内，步进至最小可达到二输出电压幅度最值2.5V，步进值100mV实现 双路正弦信号相位差调节，步进值10o，范围1o360o实现，步进可达5度方波占空比调节，范围1%100%实现输出信号幅度、频率、相位差、占空比可预置由键盘输

20、入，液晶显示两路正弦信号的合成实现对信号进行频域分析，显示频谱图实现现实合成前两路信号幅度，频率，误差10%实现，误差满足要求范围其他参考文献【1】全国(qun u)大学生电子设计竞赛山东赛区组织委员会.电子设计竞赛(jngsi)优秀论文选集.山东(shn dn).2006【2】宋志超 刘越盛 田禹 栾英娜.数字信号处理课程论文应用FFT对信号进行频谱分析.大庆师范学院.2011.06附录(fl)1：电路原理图和程序流程框图(kungt)报告(bogo)中电路：图四 信号产生与整形子系统各部分电路图六 加法器电路图七 信号输出(shch)算法流程图图八 FFT算法(sun f)流程图表1、输出

21、信号(xnho)频率测量频率/HZ预置100010101020149015001510198019902000实测999.0381009.3251019.4371488.8371498.1651509.0021977.5901987.2231996.4556误差0.0962%0.0678%0.0552%0.0785%0.0781 %0.0661 %0.122%0.139%0.177%表2、输出信号(xnho)幅度测量幅度/mV预置100200300500100020004000450049005000实测105.45204.36310.44512.74987.762013.873983.824478.454860.344928.73误差5.45%