任意波形发生器

--#-美亚光电“杯安徽省首届大学生电子设计竞赛设计报告书设计报告书作品名称：任意波形发生器（题）参赛学校：合肥学院参赛成员：周海波刘亚军高超参赛成员：周海波刘亚军高超任意波形发生器摘要本系统的设计综合了技术和单片机技术的二者之所长，实现了二者在性能、功能以及资源上的良好结合，整个系统可简略分为波形产生模块、单片机控制模块、显示、键盘、幅度控制模块等功能模块。采用直接数字频率合成（F技术，通过软件对其波形进行控制，实现多种波形的输出及组合。该系统可实现的频率范围宽、幅度和频率精度高，并且实现电路简单，结构较优，利用液晶显示屏实现了良好的中文人机交互界面。TOC\o"1-5"\h\z一、方案论证与比较-4-1．波形产生及频率合成模块-4-2．幅度控制模块-5-3．显示模块-5-4．波形存储模块-6-二、原理分析-6-1.DDS原理-6-．基本算法-7-.误差分析-7-.DDFS的特点-8-三、系统设计-8-四、方案实现-10-.波形产生-10-.频率控制-11-.幅度控制-13-.液晶显示、键盘输入-13-.波形存储-13-.功率放大电路-14-五、软件系统设计-15-程序设计流程图-15-六、结果测量及分析-16-.基本波形测试-16-.波形编辑测试-17-.波形存储测试-17-七、功能实现-17-八、总结-18-一、方案论证与比较1．波形产生及频率合成模块方案1：采用传统的模拟振荡电路的方法。如产生正弦波可采用模拟分立元件或振荡器，但其产生的信号的频率精度低，稳定度和抗干扰能力差，成本也比较高，外围电路复杂，且易受外界干扰，硬件调试困难，不便程控。而且对于题目发挥部分所要求的最高频率的要求，不容易满足，实现的性能指标不理想。方案：采用专用集成芯片。专用集成波形发生芯片能够产生方波、正弦波、三角波等多种常规波形，频率变化范围可达一一，占空比达2%——98，%该芯片具有良好的性能，与外围电路配合调试后可以达到本题目的要求。但是采用该方法所需要的外围电路模块较多，且较为复杂，不利于控制和问题的检查。方案3：采用纯单片机的方法。利用单片机编成的发式可以产生多种波形，开发简易。而且由于是数字量，容易受用户的控制。但是单片机速度有限，产生的波形频率较低，难以达到题目的要求。方案4利用采用直接数字式频率合成器（，简称或）的方式。在中定义空间用来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部的波形数据，经转换和幅度控制，再滤波即可得到所需的波形（如图所示）。具有相对带宽很宽，频率转换时间极短（可小于），频率分辨率可以做到很高等优点；另外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，而且理论上可以实现任意波形，能够比较全面的满足题目的要求。参考频率源频率控制字3：：相位累加器波形存储器数模转换器图1-1：-波1形产生原理2．幅度控制模块方案1：幅度控制有数控电位器组成的电阻分压网络组成，但是数控电位器的分档数目较少，难以满足题目幅度步进的要求。同时电路连接比较复杂，电路庞大。方案2利用的高速计算功能，采用高效算法对波形进行全数字处理，但内部有限字长效应，会造成波形具有一定的失真，不过经过滤波电路后会对波形进行一定的校正。方案3幅度由控制，利用其内部的电阻分压网络，将其作为数控电位器使用（原理见图）-系统板产生的波形作为的参考电压源输入，其输出波形幅度将为（0X，其中为单片机输入的幅度控in制字。图：幅度控制原理从方案的实现上来看，第二种方案和第三种方案都是不错的方法，但由于我们对该算法不是很熟悉，所以我们采用第三种方案。3．显示模块方案：采用数码管方式。利用串转并芯片可将串行数据显示在数码管上，这种方式占用处理器端口资源少，可驱动多位显示，并且数码管易于控制，成本低廉。但数码管的缺点是显示不够直观，不能随心所欲的显示字符。方案2采用液晶屏方式。利用液晶屏幕可以显示中文，这样方便实现直观的菜单功能，能够制作比较人性化的界面，并显示丰富多彩的内容。同时，利用液晶屏可以实现用键盘控制描点的方法绘制出任意波形，为完成本题目的发挥部分要求做准备。但是显示过程比较复杂，需要完成大量的显示编程工作。

我们采用第二种方案，使用（我们采用第二种方案，使用（X）点阵液晶显示模块（原理4波形存储模块图如图1-3所-示1），制成友好的中文人机交互菜单。4波形存储模块左半屏64X64显示屏原理图方案i采用非易失或对当前产生波形的数据值进行实时存储，掉电后上电从当前掉电时地址读取波形数据，这样即可实现波形的掉电存储。方案2受到掉电存储原理的启发，我们为（定义在中）外接一锂电电池，这样即可保证掉电后中的数据不丢失。二、原理分析1.DDS原理我们在通过数字技术得到某一目标频率时一般情况下是需要有一个基准频率源一个分频系数为的分频器，分频器的分频系数和基准频率，目标频率有如下关系令人遗憾的是分频器的分频系数只能是整数,所以在一般情况下,实际分频系数m并不等于需要的分频器分频系数他们有如下关系0W100因此我们只能通过分频器得到的实际频率也就有三为了得到准1d确的目标频率我们希望分频器的输入频率不是基准频率源而是另外的一d个频率x这样我们通过分频系数为的分频器就可以得到准确的目标频1d1率。由公式我们知道W也就是W。假设和的差值为TOC\o"1-5"\h\zd101001001因此只要在基准频率上减去然后送入分频系数为的分频器就可以得到001我们需要目标频率了。通过上述分析可知,频率数字直接合成技术和常规数字分频技术的区别是:分频器输入的频率不是基准频率而是经过修正的。正是这个使我们有可011能得到准确的目标频率因此如何得到是实现数字直接分频技术的关键。d12．基本算法在计算分频器的分频系数时,一般采用的公式如下:.0d00式中是的余数。根据式可以得出的原理框图如下图就是的原理框图需要注意的是在实际应用中应该把减去的0个脉冲均匀的分布在单位时间上否则最后得到的可能有较大的相位抖动如d果对信号在单位时间内每+个脉冲减去一个脉冲就可以使输TOC\o"1-5"\h\z0000出频率的相位抖动最小3．误差分析由于为了减少相位抖动采用了在上每+个脉冲减去一个脉冲方法0000)并且+所以我们在一般情况下不可能把减去的个脉冲均匀的分000布在单位时间上。在大多数情况下从减去个脉冲的时间要小于单位时间。但是,在最坏的情况下,也不过是在单位时间内多减去1个脉冲。因此,实际得到的与期望的之间的关系是三三。在实际应用中只要能保证在111111以上就可以保证相对误差小于百万分之一。4.DDFS的特点的频率分辨率在相位累加器的位数足够大时，理论上可以获得相应的分辨精度，这是传统方法难以实现的。由于中无需行为反馈控制，频率建立及频率切换快，并且与频率分辨率、频谱纯度相互独立，这一点明显的优于。的行为误差主要依赖于时钟的相位特性，相位误差小。另外，的相位是连续变化的，形成的信号具良好的频谱，这是传统的直接频率合成方法无法实现的。的失真度除受转换器本身的噪声影响外与离散点数和字长有着密切关系，设为均匀量化间隔，则其近似数学关系为THD=1+qJ兀/N2—1x100%6JLsin（n/N）_按上式计算，当取样点数为102点4时，失真度约为0.26。%在最高输出频率点数为32点，量化级数为25时6，失真度约为5.67，6已%经足够小了，可以满足系统的要求。三、系统设计根据题目要求，综合分析各项指标后，我们制定总体的设计方案大体为：用作为基本波形产生的核心，通过查找表的方式产生正弦波、方波和三角波数据，然后通过位高速芯片产生连续波形；同时我们将若干单片机外围电路芯片（如、、等）的功能以软件形式集成到了内部，这样既充分利用了的内部资源，又减少了单片机及与外围的电路的接口，简化了电路结构。我们以单片机为基本核心构成控制单元，完成对波形的各个参量（包括幅度控制字和频率控制字）的改变、显示、功能选择的控制实现。波形数据表中的波形数据经过芯片完成数模转换，再由内部的电阻分压网络实现波形幅度的控制，进而经过滤波以及稳幅电路后输出，得到具有一定带负载能力的所需波形。（系统总体简略框图如图所示，单片机与系统连接线路图如图。-)频率控制幅度控制波形存储任意波形输入液晶显示波形数据表图3-1：-系1统结构简图独立显示板串行静态显示P3.0P3.1电源RS232串行通信适配电路PIO24PIO24PIO25P2.7P2.0<>PIO8PIO15troP3P座插示显晶液8单片机「2工作电源

5V3.3V2.5V25/15C98TAP0.7P0.0<>PIO7PIO0FPGA/CPLDGWAK50/30GWA71282KCOLC0KCOLCP32P11建议连接信号P12P13CSDO93C46DISCLK50MHz12MHz晶振16RAM/ROM8复用P3、P1口显示可配液晶RST键键键键键键键键P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7图3-1：-单2片机与系统连接线路图四、方案实现1．波形产生通过查找表方式产生波形是在数字系统中最常用的波形产生方法，我们在

中定义一，用于存储正弦波、方波、三角波的波形数据。由于后级输出采用位的5所以表采用模式，内部数值表通过在中使用其精确计算公式获得，并导入系统中。2．频率控制该模块由根据给出的频率字完成。这里，使用完成设计，是由于速度较慢，难以满足题目扩展部分的频率要求。同时也节省了的资源，使其能够更好的完成数据处理及其他控制功能。这里采用了公司的器件T适合中规模应用，能够满足要求。该模块设计由实现，框图如（图2所示。频率控制字（来自图4-2：-频1率合成模块其中相位累加器是的核心（请见图：累加原理），它主要由一个位字长的二进制加法器和一个由固定时钟控制的位相位寄存器构成。相位寄存器的输出与累加器的一个输入端相连，而送来的频率控制字经同步寄存后与累加器的另一个输入端相连。这样，在每个时钟脉冲到达时，相位寄存器采样上一个时钟周期内的值与频率控制字的和，并取其高位部分作为这一时钟周期的输出序列。频率控制字决定了相应的相位增量，相位累加器则不断的对该相位增量进行线性累加，当相位累加器计满会产生一次溢出，从而完成合成信号的一个频率周期。频率控制字来自0位地址0位地址图2累加原理的输出频率和步进A可分别表示为：F=fxF（式）out2NclkFN=康（式）其中，是相位累加器的字长；为基准时钟信号；为频率控制字。题目要求波形频率范围，步进k。为达到最优指标，我们将输出频率范围设置为一一，实际步进最小值可达以内。根据（式）和（式2）综合考虑，选用波形表宽度为10位、深度为102位4，即每周期波形有点。相位累加器字长为位（）而基准时钟由的晶振通过倍频得到（i）这输出频率步进为Af=50Af=50M23020.05HzFout就此，实现了输出输出精度。Fout就此，实现了输出输出精度。2步进，完全完成了题目要求且提高了频率控制字为位，则最高输出频率为50Mx225=1.56MHz2303．幅度控制我们采用控制幅度，利用其内部的电阻分压网络，将其作为数控电位器使用，输出波形幅度为（0X。其电路连接如图34．液晶显示、键盘输入由于单片机的和口与相连接，用来进行二者之间的数据交换，因此我们可用的外部单片机数据口只有口和口，而口需要复用为特殊功能口，所以能够作为数据交换和控制的端口只有口。我们采用口复用的办法来解决键盘控制和液晶显示的问题。尽管我们采用的键盘键数较少（只有8个），但是我们用软件的方式的实现了按键的分时复用，这样以较少的按键实现了较多的功能选择和控制。同时我们利用中文液晶屏幕制作了非常直观的中文菜单，配合按键的功能进行即时显示，这样使按键的使用变得直观和更加人性化。5．波形存储由于该题目的发挥部分具有“调电数据保存”的要求，所以我们本来打算采用非易失实现波形数据的即时存储，但由于该芯片缺乏，其他芯片又难以与我们使用的开发板进行有效连接，所以我们放弃了掉电保护功能的实现。我们利用宏定义的方法，在内部定义一双口单元，可在带电的状态下实现对当前波形的存储。同时由于是采用双口接口，可实现的数据的高速读取和写入。6．功率放大电路为实现带Q-—8负载，输出端接一功率放大电路，该功率放大电路采用运放驱动的闭环推挽输出电路，电压增益为1，可实现稳幅输出功能。推挽输出级采用塑封硅三极管901和2901，3如图4-7所-示1。图:功率放大电路图:功率放大电路五、软件系统设计程序设计流程图KEY1主菜单主菜单主菜单波组合波组合图5-1-1：软件流程图

KEY1主菜单主菜单主菜单波组合波组合图5-1-1：软件流程图六、结果测量及分析1．基本波形测试周期性波形包括频率和幅值可调的正弦波、方波、三角波及其线形组合波形。用示波器来测试波形的频率和幅值，数据如表7-1，-表17-1，-表27-1-所3示。表7-1：-波1形频率测试数据（Vp-p=）5V正弦波方波三角波设定频率值（）实际频率值（）误差实际频率值（）误差（）实际频率值（）误差（）表：波形幅值测试数据（1正弦波，空载）设定幅值（）实际幅值（）误差（）表i波形稳幅测试数据，正弦波，负载电阻9设定幅值（）实际幅值（）误差（）2．波形编辑测试由于正弦波、方波和三角波的基波及其多次谐波的线形组合较多，这里仅取5次以下谐波的线形组合，其每个波形的幅度系数可以实现0—9的变化，然后输出组合波形。3．波形存储测试在线存储测试：先从通道A中输出波形八，按存储键，显示“完成”后可将此波形存储，用示波器在通道B输出端即可检测到先前存储的波形。掉电存储检测：先输出任意波形C，关闭电源后上电，可在原输出端看到先前波形。七、功能实现我们设计的系统不仅完成了题目的基本功能、基本指标，而且完成了大部分题目发挥部分的要求，现将题目要求指标及我们所做系统的实际性能列表比较如下:基本要求发挥要求实际性能产生正弦波、方波、三角