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1、高品质信号发生器制作一个方波、三角波、正弦波发生器。要求如下：1、 频率在20Hz20kHz之间，以20Hz为基准，每次10递增可调。由按键设定。要求在不同频率下，波形输出质量近似。2、 峰峰值由按键设定：以0.1V为基准，在0.1V1V之内，每次10递增可调。当峰峰值大于1V后，以0.1V递增可调。最大峰峰值大于10V。3、 三种信号具有完全相同的频率，具有约定的相位关系：以方波为准，方波的高电平期间，对应于三角波和正弦波的上升进程，方波的低电平期间，对应于三角波和正弦波的下降进程。4、 提高设计一：三种信号的占空比可以在0.10.9之间变化，当占空比不为0.5时，三角波将变为锯齿波，正弦波
2、将不再是正弦波仅在半个周期内满足正弦规律。5、 提高设计二：可以通过旋钮调节三种信号各自的直流偏移量，在5V范围内全程调节。6、 提高设计三：可以实现上述3种信号的加减运算输出。7、 提高设计四：设输出信号频率为fOUT，给正弦波信号输出设计一个低通滤波器，其截止频率为2fOUT。目录1.方案论证51.1总体方案论证51.2幅度控制方案论证71.3键盘显示方案论证71.4最终方案论证82.硬件设计103.软件设计114.理论分析125.测试方法156.测试结果分析167.结论288.参考文献289.附录29摘要：高精度测量往往需采用高精度、高稳定性、高分辨率的频率信号源。采用多个锁相环构成的频
3、率合成器，电路复杂、价格昂贵，且信号建立时间长、动态特性较差。近年来发展起来的直接数字式频率合成器（DDS）采用高速数字电路和高速D/A 转换技术，具有以往频率合成器难以达到的优点，如频率转换时间短（72dB 。2.工作时钟频率为50MHz，频率精确性能被控制到十亿分之一，产生正弦波可达25MHz，足够完成设计任务且价格远低于高频DDS芯片，提高性价比。3.AD9834为用户提供了多种输出波形。正弦只读存储器（SIN ROM）可以被旁路，因此，可以从DAC输出线性的向上或者向下斜坡电压。而这一点在多数DDS芯片上无法实现。4.芯片具有频率调制（FSK调制）和相位调制（PSK调制）性能。芯片有2
4、个28位频率寄存器和2个12位相位寄存器，可以通过外部引脚或控制字来控制或切换，且切换时只需89个时钟周期即可达到稳定。此功能使前半周期及后半周期有不同的长度且能够完美的衔接。5.芯片有一复位引脚（RESET），置1时写入频率和相位控制字，清0时开始产生输出波形。且RESET不能对相位、频率或控制寄存器复位，即RESET时不会改变已设定的信息。此功能可以做到几片AD9834保持相同相位工作。6.此外，此芯片还具有一些其他功能，如具有低功耗模式以及能用片内比较器产生方波等，由于这些功能在此系统设计中并不重要，在此不再赘述。图1. AD9834功能框图 根据以上所述的AD9834芯片所具有的功能，
5、本设计将此定为波形发生方案，通过单片机产生的切换AD9834频率寄存器的控制信号实现不同占空比的正弦波波形。采用FPGA实现方案1. 全部波形产生功能使用FPGA实现使用FPGA能按照设计要求灵活的完成用户定制的功能，以此模拟DDS的工作原理可以实现设计。然而由于DDS原理复杂，使用FPGA设计可能使开发周期较长，因此没有采用此方案。方案2. 由FPGA和DDS专用芯片配合实现由单片机为AD9834产生频率寄存器切换控制信号有一很大的弱点在于定时时间不够精确，且时钟频率较低在产生高频信号时存在困难。为了解决此问题，可以由高速、精确的FPGA产生此FSK调制信号。图2为由该方案实现的框图。单片机
6、AD9834波形产生部分后续电路FPGA控制方波产生部分图2. 由FPGA和DDS专用芯片配合实现框图 写频率控制字此方案对FPGA的设计要求较低，只需产生高低电平持续时间十分精准的方波，控制AD9834每半个周期切换一次频率。此方案的缺点在于，同时使用FPGA和DDS专用芯片使得系统成本较高，而且没有充分利用FPGA的强大功能。综合考虑，可以将此方案作为备用，因此在系统设计时预留了FPGA接口，当单片机无法完成时只需稍作改动即可转化为此方案。采用模拟信号源实现采用基本模拟电路中的压控振荡器电路来实现通过单片机控制压控振荡器外加电压U即可产生不同频率的波形。图3为由该方案实现的框图。单片机DA
7、转换压控振荡器后续电路图3. 采用模拟信号源实现框图使用模拟电路产生波形可控性较差、且需要缜密的稳定性设计，相比于其他方案而言可行性较差。1.2幅度控制方案论证 DAC衰减实现图4为由该方案实现的幅度控制框图。单片机波形产生放大DAC幅值衰减Ref图4. 用DAC衰减实现幅值控制框图 Vref 压控增益放大器实现图5为由该方案实现的幅度控制框图。单片机DA转换压控增益放大器图5. 用压控增益放大器实现幅值控制框图 缺点：压控增益放大器的内部含有AD转换器，将控制电压转换成数字量控制增益，如用在系统中先DA再AD则舍近求远，因此本系统并不采用此方案。1.3键盘显示方案论证键盘显示部分实现方式较多
8、，可分别设计键盘部分和现实部分，其中显示部分可以使用7段数码管也可为液晶显示，液晶显示清晰明确、信息量大。但考虑到IO口资源有限，在本设计中采用应用广泛的集成键盘显示模块ZLG7289。1.4最终方案论证综合以上各部分的分析，波形发生部分选用DDS专用芯片AD9834、幅值控制部分使用DAC衰减电路、键盘显示部分使用专用芯片ZLG7289、后续滤波调整电路则为基本的模拟电路。图6为最终方案框图。单片机控制部分键盘显示：ZLG7289AD9834波形产生部分DAC衰减放大、滤波、直流偏移等匹配电路及输出部分图6. 最终方案实现框图（a） 控制方案51系列单片机由于信号发生的功能已经在DDS芯片上
9、实现，控制模块需要实现的功能是控制字计算和数据传输以及定时功能，单片机不需要复杂的操作功能，从性价比考虑，选择51系列单片机即可实现上述功能。（b） 正弦波、三角波信号发生方案AD9834直接数字合成技术(Direet Digital Synthesis，简称DDS)是建立在采样定理基础上，首先对需要产生的波形进行采样，将采样值数字化后存入存储器作为查找表，然后通过查表读取数据，再经DA转换器转换为模拟量，将保存的波形重新合成出来。DDS具有极高的频率分辨率，极快的频率切换速度，频率切换时相位连续，易于功能扩展和全数字化便于集成等优点，而AD9834本身即可实现正弦波、三角波、方波发生功能，因
10、此本设计中就是利用DDS芯片AD9834来实现多种波形发生器。AD9834可以达到的最高频率是25MHz，用的是高速10位DAC输出，可以输出正弦波、三角波。由于集成了比较器，亦可以直接输出方波。另外，它还具有数字可编程的频率和相位，28位的频率分辨率，并且具有两个波形发生频率寄存器，因此可以通过在两个的频率寄存器里写入不同的频率值，并通过选择不同的频率寄存器来实现占空比的调节。而改写了控制字就可以改变波形信息，从而改变输出波形。若要保证三角波和方波的相位关系，可以通过两个AD9834来同时产生波形。只要将它们的控制端和复位端用同一个信号来控制，就可以实现两个芯片的同步工作。（c）方波信号发生
11、方案单片机&模拟开关 由于FSK调制需要精确的高低电平作为调制的控制信号，为了实现三种波形的相位确定关系，选择使用单片机定时，在定时器溢出中断处对单片机的I/O口取非，即可实现单片机的数字量方波输出，从而控制频率寄存器的频率选择，由于频率寄存器输出的频率和高低电平相对应，即可实现确定的相位关系。而数字量的方波在进入DAC复制控制端之前，应进行数模转换，因此采用模拟开关将数字量方波作为模拟开关的选择信号，并在稳压二极管的稳压值和地信号之间选择，即实现了数字量方波到模拟量方波的转换。（d） 数模转换方案DAC7513根据题目要求，要达到0.1V1V之间10%步进可调，1V10V之间0.1V可调，常
12、用的8位精度的DAC芯片已经不足以达到要求的分辨率。经过计算10位的芯片才可以满足分辨率，因此我们选择了12位精度的DAC转换芯片。将产生的波形作为参考电压输入，将所需要的电压值的转换关系作为数字控制量输入，即可实现不同比率的幅值衰减，即可以得到不同幅值的电压值。DAC7513是一款TI公司的低功耗、轨对轨、12位串行输入的数模转换芯片，并可以通过数字量设定实现不同的功能。并且它的内部已经集成了相关的运算放大器，不需要外接电路即可实现数模转换的功能。（e） 滤波方案无源滤波器经过分析，本系统的谐波来源主要是AD9834的DAC转换输出。由于AD9834的DAC转换速率是由晶振控制的，他所引入的
13、谐波也是晶振频率的整数倍，并且由于DDS改变频率的原理是改变采样点数而不改变采样频率，因此引入的谐波频率也是固定的，因此使用滤除固定频率的低通滤波器即可以获得较好质量的波形。因此通过实验，截止频率在800kHz的无源R-C滤波器即可以满足20Hz20kHz的正弦波和三角波滤波。（f） 运算电路和电平调节电路方案运算放大器运算放大器具有很完善的外围电路设计来实现各种加减运算电路，并且可以很简单的实现运算功能。（g） 输入和显示控制方案7289键盘控制芯片zlg7289 是一片具有串行接口的可同时驱动8 位共阴式数码管或64 只独立LED的智能显示驱动芯片该芯片同时连接64 键的键盘矩阵单片即可完
14、成LED显示键盘接口的全部功能。按照功能设计要求，我们选择使用16个按键，按键功能分别为：09、频率F、幅值A、占空比C、CLEAR、ENTER。（h）性价比分析：控制部分采用STC89C54RD+单片机，可以在烧写程序时自由选择12T和6T模式，可用较低振荡频率的实现较高频率的效果，同时该信号发生器的方波部分由单片机实现，同时产生的方波可以作为后续AD9834的控制方波，性价比较高； 本设计中就是利用DDS芯片AD9834来实现多种波形发生器，由于具有极高的频率分辨率，极快的频率切换速度，频率切换时相位连续，易于功能扩展和全数字化便于集成等优点，应用广泛，电路可波形有：正弦波，方波，三角波及
15、三者的加减信号输出； DAC7513是串行12位DA转换器，由于是串行口节省IO口，而且是12位，精度较高，而且无需要外围器件，最重要的是可以申请到样片；键盘输入和显示电路采用最常用的ZLG7289键盘输入电路外接几个数码管，性价比很高；其他模拟电路部分主要采用了若干运算放大器TL084和双路四选一模拟开关4052和一个普通2.5V的稳压二极管，以及一些电阻和电容，性价比较高。2.硬件设计图7为本设计的硬件设计框图。低通滤波DACDAC放大器放大器AD9834模拟开关低通滤波DAC放大器运算及电平调节（放大器）AD9834MCU单片机STC89C54RD+7289键盘控制键盘LED显示15V5
16、V+5V图7. 信号发生器电路框图3.软件设计图8为系统软件设计框图修改定时器初值和AD9834频率寄存器相应的DAC7513改控制字F=1C=1A=1Y计算按键值NY查询按键值是否按键选择一种信号NY查询按键值是否按键NY查询按键值是否按键YN上电显示开始是否有键按下查询按键值标志F=1标志A=1标志C=1是否按下ENTERN图8. 信号发生器程序流程图4.理论分析理论分析和计算1） 最高频率计算(1)对于AD9834其频率范围由式(1)和式(2)决定：(2)故其可实现的最高频率即为/2，在本设计中即为25MHz。对于STC89C54RD+单片机，本设计使用24MHz晶振，并采用6T模式烧写
17、程序，当定时器采用模式1，且初值设定为65535时，每经过一个时钟周期即发生定时器溢出。故单片机所能达到的最高频率为4MHz。综上，理论上本设计所能实现的最高频率为4MHz，但由于单片机在执行指令的过程中会消耗时间，所以其实际最高频率达不到4MHz。2） 最低频率计算对于AD9834其频率范围由式(1)和式(2)决定故其可实现的最低频率即为，在本设计中即为0.0001863Hz。(3)对于STC89C54RD+单片机，本设计使用24MHz晶振，并采用6T模式烧写程序，当定时器采用模式1，且定时器初值为0时，每经过65536个时钟周期发生一次定时器溢出，对应为输出的最低频率fmin=1/(655
18、36*0.5us)=30.52Hz 综上，理论上本设计能实现的最低频率为30.52Hz。而且以上最低和最高频率都是在占空比为0.5的假设下进行的理论推导，当占空比改变时，对应所能实现的最高和最低频率也会发生变化。3） 运算放大器参数计算运算放大器电路连接如图9所示：图9 运算放大器实现的幅值放大部分图9为由运算放大器实现的正弦波和三角波的幅值放大部分。其中输入时从AD9834输出的峰峰值为0.6V的信号，经图示放大倍数为(3)A=1+R18/R16=25/3的同向输入比例放大器，使输出变为5V以供后续电路使用。图10为方波的幅值放大电路：图10.方波幅值的放大电路由图11，由单片机产生的方波经
19、模拟数字信号转换电路为2.5V的电压经过一个由运算放大器构成的电压跟随器和放大倍数为A=1+R26/R24=2 (4)的电压放大器，也使输出变为峰峰值为5V的电压，以供后续电路使用。系统要求输出为最高峰峰值为10V的信号，直流偏移05V连续可调，采用图示加法电路,其输出为Uout=Uin*R33/(R33+R31)+SINOUT*R31/(R33+R31)*(1+R34/R32) (5） UoutUin图11.输出信号电压放大和直流偏移实现电路图12实现了信号的加减部分，其中Uout即为图4中的Uout。上图有两个选择跳线，标号为FXSIN的跳线是选择该路信号是被加入还是减去，标号为JIAJI
20、AN的跳线是选择该路信号是否被加入，即可实现三路信号的独立选择加减。 图12.输出信号加减选择实现电路Uout图13为典型的反向加法电路，所有电阻均选为1K，则即可实现输出为END=U1+U2+U3(6)U3U2U1 图13.输出信号加减实现电路 4） 其它需要陈述的计算和分析以上最低和最高频率都是在占空比为0.5的假设下进行的理论推导，当占空比改变时，对应所能实现的最高和最低频率也会发生变化。5.测试方法1）测试仪器和环境图14为测试仪器和环境的结构图。本作品EDS18D双路直流稳压电源+15V-15VGND输入端输出端TM320A100M双踪示波器图14. 测试仪器和测试环境示意图2）测试
21、项目和具体方法（a）焊接调试：检测制版情况和焊接情况；（b）分步调试：将系统的主要三个模块进行分别调试，包括键盘显示模块（7289）测试，信号发生模块（单片机方波发生和AD9834）测试，信号幅值控制模块（DAC7513）测试；（c）联合调试：将整个系统连接在一起，使用键盘改变频率、幅值、占空比的信息，用示波器观察信号输出，记录结果，计算误差，按照结果修改程序设计，并对设计作出综合评价。6.测试结果分析表1为波形频率和占空比输出测试结果表1 波形频率和占空比输出测试结果 zf（Hz）f实际频率（Hz）0.10.20.30.40.50.60.70.80.920.020_0. 5022.022.2
22、0.5024.223.80.5026.626.30.5029.325.00.5032.233.30.5035.435.70.5039.040.40.400.500.6042.943.50.290.400.500. 6047.247.60.300.410.500.390.7051.952.60.210.320.420.500.56.-0.680.7957.158.80.110.20.290.40.500.60.710.80.8962.862.50.120.200.300.410.500.590.700.800.8869.069.00.100.190.310.410.500.590.690.810
23、.9075.975.70.090.210.300.400.500.600.700.790.9183.583.30.110.210.290.400.500.600.710.790.8991.993.00.090.210.310.410.500.590.690.790.91101.1100.00.100.200.300.400.500.600.700.800.90111.2111.10.110.190.310.390.500.610. 690.810.89122.3121.20.120.200.300.390.500.610.700.800.88134.5133.30.100.200.300.40
24、0.500.600.700.800.90148.0148.10.090.0220.300.410.500.590.700.780.91162.8163.90.100.200.300.390.500.610.700.800.90179.1178.60.110.210.290.390.500.610.610. 710.89197.0200.00.100.200.300.400.500.600.700.800.90216.7217.40.110.220.300.390.500.610.700.780.89238.4238.40.100.190.310.400.500.600.690.810.9026
25、2.2263.20.110.180.320.420.500.580.680.720.90288.4294.10.120.180.290.410.500.590.6610.720.88317.3322.60.100.180.290.410.500.590.710.820.90349.0357.10.080.190.290.390.500.610.710,810.92383.9384.60.120.210.290.400.500.600. 710.790.88422.3434.80.090.210.310.390.500.610.690.790.91464.5465.10.100.210.300.
26、380.500.620.700.790.90511.0518.20.100.210.330.410.500.590.670.790.90562.0555.60.110.170.290.390.500.610.710.830.89618.3625.00.090.190.310.390500.610.690.810.91680.1666.70.130.190.310.410.500.590.690.710.87748.1754.80.100.210.290.400.500.600.710.790.90822.9851.10.090.170.230.380.500.620.770.830.91905
27、.2952.40.100.200.300.380.500.620.700.800.90995.71025.60.100.220.310.410.500.590.690.780.901095.31142.90.110.180.320.400.500.600.680. 720.891204.81212.20.090.210.270.410.500.590.730.790.911325.31333.30.100.200.300.400.500.600.700.800.901457.81428.60.110.210.300.410.500.590.700.790.891603.61600.00.100
28、.200.290.420.500.580.710.800.901763.91818.20.090.170.300.380.500.620.700.830.911940.31923.10.100.190.300.430.500.570.700.810.902134.421270.70.090.190.280.380.500.620.720.810.912347.82325.60.090.210.300.430.500.570.700.790.912582.62500.00.100.210.310.430.500.570.690.790.902840.92857.10.110.190.290.39
29、0.500.610.710.810.893124.931250.090.190.280.430.500.570.720.810.913437.43448.30.100.210.310.390.500.610.690.790.903781.23846.20.080.190.300.360.500.640.700.810.924159.34166.70.080.210.290.420.500.580.610.790.924575.24545.50.090.200.300.410.500.590.700.800.915032.850000.100.200.300.400.500.600.700.80
30、0.905536.05555.60.110.220.310.390.500.610.690.780.896089.66060.60.120.210.300.390.500.610.700.790.886698.66666.70.100.200.300.400.500.600.700.800.907368.47407.40.110.190.290.410.500.590.710.810.898105.38000.00.120.200.320.400.500.600.680.800.888915.89090.90.090.180.320.410.500.590.680.820.919807.495
31、23.80.100.190.290.380.500.620.710.810.9010788.210526.30.110.210.320.370.500.630.680.790.8911867.011764.70.120.220.290.410.500.590.710.780.8813053.712903.20.100.190.290.390.500.610.710.810.9014359.014258.70.110.210.290.390.500.610.710.790.8915794.915384.60.120.190.310.380.500.620.690.810.8817374.4172
32、41.40.100.210.310.410.500.590.690.790.9019111.918867.90.110.210.300.400.500.600.700.790.8921023.120408.20.100.200.310.400.500.600.690.800.90通过测试,这个系统可以实现波形发生，并且可以通过FSK调制改变占空比。但所能控制的范围受到单片机定时器的最大定时时间和精度限制。经过分析：对于STC89C54RD+单片机，本设计使用24MHz晶振，并采用6T模式烧写程序，当定时器采用模式1，且初值设定为65535时，每经过一个时钟周期即发生定时器溢出。故单片机所能达到
33、的最高频率为4MHz。实际上，由于单片机在执行指令的过程中会消耗时间，在定时器开启定时到溢出中断所占用的时间需要进行修正，经过实践探索，应在理论初值上加10，才可以得到较准确的周期性方波。所以其实际最高频率达不到4MHz。最大初值由式(1)j决定65535-10=65525 (7)对应为输出的最高频率为式(2):fmax=1/(10*0.5us)=200kHz (8)为求得最低频率，即要将定时器的初值设为0，每经过65536个时钟周期发生一次定时器溢出，对应为输出的最低频率由式(3)确定：fmin=1/(65536*0.5us)=30.52Hz (9)理论上本设计能实现的最低频率为30.52H
34、z，最高频率可以设定到200kHz，而且以上最低和最高频率都是在占空比为0.5的假设下进行的理论推导，当占空比改变时，对应所能实现的最高和最低频率也会发生变化。而实际上由于在低频处，当占空比改变时，一种频率就分别改写为两种不同频率的组合，而其中的一种频率就会变得更低，因此低频处改变占空比时会出现低于30.25Hz的情况，因此无法实现占空比的全范围调节。经过计算，当占空比为0.9，最低频率是30.52Hz时，可以得到：30.52*0.9=27.23Hz (10) 可以看出，使用48MHz的晶振的定时器达不到所要求的20Hz处占空比全范围调节，并且不同的低频处所能达到的可调节占空比范围也受到定时器
35、所能达到低频的限制。经过计算，60Hz20kHz范围内的频率都可以实现占空比全范围调节。综上，我们认为是由于51系列的单片机不能实现精确的定时功能，在定时器开启过程中，程序有很多语句运行占用很多时间，对其进行修正以后定时器所能给出的频率值的上限就被很大程度的限制了，而定时器运行过程中的不准确也造成了波形的不断波动。因此，要想扩大频率范围，改进输出波形效果，就需要采用更精确的FSK调制方案，即使用430单片机的定时器或者使用FPGA产生调制矩形波。表2 峰峰值实现结果理论峰峰值(V)实际峰峰值(V)理论峰峰值(V)实际峰峰值(V)理论峰峰值(V)实际峰峰值(V)0.100.112.672.646
36、.476.430.110.122.772.766.576.600.120.122.872.886.676.660.130.152.972.966.776.800.150.163.073.046.876.830.160.173.173.126.977.000.180.193.273.267.077.080.200.203.373.367.177.200.220.223.473.467.277.240.240.243.573.527.377.400.270.243.673.657.477.430.290.303.773.747.577.600.320.323.873.857.677.610.350
37、.363.973.927.777.800.390.384.074.067.877.800.430.424.174.167.978.000.470.504.274.268.078.060.520.524.374.408.178.200.570.584.474.428.278.220.630.624.574.488.378.400.690.704.674.628.478.420.760.764.774.808.578.600.840.844.874.868.678.580.920.924.974.998.778.801.011.045.075.068.878.841.111.125.175.128.979.001.221.205.275.309.079.111.351.32
