畢業論文--基于單片機的信號發生器的設計-文庫吧

【正文】 電路。 盡管信號發生器已廣泛應用到我們生活的方方面面，但是 市面上能看到的儀器 在頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足我們生活、實驗和 工業生產等多方 面實際應用的需求。開發低功耗、寬頻帶，能產生多種波形并具 有程控等低頻的信號發生器就顯得更加重要和更具意義。 信號發生器 概述 信號發生器分類 信號發生器應用廣泛，種類繁多，性能各異，分類也不盡一致。按照頻率范圍分類可以分為：超低頻信號發生器、低頻信號發生器、視頻信號發生器、高頻波形發生器、甚高頻波形發生器和超高頻信號發生器。按照輸出波形分類可以分為：正弦信號發生器和非正弦信號發生器，非正弦信號發生器又包括：脈沖信號發生器，函數信號發生器、掃頻信號發生器、數字序列波形發生器、圖形信號發常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 2 生器、噪聲信號發生器等。按照信號發生器性能指標可以分為一般信號發生 器和標準信號發生器。前者指對輸出信號的頻率、幅度的準確度和穩定度以及波形失真等要求不高的一類信號發生器。后者是指其輸出信號的頻率、幅度、調制系數等在一定范圍內連續可調，并且讀數準確、穩定、屏蔽良好的中、高檔信號發生器。 信號發生器的發展歷史 信號發生器作為一 種常用電子儀器設備，傳統的信號發生器是完全由硬件電路搭接而成， 如用 555 振蕩電路 產生正弦波、三角波、方波鋸齒波的電路便是常用的方法之一 。不過這種電路 存在 一定 的缺點如：波形的質量差、比較難控制、可以調節的范圍小、電路比較復雜和體積較大等。在科學研 究、工業生產、工業過程的控制和生物醫學 等領域我們經常會用到低頻信號源，但是用硬件電路組成的低頻信號發生器的性能 還遠不能讓人滿意，這是因為 低頻信號源所需要的 RC很大， 而 大電阻和 大電容在制作問題上 又 有一定的困難，參數的精度也不能做到保證進而導致低頻信號發生器漏電而且體積大，損耗明顯。當 工作的需求和功能有所增加，則電路的復雜程度也會相應的增大。 70年代以前，信號發生器主要分為：正弦波信號發生器和脈沖波信號發生器，但是函數發生器處于兩類之間，它可以提供余弦波、正弦波、三角波、方波、鋸齒波、上弦波等常用的波形，產生 其它的波形時，則需要用到較復雜的電路加上機電結合的方法。 70年代以前的波形發生器大都使用模擬電子技術，但是模擬器件組成的電路存在著一些缺點，比如說：尺寸大、價格貴、功耗大等，并且要產生相對來說比較復雜的信號波形，那么電路結構就會非常復雜。而且主要表現為兩個問題，一個是要通過電位器的調 3 節來實現輸出頻率的調節，這樣就很難將頻率調到固定的值；第二個則是脈沖的占空比不可以調節。 70年代之后，由于微處理器的出現，我們就可以利用處理器、 A/D/和 D/A，硬件和軟件來讓波形發生器的功能增大，可以產生出更為復雜的波形。 這個時期的波形發生器大都以軟件為主，其實質上是采用微處理器對 DAC的程序控制，這樣我們就可以得到各種簡單的波形。 90年代末期，出現了一些真正的性能高、價格高的函數發生器、不過 HP公司生產了型號為 HP770S 的信號模擬裝置系統，它是由 HP8770A任意波形數字化和 HP1776A波形發生軟件組成的。不過 HP8770A 也只能產生 8種波形，而且價格常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 3 很貴。不久， Analogic公司則推出了型號為 Data2020的多波形合成器， Lecroy公司也生產了的型號為 9100的波形發生器。 二十一世紀， 隨著 集成電路技術高速 發展，出現了很多工作頻率可以超過GHz的 DDS芯片， 推動了函數信號發生器的發展，到 2022年， Agilent 公司生產的 33220A可以產生 17種波形，最高的頻率可以到 20M， 2022年生產的 N6030A可以產生 500MHz的頻率，采樣的頻率可達 。 信號發生器技術 發展 方向 近些年來，函數信號發生器的技術發展特點主要表現在以下 幾個方面： （ 1）輸出波形頻率的不斷提高，讓信號發生器的應用越來越廣泛。信號發生器的軟件開發以及應用讓波形數據的輸入變得更加容易了起來。因為信號發生器軟件的開發 ,我 們便可以用一系列的點或者是直線或者是固定的函數段把波形的數據存入到存儲器中。而且可以使用一種非常有效的數學方程的輸入方式，那么即使是復雜的波形也可以由簡單的數學公式組合而成 ,就是 :v=f(t)的形式。因此促進了函數信號發生器向可以產生任意波形的方向發展，而且計算機語言的快速發展對信號發生器的軟件技術也起到了一定的促進。現在我們可以使用可視化的編程語言如 Visual Basic,Visual C等語言來編寫信號發生器的程序語言，這樣便允許從計算機的顯示屏上來輸入任意的波形，從而實現波形的輸入。 （ 2）和 VXI資源的結合。現在函數信號發生器由臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新開發的 VXI模塊。因為 VXI總線的逐步成熟，而且對測量儀器要求的增高，很多方面都使用 VXI系統來測量產生復雜的波形， VXI里面的系統資源辦證了它的優勢，不過因為開發 VXI模塊的周期較長，還需要有 VXI機箱的配套，讓 VXI模塊局限于航空、軍事和國防等重大領域； 民用的方面， VXI 模塊還不如臺式的儀器方便。 （ 3）伴隨著信息技術的快速發展，臺式的儀器在經歷了一段衰落之后，又 重新振作起來。現在新的臺式儀器和之前的已經有了很多地方的區別。新 一代的臺 式儀器有更多的特性，而且可以執行更多的功能。外形大小和價格 都要相對于過去類似的產品有很大的減少。 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 4 單片機 概述 隨著大規模集成電路技術的發展，中央處理器 (CPU)、隨機存取存儲器 (RAM)、只讀存儲器 (ROM)、 (I/O)接口、定時器 /計數器和串行通信接口，以及其他一些計算機外圍電路等均可集成在一塊芯片上構成單片微型計算機，簡稱為單片機。單片機具有體積小、成本低，性能穩定、使用壽命長等特點。其最明顯的優勢就是可以嵌入到各種儀器、設備中，這是其他計算機和網絡都無法做到的。 由于單片機的這種特殊的結構形式， 在某些應用領域中，它承擔了大中型計算機和通用微型計算機 所無法完成的一些工作；使其具有很多顯著的優點和特點， 在各個領域中都得到了迅猛的發展。 單片機的特點歸納起來有以下幾個方面： 1） 具有優異的性能價格比 單片機盡可能地把應用所需的存儲器 ,各種功能的 I/O 接口集成在一塊芯片內 ,因而其性能很高 ,而價格卻相對較低廉 ,即性能價格比很高。 2） 控制功能強 單片機體積雖小，但“五臟俱全”，它非常適用于專門的控制用途。為了滿足工業控制要求，一般單片機的指令系統中有極豐富的轉移指令， I/O 口的邏輯操作指令以及位操作指令。其邏 輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。 3） 集成度高、體積小、可靠性高 單片機把各種功能部件集成在一塊芯片上，因而集成度高，均為大規模或超大規模集成電路。又內部采用總線結構，減少了芯片之間的連線，這大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。同時，其體積小，對于強磁場環境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環境下工作。 4） 低電壓、低功耗 單片機大量用于攜帶式產品和家用消費類產品，低電壓和低功耗尤為重要。目前，許多單片機已可在 電壓下運行 ,有的已能在 或 下工作，功耗降至μ A 級 ,一粒鈕扣電池就可長 期使用。 利用單片機采用程序設計方法來產生低頻信號，其下限頻率很低。具有線路相對簡單，結構緊湊，價格低廉，頻率穩定度高，抗干擾能力強，用途廣泛等優點，并且能夠對波形進行細微調整，改良波形，使其滿足系統的要求。只要對電路稍加修改，調整程序，即可完成功能升級。 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 5 第二章 系統分析和總體設計 對信號發生器 設計 的 要求 它的主要 技術 指標及功能要求如下： (1)能產生正弦波、三角波和方波信號，并通過按鍵切換信號類型； (2)通過按鍵可以以一定的步進改變頻率； (3)正弦波所能達到最高頻率為 2MHz。 (4)輸出幅度為 0—5V。 設計 方案的選擇 函數信號發生器的實現方法一般有下面幾種： 方案一：利用分離元件組成的函數信號發生器，但基本上都是單函數發生器而且它有一些缺點比如：頻率不高，工作也不很穩定，不方便調試。 方案二：采用函數信號發生器 ICL8038 集成的模擬芯片，它是可以同時產生方波、三角波、正弦波的專用集成電路。不過這種模塊所產生的波形不是純凈的波形，都會有高次諧波分量，我們可以采取措施過濾部分，但不可能全部濾除干凈 ,而且這還有個缺點就是價格較高。 方案三：采用 AT89C51 單片機和 DAC0832 數模轉換器的 相結合電路來產生波形，這種方法是采用的軟件濾波，因此就不會產生寄生的高次諧波分量，所生成的波形相對來說也比較純凈。而且它還有一些優點比如：成本低、性能較高，但是該方案無法達到論文設計的頻率要求。 方案四： 采用 AT89C51 和 專用直接數字合成ＤＤＳ芯片的函數發生器 ，能產生任意波形并達到很高的頻率，而且該方案電路較簡單， 性價比高。 鑒于方案一的信號頻率不夠穩定， 方案二的電路復雜， 價格高昂，頻率覆蓋系數難以達標等缺點和方案三無法達到論文設計的頻率要求，所以決定采用方案四 的設計方法。它不僅采用軟硬件結合，軟件控制硬 件的方法來實現，使得信號頻率的穩定性和精度的準確性得以保證，而且它使用的幾種元器件都是常用的元器件，容易得到，且價格便宜，使得硬件的開銷達到最省。 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 6 系統組成 及工作原理 系統組成 系統框圖如圖 所示， DDS 波形發生器主要由五大模塊 (單片機控制模塊、鍵盤與顯示模塊、數字合成模塊、濾波模塊及運放模塊 )組成。各模塊的功能：波形產生由單片機控制模塊和數字合成模塊實現，濾波模塊及運放模塊用來對波形進行處理。 圖 系統 工作原理 系統工作原理：用戶用按鍵輸入命令，數據顯示在 LCD 上，并將命令傳輸到單片機，再由單片機控制 DDS 芯片輸出波形，并通過后級波形調理電路，輸出所需的波形。 （ 1） 單片機模塊 本設計中單片機是系 統的控制中心， 用來向 DDS輸入控制字，用戶按鍵輸入命令的判斷，以及 LCD內容的顯示。考慮到本設計的單片機的功能，本系統采用 最為常用的 51單片機 即 AT89C51 來作為控制模塊 （ 2）鍵盤和顯示模塊 本設計鍵盤 模塊 選擇 4*4鍵盤用來選擇 波形 相位、 頻率 值 ；顯示模塊 采用LCD1602， 主要是用來顯示波形的頻率等。 （ 3）數字合成和濾波模塊 DSS芯片 是本設計的核心 模塊 ， 主要 是 由相位累加器、正弦波形表、 D/A轉換器、低通濾波器組成 ，其基本組成 如圖 21。 其基本原理是： 在系統時鐘的控制下，將頻率控制字 K送到相位累加器 ；刷 新相位累加器 中 的數據，然后把相位累加器中的數據 N 作為地址對正弦 ROM表進行查詢； 通過改變相位增量就可以改變 DDS的輸出頻率 值； 由波形 ROM存儲鍵 盤 單片機 數字合成 顯示 低通濾波 集成運放 波形輸出 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 7 器取出的波形量化數據，經過 A/D 轉換器轉換成模擬電壓 /電流，再經過低通濾波器將波形中的高次諧波濾除， 最終 得到 DDS 的輸出 波形 。 頻 率 控 制 字 D / A 轉 換 器波 形 存 儲 器 R O M相 位 累 加 器時 鐘 源 圖 22 DDS的基本組成模塊 ① 時鐘源 由一個穩定度比較高的晶體振蕩器組成，為整個電路提供高精度頻率信號，是 DDS正常工作的核心 器件。 ② 相位累加器 相位累加器是由 加法器和反饋寄存器 兩部分組成的 ,其結構如圖 21 所示 ,每一個參考時鐘信號脈沖 ,都會使作為相位增量的頻率控制字 M 進入到相位累加器 ,并與之存儲的相位值相加 ,得到歸一化的相位值 ,再輸入正弦查表進行查詢。雖然的幅度增量是非線性的 ,但是它的相位增量卻是線性的 ,因此 DDS 利用相位增量 的線性變化，在時鐘脈沖 下，讓相位實現一個個步長的增加，來決定輸出信號的頻率與精度。 假設相位累加器的位數為 N,那么加法器位數也為 N,反饋寄存器位數也為 N,并且起模運算的作用。將一個周期 2*? 平均分成等份 ,由于頻率 控制字的循環累加 ,每次轉動一個角度 2* /2N? ,則可以產生一個頻率為 /2cf 的正弦波相位遞增量。那么只要選擇恰當的頻率控制字 M滿足 : 2out Ncf Mf ? （ 21） 就可以 得到 所需要的輸出頻率。每 2N 是一個周期 ,周期過后寄存器中的數值歸零 ,如此循環、周 而復始的相加。 ③ 正弦查表 相位累加器輸出的是 相位序列碼 ，經過一個相位序列碼到幅度序列碼的變換裝置， 再經過數 /模轉換就可以 生成階梯波形。 相位序列碼到幅度序列碼的變換常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 8 裝置就是利用只讀存儲器 RAM來完成的。 ④ 數 /模轉換器（ DAC） DAC 的作用 是