1、信号源的设计和制作,课程目的： 培养学生查阅资料的能力。 培养学生工艺素质。 培养学生市场素质。 培养学生团队精神。 5. 培养学生综合设计和实践能力。,课程设计要求：,制作出能切实可行的实物信号源 4周开始至14周结束 3. 15周课程设计答辩(交作品与设计报告) 4. 可自选或自命题 5. 注重结果同时更注重过程,二、技术指标,1 基本要求（1） 正弦波信号源1） 信号频率：20Hz20kHz步进调整，步长为5Hz2） 频率稳定度：优于10-4（2） 脉冲波信号源1） 信号频率：20Hz20kHz步进调整，步长为5Hz2） 上升和下降时间：1us3） 脉冲占空比：2%98%步进可调，步长为
2、2%,一、任务在给定电源电压条件下，设计并制作一个正 弦波和脉冲波信号源。,（3） 上述两个信号源公共要求1） 频率可预置2） 在负载为600时输出幅度为3V3） 完成5位频率的数字显示,2 发挥部分（1）正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围 100mV3V，步长为100mV。（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为1Hz。,一、 总体方案设计制作一个能产生正弦波和脉冲波信号源。要求信号频率在20Hz20kHz范围内能程控步进调整，脉冲波的占空比在2%98%之间能程控步进可调，且性能良好，满足指标。,1 方案比较 （1）正弦波产生方案一：采用单片函数
3、发生器（8038），8038可同时产生正弦波、脉冲波，方法简单，用D/A转换器的输出来改变调整电压，也可以实现数控调整频率，但步长难以满足要求，且频率稳定度不高。,方案四：采用单片机控制动态生成程序。该方法引入动态编程和吞时钟技术，使用8031便可产生50kHz的正弦波，能达到指标要求。单片机在此不仅是控制器，还是信号发生器，用软件产生正弦波，使硬件开销达到最省。,方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡 器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好， 但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂，不适于 产生低频信号。,方案三：采用直接数字频率合成器（DDS），可用硬件
4、或软件 实现。即用累加器按频率要求对相应的相位增量进行累加， 再以累加相位值作为地址码，取存放于ROM中的波形数据， 经D/A转换、滤波即所得需要波形。方法简单，频率稳定度高， 易于控制。,（2）方波的产生方波可由正弦波整形得到，关键是如何控制占空比，对此有几种方案。,方案一：由D/A转换器产生占空比相应的电压，将之与正弦信号进行比较就可得到所需占空比方波。但这种方法精度较差，难以达到2%的步进要求。,方案二：先把正弦波变换为锯齿波或三角波，然后进行比较。这样一来虽然可以提高精度，但电路复杂，成本高，调试也困难。,方案三：采用计数定时方法，先将正弦波变换为方波，再用它的上升沿触发一计时电路，该
5、电路在计时期间输出为高电平，计时终止后输出为低电平，该输出波形即为所需要波形。这种方法计时精度高，成本低。,2实施方案 根据以上分析，选用如下方案。 （1）正弦波产生800Hz以下的正弦波产生采用软件相位累加DDS方案来实现。800Hz50kHz的正弦波采用动态生成程序的方法来实现。,（2）方波的产生 方波由同频率的正弦波产生，采用计数定时方案来实现占空比的步进调整。为提高占空比的精度，采用预分频和择优技术。,二、硬件系统信号源的硬件系统框图如图所示。下面将分别介绍各组成部分的功能和实现方法。,单片机系统是整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是波形数据的产生器。,整机系统地址分配
6、如下： 27C128： 0000H3FFFH的程序存储空间 6264： 6000H7FFFH的程序和数据空间 82C53： 4000H5FFFH DAC0832： A000HBFFFH 82C79： E000HFFFFH,方波形成电路由比较器LM311和计数定时电路构成，计数定时电路采用程控计数器82C53实现。正弦波经LM311比较器后，变为方波，其上升沿触发82C53的GATE1，开始计数并输出低电平，82C53计满后输出高电平，改变80C32预置82C53的计数初值就可使输出方波的占空比改变。82C53输出经74HC14反相，进入DAC0832幅度控制。,正弦波形成电路:D/A转换器将8
7、0C32的P1口送来的数据，变换成阶梯正弦波，再经滤波器滤波后送入LM311和CD4051，经DAC0832进行幅度调整，NE5532驱动后输出。 D/A转换器由建立时间为150ns的DAC0808实现，DAC0808的基准电压由稳压块7805提供。,这样方波输出就为0V或5V，进入DAC0832幅度控制，再经驱动后输出。同时考虑到占空比为2%和98%的方波波形正好反相，4%和96%的波形也正好反相，余此类推。为了减少计数的容量，故方波分为两路输出，占空比小于50%的方波在74HC14处只有一级反相器，而占空比大于50%的方波加有两级反相器。,三、调试过程 1使用的仪器与仪表 PC机，386D
8、X40，5M内存 数字频率计，8610A型 MICE51仿真器 XD低频信号源 20MHz双踪示波器 真空管毫伏表，DYC5 BSIA失真度测量仪 890型数字万用表 JWY30F稳压电源,2调试经验调试过程是发现错误、改正错误的过程。能够越早地发现错误，纠正它的代价就越小。错误可以分为：系统方案错误；系统设计错误；系统实现错误。,系统方案错误是致命的，如果在制作后期才发现它，几乎就没有挽救的办法。,为避免方案错误，在设计前要进行周密的方案论证。这时要查找大量的文献资料，必要时开发部分原型或进行计算机模拟。例如，这个系统在选择方案时，不知道动态编程能否满足频率要求。可以用穷举法结800Hz到5
9、0kHz逐个频率点进行验证，在得到可行的结论后才使用。,系统设计错误通常意味要对物理线路作较大的改动。,系统实现错误主要是器件接线错误或工作点设置错误。查找实现错误时可以根据模拟的结果进行对照调试，或由电路的因果关系确定故障的位置。,一是使用计算机对电路进行模拟，例如验证滤波器的特性，而且模拟的结果为物理线路的调试提供了参考依据。另一个是使用可编程逻辑器件，如GAL，这样在发现错误时只要重新改变编程，不需要做大的改动。,例如，器件选择错误，在高速应用中使用了低速器件；元件参数计算错误，以致达不到预定的指标。这些都是设计上的错误。在这里采用两种手段来减少设计错误，或减少设计错误造成的影响。,四、结束语频率合成部分是信号源的关键。可以采用动态编程和吞时钟脉冲技术，提高了软件的处理效率，使正弦波频率的高端扩展到50kHz，步进1Hz。从实际制作的结果来看，各方面的指标可达到指标要求，可有不同程度的提高，也可证明该方案的正确性和可行性。,整个系统还会得益于可编程逻辑器件和计算机模拟等技术的应用，同时各种器件的灵活运用为最后的成功铺平了道路。,设计、实施方案的主要特色：采用单片机动态编程和吞时钟脉冲技术，现场生成正弦波的DDFS（数字直接频率合成）波形数据，并存入外部RAM，提高了正弦波的工作频率。采用计数定时法控制输出方波的占空比，可保证调整精度。,
