波形发生器设计报告.doc

1、波形发生器设计报告 一、 设计任务 设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的 特定形状波形。 二、 设计要求 1. 基本要求 具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性的波形。 用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（ 5 次以下）线性组合的波形。 具有波形存储功能。 输出波形的频率为 100Hz20KHz（非正弦波频率按 10 次谐波计算）：重复频率可调，频 率步进间隔100Hz。 输出波形幅度范围 05V（峰-峰值） ，可按步进 0.1V（峰-峰值）调整。 具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。 2.发挥部

2、分 输出波形频率范围扩展至 100Hz200KHz。 用键盘或其他输入装置产生任意波形。 增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于3%（负载电压变化范围 ：100） 。 具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置。 可产生单次或多次（1000 次以下）特定波形（如产生一个半周期三角波输出） 。 其它（如增加频谱分析、失真度分析、频率扩展200KHz、扫频输出等功能） 。 三、方案设计和论证： 根据题目的要求，我们一共提出了三种设计方案，分别介绍如下： 1、 方案一 采用低温漂、低失真、高线性单片压控函数发生器 ICL8038，产生频率受控可变的正弦波 ，可实现数控频率调整

3、。通过 D/A 和 5G353 进行输出信号幅度的控制。输出信号的频率、幅度参数由 4x4 位键盘输入，结果输出采用 6 位 LED 显示，用户设置信息的存储由24C01 完成。2、 方案二 由 2M 晶振产生的信号，经 8253 分频后，产生 100Hz 的方波信号。由锁相环 CD4046 和8253 进 行 N 分频，输出信号送入正弦波产生电路和三角波产生电路，其中正弦波采用查表方式产 生。计数器的输出作为地址信号，并将存储器 2817 的波形数据读出，送 DAC0832 进行D/A 转换，输出各种电压波形，并经过组合，可以得到各种波形。输出信号的幅度由 0852 进 行调节。系统显示界面

4、采用 16 字 x1 行液晶，信号参数由 4x4 位键盘输入，用户设置信息的存储由 24C01 完成。 3、 方案三 以 4M 石英晶振作为参考源，通过 F374，F283 以及 LS164 组成的精密相位累加器，通过高速 D/A 变换器和 ROM 产生正弦波形，这个数字正弦波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模 拟信号波形。通过高速 D/A 产生数字正弦数字波形和三角数字波形，数字正弦波通过带通 滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方 波时钟信号。通过相位累加器来实现多种波形的同相位输出，并可以连续地改变频率。 输出信号幅度由 TLC7524 进行数字控制

5、。用户设置信息的存储由 24C01 完成。 以下为三种基本方案的具体电路实现： 方案一 单片压控函数发生器 ICL8038 产生频率为 100Hz20KHz 的正弦波，其频率由 DAC0832和 5G 353 进行控制。由于 ICL8038 自身的限制，输出频率稳定度只有 10-3（RC 振荡器） 。而且 由于压控的非线性，频率步进的步长控制比较困难。输出信号的幅度数控由 DAC0832 和5 G353 完成。幅度数码由单片机通过 P0 口输入。要求幅度数据为 8 位/ 100mV。用户设置信息的存储由 24C01 完成。 微控制器由 8051 最小系统，键盘/ 显示接口芯片 8279，16

6、位键盘，6 位 LED 数码显示器以及相应译码、驱动电路及“自动扫描/手动设置”选择开关等组成。 方案二 基本信号产生：晶振频率为 2M，经 8253 进行分频后，产生 100HZ 的方波信号，则分频比为： M=fALE/100=2X104 其中 FALE=2M 一般石英晶体振荡器的频率稳定性优于 10-5，故输出信号的频率稳定性指标得以保证。 频率合成：CD4046 和 8253 组成的锁相环中，fo=100N 其中 8253 的定时器做 4046 的N 分频， 则占空比电路的输入脉冲信号频率也是 N。 利用可编程定时器/计数器 8253 的三个定时器，正好可以承担上述 2x104 分频和锁

7、相环中 而个分频器的任务。其中定时器 0 分频比设为 2x104，定时器 2 做锁相环 N 分频。利用8253 做分频器，应使其工作于方式 3。 波形变换采用查表方式，把正弦波一个周期的波形按时间平均划分为 100 个点，各点的电 压数据放在存储器 2817 中，通过 DA0832 实时查询输出。 输出信号的幅度数控由 DAC0832 完成，幅度数码由单片机通过 P1 口输入，要求幅度数据为 8 位/ 100mV。当输出幅度为 3V 时，DAC 输入数值应为 240。 微控制器系统由 89C51 最小系统， 4x4 位键盘输入，字符型液晶显示器以及相应的译码、 驱动电路构成。液晶显示采用菜单显

8、示方式，显示直观，操作方便，人机界面非常友好 . 用户设置信息的存储由 24C01 完成 方案三以 4M 石英晶振作为参考源，通过 F273，F283 以及 LS164 组成的精密相位累加器和数字信号处理，通过高速 D/A 变换器 DAC0800 和 2817 E2ROM 产生正弦波形，三角波形和任意波形。 正弦信号频率计算：在相位累加器中，每来一个时钟脉冲，它的内容就更新一次。在每 次更新时，相位增量寄存器的相位增量 M 就加到相位累加器中的相位累加值上。假设相位 增量寄存器的 M 为 00.01，相位累加器的初值为 00.00。这时在每个时钟周期，相位累 加器都要加上 00.01。本设计累

9、加器位宽 n 是 24 位，相位累加器就需要 224 个时钟周期才能恢复初值。 相位累加器的输出作为正弦查找表、三角波查找表和用户自定义波形查找表（均为 E2PROM2817）的查找地址。查找表中的每个地址代表一个周期的波形的一个相位点，每 个相位点对应一个量化振幅值。因此，这个查找表相当于一个相位振幅变换器，它将 相位累加器的相位信息映射成数字振幅信息，这个数字振幅值就作为 D/A 变换器的输入。 设计 n=24, M=1, 这个相应的输出信号频率等于时钟频率除以 224。如果 M=2，输出 频率就增加 1 倍。对于一个 n-bit 的相位累加器来说，就有 2n 个可能的相位点，相位增量 寄

10、存器中控制字 M 就是在每个时钟周期被加到相位累加器上的值。假设时钟频率为 fc，那 么输出信号的频率就为： f0 = M*fc / 224 数字正弦波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。通过高速 DAC 产生数字正 弦数字波形和三角数字波形，数字正弦波通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波 信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。 输出信号的幅度数控由 TLC7524 数控衰减器完成，幅度数码由单片机通过总线寻址方式输 入，幅度为 8 位/100mV。当输出幅度为 5V 时，DAC 输入值为 400。 微控制器系统由 89C52 最小系统， 4x4 位键盘输入，字

11、符型液晶显示器以及相应的译码、 驱动电路构成。液晶显示采用菜单显示方式，显示直观，操作方便，人机界面非常友好 信 号 发 生 器 摘 要 ： 关 键 词 ； 目 录 1.系 统 设 计 x 1.1设 计 要 求 x 1.1.1 1.1.2 2. 2.1.1 。用户设置信息的存储由 24C01 完成 4、 方案比较 下面对三种方案的性能特点和实现的难易等作一些具体分析与比较。 1）方案一结构比较简单，但由于 ICL8038 自身的限制，采用了 RC 振荡器，故输出频率稳 定度只能达到 10-3 数量级。方案二采用石英晶体振荡器和数字锁相环技术，而一般石英 晶体振荡器的频率稳定性优于 10-5，故

12、输出信号的频率稳定性指标得以保证。方案三同 样采用石英晶体振荡器、精密的相位累加器，频率稳定性指标同样优于 10-5。达到题目 的要求。 2）方案一由于压控振荡器 F/V 的线性范围有限，频率步进的步长控制比较困难，难以保 证 1000 倍的频率覆盖系数。方案二采用集成锁相环 4046，配合 8253 很容易做到 1000倍的 线性频率覆盖系数。方案三使用精密相位累加器和高速 DAC，同样可以实现 1000 倍的线性 频率覆盖。 3）方案一的控制显示系统比较简单，六位 LED 的显示系统制作比较简单，但难以显示系 统输出信号的详细信息，使用时操作难度比较大，人机界面比较难懂。方案二和方案三 采

13、用 16 字符 x1 行的液晶，菜单式操作方法，要求有比较高的硬件制作水平和软件编程技 术，但可以详细的显示波形，占空比，信号幅度等信息。人机界面友好，操作方便。而 且通过软件编程控制使系统输出信号的频率、波形预置变的非常简单。 4）方案一中，为获得 1Hz 的分辨率，必须采用高精度的 DAC，不容易达到比较高的精度。方案二中用单片机对 8253 可编程定时器进行控制，配合集成锁相环频率合成器 4046 可以 比较容易的提供 1Hz 分辨率。方案三采用精密相位累加器，具有相当好的频率分辨率，频 率的可控范围达 0.25Hz fc/2n=222/224=0.25Hz 5）方案一的 ICL8038

14、 可以产生比较准确的波形。方案二通过实时查询输出正弦波，虽然 我们对每一个波形只采用了 100 个点，但在要求较高的场合，可以通过对每个波形取更多 个点的方法来提高波形精度。具有很好的升级扩展性能。方案三中 E2PROM 中存储了1024 个波形点，可以提供非常精确的波形。在 200KHz 的时候，仍然能够对每个波形提供 8 个点 ，通过滤波器后，同样会具有良好的波形。 6）方案一和方案二的频率变换时间主要是它的反馈环处理时间和压控振荡器的响应时间 ，通常大于 1ms。而方案三的频率变换时间主要是数字处理延迟，通常为几十个 ns。 7）方案一由于采用 RC 振荡器，不可避免具有比较大的相位噪声

15、。方案二的相位噪声是它 的参考时钟石英晶体振荡器的噪声的两倍。而方案三由于数字正弦信号的相位与时 间成线形关系，整片电路输出的相位噪声比它的参考时钟源的相位噪声小。 从以上的方案比较可以看出，方案三结构比较复杂，但具有输出频率稳定性高、频率输 出线性度好、频率分辨率高、波形准确、频率变换时间小、相位噪声小、人机界面友好 ，易于控制等优点，性能优良。是本次设计的理想设计方案。而相对来说，方案一结构 很简单，制作容易，但是输出信号有频率线性度差、频率稳定度低、频率分辨率低、频 率变换时间比较长，相位噪声大以及人机界面不友好等缺点。方案二电路也比较简单， 但在频率分辨率、频率变换时间、相位噪声等方面

16、都比第三种方案差。总之，方案一和 方案二都具有各自的比较大的弱点，难以达到理想的设计要求。故不宜采用。 经过比较，我们决定采用方案三的电路设计进行制作。 四、电路设计与制作 系统总体结构如图 3 所示。下面就系统的各个功能模块的具体电路结构进行分析。 1、 相位累加器 这一部分电路是整个波形发生系统的核心，包括 IC F374+F283+LS164。它由一个加法器 F283、三个 8 位相位寄存器 F374（构成 24 位相位寄存器）和串行- 并行地址转换 LS164组 成。在相位累加器中，每来一个时钟脉冲，它的内容就更新一次。在每次更新时，相位 增量寄存器的相位增量 M 就加到相位累加器中的

17、相位累加值上。假设相位增量寄存器的 M 为 00.01，相位累加器的初值为 00.00。这时在每个时钟周期，相位累加器都要加上 00.01。本设计累加器位宽 n 是 24 位，相位累加器就需要 224 个时钟周期才能恢复初值。2、 三种波形（正弦波、三角波和用户自定义波形）发生 相位累加器的输出作为正弦查找表、三角波查找表和用户自定义波形查找表（均为 E2PR OM2817）的查找地址。查找表中的每个地址代表一个周期的波形的一个相位点，每个相 位点对应一个量化振幅值。因此，这个查找表相当于一个相位振幅变换器，它将相位 累加器的相位信息映射成数字振幅信息，这个数字振幅值就作为 D/A 变换器的输

18、入。 设计 n=24, M=1, 这个相应的输出信号频率等于时钟频率除以 224。如果 M=2，输出频率 就增加 1 倍。对于一个 n-bit 的相位累加器来说，就有 2n 个可能的相位点，相位增量寄存 器中控制字 M 就是在每个时钟周期被加到相位累加器上的值。假设时钟频率为 fc，那么输 出信号的频率就为： f0 = M*fc / 224 频率控制字计算：我们使用的是 222Hz 的晶振，有 24 位控制字，输入频率数值与输出频率 控制字的关系为 Kfo = 224/222*Kfi = 4Kfi 数字正弦波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。通过高速 DAC 产生数字正 弦数字波形

19、和三角数字波形，数字正弦波通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波 信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。 3、 低通滤波电路 本设计采用 NE5532 制作二阶滤波器，因题目要求 100Hz200KHz 的输出频率，故设计频率 截止上限在 300KHz，保证足够的通频带并滤除杂波影响。 4、方波整型电路 为获得良好的波形效果，我们采用视频运放 AD817 作为比较器 +74HC04 整型以获得良好的 方波上升沿，并提供一组 TTL 电平信号输出, 作为自己设计的附加功能，幅度为 05V 连续 可调。 5、数控衰减器 输出信号的幅度数控由 TLC7524 数控衰减器完成，幅度

20、数码由单片机通过总线寻址方式输 入，幅度为 8 位/100mV。当输出幅度为 5V 时，DAC 输入值为 400。 幅度数值通过键盘输入，同步显示在液晶上，再由单片机通过 P1 口输入 DAC0832，幅 度数据为 8 位/ 100mV。当输出幅度为 5V 时，DAC 输入数值应为 400。因为题目要求的最高 幅度为 5V，所以当设置幅度时，一旦按下键盘 5，液晶直接显示 5.0V。 6、微控制器系统 该部分电路我们采用了单片机 89C52，因为它价格便宜、容易购买而且自带 8K Flash Ra m，使用方便。键盘输入采用 4x4 位键盘，提供数字 09 共十个数字按键以及 6 个功能控制

21、键。液晶显示采用 HD44780 驱动，16 字 x1 行字符型液晶屏显示。系统各功能的切换以及参 数设置均在液晶屏上有详细的显示，各功能切换使用菜单式。系统显示直观，操作方便 ，人机界面非常友好。 7、用户设置信息存储 使用非易失 E2PROM24C01 保存用户的设置信息，具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编 辑的波形和设置。 8、加法器 由 AD817 构成的加法电路，实现同周期的三种波形线性相加输出，输出为三种波形的组合 波形。 9、电源电路 根据本设计的供电需要，电源由 3A 的整流桥堆和 3x7805 提供三路+5V 电压输出，7809和 7 909 构成 9V 双电源输出。均提供

22、电容滤波以消除纹波影响。 五、软件设计 （见下页图 4） 六、系统调试 我们的硬件分为电源板、低通滤波板、单片机最小系统板、液晶显示板、DDS 板和加法 器板共六个部分。制作时，我们采用各电路板依次制作，依次调试的方法。下面依次叙 述各电路板的制作过程。 电源板：根据题目的要求，波形发生器需要三路+5V 电压和9V 电压。使用 50W 环型 3 路 7805 提供稳定的+5V 电压输出，7809 和 7909 提供9V 电压。 DDS 板：这一部分电路包括 E2PROMF374、F283 和 LS164 构成的相位累加器和正弦查找 表 E2PROM、三角查找表 E2PROM 和用户自定义查找表

23、 E2PROM 以及对应的高速D/A。 制作后，接通电源，在 Hitich OSCILLCOPE V-1050F 100M 示波器上观察正弦波和三角波 的输出波形，可以观察到波形有比较大的毛刺，并有较大的高频分量。通过键盘输入波 形的各种频率数值测试，均可在示波器上观察到比较好的波形。 低通滤波板：由 AD817 组成一个二阶滤波器。从 DDS 板输入正弦波，用 V-1050F 100M 示波器观察输出波形，发现波形已经变的很平滑，毛刺和高频分量已经消失。达到了预 期效果。 单片机最小系统板：由 89C52，锁存器 74LS373，与非门 74LS00 构成，板上设置排线 跟其他电路板相连。把

24、程序写入 89C52，经过仿真测试，程序通过，各功能正常。 液晶显示板：由 HD44780 驱动电路和液晶屏构成。液晶屏采用字符型 16x1 字（每字8x5） 显示。经联结单片机最小系统板测试，显示功能正常。 加法器和数控衰减器板：这一部分电路由 AD817 加法器 、D/A TLC7524 、74LS245 总线缓 冲、74LS138 地址译码、74LS04 反相器以及 AD8032 运放构成。完成正弦波、方波、三角波 和用户自定义波形的幅度控制以及正弦波、方波和三角波的线性组合输出。经联机测试 ，幅度控制和波形组合输出正常。 2 调试方法和过程 采用分别调试各个单元模块,调通后再进行各单元

25、电路联机统调的方法, 提高调试效 率。 （1）软件部分调试 本机的软件主要功能是完成人机接口，因此编程的时候把界面的友好性放在首位， 采用主从菜单式的操作方法。由于对 51 系列单片机编程比较熟悉，在软件的仿真调试过 程中没有遇到太大的问题。各软件功能均正常实现。 （2）硬件部分调试 整个硬件调试过程基本顺利，由于采用了工艺精良的双面孔化 PCB 板，各单元电路工作稳 定，给调试工作带来很大的方便。 调试过程中出现的问题： 1） 在相位累加器调试过程中发现地址不正常现象。经查找资料，相位寄存器使用的是 F373，但由于 F373 是透明锁存器，直接导致地址出错。于是更换为 LS374，问题解决

26、。 2） 加法器调试时，示波器上发现方波信号出现过冲现象。查找资料发现 AD8032 是宽带 高速运放，尝试在反相输入端和输出端并上 5.7pf 的电容，问题解决。 3） 加法累加器调试时，发现正弦波毛刺比较大。用替换法检查，发现是因为地址寄存 器性能不稳，更换 74LS164 后，问题解决。 各单元调试通过以后，进行整机调试，调试结果显示，整个系统能够正常工作。 3 调试过程中使用的仪器设备 HITICH OSICLLCOPE V 1050F 100M 示波器 VICTOR VC9806 数字万用表 中策 DF1642 信号发生器 /频率计 南京伟福 G-6D 单片机仿真器 EMP-100

27、编程器 七、系统指标测试 1、 测试仪器设备 HITICH OSICLLCOPE V 1050F 100M 示波器 VICTOR VC9806 数字万用表 中策 DF1642 信号发生器 /频率计 2、 测试方法及结果 1）正弦波 100KHz 测试 用键盘设置幅度为 5V，通过示波器观察输出波形，计算得输出幅度值为 5V。 正弦波 1KHz 测试 用键盘设置幅度为 5V，通过示波器观察输出波形，计算得输出幅度值为 5V。 2）方波 1KHz 测试 用键盘设置幅度为 5V，通过示波器观察输出波形，计算得输出幅度值为 5V。 3）三角波 1KHz 测试 用键盘设置幅度为 5V，通过示波器观察输出

28、波形，计算得输出幅度值为 5V。 4）组合波形测试 用键盘设置功能为组合输出，设置三种波形幅度为正弦波 1V、方波 1V、三角波 1.5V，用 示波器观察输出波形，波形正常。 4） 存储功能设置 关闭电源，等待一段时间，然后再打开电源，原来的设置均恢复。证明具有存储功能。 5） 频率步进间隔 用键盘设置频率步进，间隔为 1Hz。 6） 输出电压测试 用键盘设置正弦波输出幅度值为 5V，用示波器观察输出波形，计算得输出电压为 5V。同 样设置三角波和方波输出幅度值为，计算得输出电压为 5V。 7） 显示功能 输出信号的类型、频率、幅度以及功能选择均可在液晶显示屏上显示出来。显示功能正 常。 8） 频率范围扩展 用键盘设置正弦波频率为 1Hz，在示波器上可观察到良好的波形。设置为 250KHz，同样可 观察到良好的波形。再用键盘依次改变波形为三角波和方波，同样可观察到输出频率范 围为 1Hz250KHz。 3、 误差分析 系统输出信号频率误差跟晶振在同一个数量级，约为 10-6。 系统输出信号幅度误差在 1HZ 和 20KHz 时正弦波有 5%的误差。原因：滤波器通带问题。波形在较低频率时有一定时针，原因：DDS 板转换噪声。 八、系统改进措施 滤波器改用中心频率可调的带通滤波器。 各单元电路集中在同一块 PCB 板上制作。http:/