畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任意波形信號(hào)發(fā)生器

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 任意波形信號(hào)發(fā)生器學(xué) 院 年級(jí)專業(yè) 03級(jí)電子信息工程 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 答辯日期 2007年6月24日 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書學(xué)院：信息學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：電子與通信工程系 學(xué)號(hào)學(xué)生姓名專 業(yè)班 級(jí)03電(3)課題題 目任意波形發(fā)生器的開(kāi)發(fā)來(lái) 源自擬主要內(nèi)容查閱大量有關(guān)智能儀器的資料，了解其原理，給出任意波形發(fā)生器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，硬件電路圖，軟件編程，調(diào)試?；疽蟛橘Y料，了解智能儀器原理，任意波形發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，給出自己的設(shè)計(jì)方案，畫出硬件圖，軟件編程設(shè)計(jì)，上機(jī)調(diào)試。參考資料1電子測(cè)量?jī)x器2智能儀器3mcs51單片機(jī)原理及應(yīng)用4 期刊雜志周 次14周58

2、周912周1316周1718周應(yīng)完成的內(nèi)容查資料，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，總體方案設(shè)計(jì)總體方案的設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)編程軟件設(shè)計(jì)編程調(diào)試軟件調(diào)試，寫論文，答辯指導(dǎo)教師：肖麗萍職稱：副教授系級(jí)教單位審批：摘 要任意波形發(fā)生器是信號(hào)源的一種，它是具有信號(hào)源所具有的特點(diǎn)，更因它高的性能優(yōu)勢(shì)而倍受人們青睞。信號(hào)源主要給被測(cè)電路提供所需要的己知信號(hào)(各種波形)，然后用其它儀表測(cè)量感興趣的參數(shù)。可見(jiàn)信號(hào)源在各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和試驗(yàn)測(cè)試處理中，它不是測(cè)量?jī)x器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵(lì)源，仿真各種測(cè)試信號(hào)，提供給被測(cè)電路，以滿足測(cè)量或各種實(shí)際需要。本論文的主要任務(wù)是基于dds技術(shù)，ad760為核心，89c5

3、2單片機(jī)作為控制器設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)良的任意波形發(fā)生器。論文中主要對(duì)微機(jī)控制的任意波形發(fā)生器的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，由cpu, dac，計(jì)數(shù)器，定時(shí)器模塊組成主要是用于對(duì)上層波形數(shù)據(jù)的接收，存儲(chǔ)，同時(shí)可以單獨(dú)使用，通過(guò)cpu向dac發(fā)送所需波形數(shù)據(jù)。軟件部分是開(kāi)發(fā)一個(gè)任意波形發(fā)生器的波形編輯軟件。通過(guò)該軟件用戶可以設(shè)置各種波形參數(shù)，進(jìn)而控制硬件模塊產(chǎn)生相應(yīng)的波形信號(hào)通過(guò)串口下載到硬件系統(tǒng)。該軟件集中體現(xiàn)了任意波形發(fā)生器的“任意”性，它具有強(qiáng)大的波形生產(chǎn)、編輯及處理功能。波形生產(chǎn)方式包括數(shù)學(xué)函數(shù)產(chǎn)生波形、手動(dòng)繪制波形;可以改變波形的幅度和相位。最后概括總結(jié)了全文，給出了結(jié)論，并說(shuō)明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中

4、待改進(jìn)的工作。關(guān)鍵詞 任意波形、dds、89c52abstractthe arbitrary waveform generator is one kind of the signal source, it has the characteristics that there are the signal sources, favored by people because of its high performance advantage. the signal source provides the known signals needed for circuit-under-test ma

5、inly (various kinds of wave forms), then measure the parameter that is interested in with other instrument. it is obvious the signal source is used and test testing while dealing with in various kinds of experiments, it is not a measuring instrument, but according to the request of user, as encourag

6、e source ,emulation various kinds of test signal, offer to the circuit-under-test, in order to meet measurement or various kinds of actual needs.the main task of this thesis is to develop the core of regarding digital simulation chip ad760 of ad company as because of dds technology , cygnal company

7、89c52 one-chip computer designs a of good performance arbitrary waveform generator as the controller .thesis design corresponding research to arbitrary waveform generator and hardware of generator that computer control mainly ,by cpu, dac, the counter，timer module is it is it receive to upper strata

8、 waveform datum toused for mainly to make up, store, can use alone at the same time, send thenecessary waveform data to dac through cpu. the part of the software is the software for editing of waveform whichdevelops a arbitrary waveform generator. can set up various kinds ofwave form parameter throu

9、gh this software user, control hardware moduleproduce corresponding waveform signal download through one uart tothe hardware system. software this embody a concentrated reflection ofarbitrary waveform arbitrary of generator, it with power wave formproduce, edit and punish the function. the mode of p

10、roduction of thewaveform including mathematics function produces the wave form, drawsthe waveform manually; can change the range of the waveform and phaseplace.keywords arbitrarily wave form、dds、89c52目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 概述11.2 國(guó)內(nèi)外波形發(fā)生器的發(fā)展?fàn)顩r21.2.1任意波形發(fā)生器的發(fā)展?fàn)顩r21.2.2研制任意波形發(fā)生器的目的及意義41.3 本文研究?jī)?nèi)容4第

11、2章 任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案與理論分析72.1 任意波形發(fā)生器原理72.1.1直接模擬法72.1.2直接數(shù)字法72.2 任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案102.2.1任意波形發(fā)生器的總體設(shè)計(jì)方案102.3 任意波形發(fā)生器的理論分析112.3.1理想dds的譜分布122.3.2 dds的相位噪聲132.4小結(jié)14第3章 任意波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)153.1 題目分析及方案論證153.1.1波形發(fā)生器153.1.2幅度控制方法163.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)173.2.1總體設(shè)計(jì)思路173.3小節(jié)17第4章 各模塊具體實(shí)現(xiàn)原理分析和說(shuō)明194.1波形表生成模塊194.2頻率控制模塊194.3數(shù)模轉(zhuǎn)換及幅度控制模塊20

12、4.4濾波處理模塊214.5波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)224.6小結(jié)22第5章 任意波形發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)235.1 波形編輯軟件總體設(shè)計(jì)235.2系統(tǒng)軟件流程圖235.2.1軟件功能及算法255.3 誤差分析255.3.1 相位誤差255.3.2 幅值量化誤差265.3.3由于d/a變換器的非理想特性引起的誤差265.3.4電源噪聲265.3.5運(yùn)放帶來(lái)的誤差265.4小結(jié)26結(jié) 論27參考文獻(xiàn)29附錄131附錄235附錄339附錄453致謝57第1章 緒論1.1 概述信號(hào)源有很多種，包括正弦波信號(hào)源、函數(shù)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、掃描發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、合成信號(hào)源等。一般來(lái)講任意波形發(fā)生器，是一種特殊的信號(hào)

13、源，綜合具有其它信號(hào)源生成能力，因而適合各種仿真實(shí)驗(yàn)的需要。主要有這樣的功能：(1)函數(shù)功能函數(shù)信號(hào)源是使用最廣的通用信號(hào)源，它能提供正弦波、鋸齒波、方波、脈沖波等波形，有的還同時(shí)具有調(diào)制和掃頻能力、眾所周知，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)一種電路，需要驗(yàn)證其性能、可靠性與穩(wěn)定性，就需要給它施加理想的波形以辨別真?zhèn)?。如可使用信?hào)源的dc補(bǔ)償功能對(duì)固態(tài)電路控制dc偏壓電平;可對(duì)一個(gè)懷疑有故障的數(shù)字電路，利用信號(hào)源的方波輸出作為數(shù)字電路的時(shí)鐘，同時(shí)使用方波加dc補(bǔ)償產(chǎn)生有效的邏輯電平模式輸出，觀察該電路的運(yùn)行狀況，而證實(shí)故障缺陷的地方，總之，利用任意波形發(fā)生器這方面的基礎(chǔ)功能，能仿真基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室所必須的信號(hào)。(2

14、)任意波形眾所周知，在實(shí)際的電子環(huán)境所設(shè)計(jì)的電路在運(yùn)行中，由于各種干擾和響應(yīng)的存在，實(shí)際電路往往存在各種信號(hào)缺陷和瞬變信號(hào)，例如圖1-1 尖峰脈沖 圖1-2 頻率突變過(guò)脈沖、尖峰、阻尼瞬變等(見(jiàn)圖1-1，圖1-2)，這些情況的發(fā)生，如在設(shè)計(jì)之初沒(méi)有考慮進(jìn)去，有的將會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。例如圖1-1中a處過(guò)劍峰脈沖，如果給一個(gè)抗過(guò)沖能力差的電路，將可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備“燒壞”。由于任意波形發(fā)生器特殊的功能，為了增強(qiáng)任意波形生成能力，它往往依賴計(jì)算機(jī)通訊輸出波形數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)傳輸中，通過(guò)波形編輯軟件生成波形，有利于擴(kuò)充儀器的能力，更進(jìn)一步仿真模擬實(shí)驗(yàn)。同時(shí)由于編輯一個(gè)任意波形有時(shí)需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間和精

15、力，并且每次編輯的波形可能有所差異，一般會(huì)在任意波形發(fā)生器內(nèi)配置一定數(shù)量的非易失性存儲(chǔ)器?？梢园阉枰牟ㄐ螐挠?jì)算機(jī)接口下載到任意波形發(fā)生器的存儲(chǔ)器中。綜上所述，不論是在生產(chǎn)還是在科研與教學(xué)上，任意波形發(fā)生器是電子工程師信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)的最佳工具。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，對(duì)相應(yīng)的測(cè)試儀器和測(cè)試手段也提出了更高的要求，而任意波形發(fā)生器己成為測(cè)試儀器中至關(guān)主要的一類，因此開(kāi)發(fā)任意波形發(fā)生器具有重大意義。1.2 國(guó)內(nèi)外波形發(fā)生器的發(fā)展?fàn)顩r1.2.1任意波形發(fā)生器的發(fā)展?fàn)顩r任意波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和用戶定義信號(hào)，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和易操作性的電子儀器。任意波形發(fā)生器具有連續(xù)的

16、相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號(hào)，還可對(duì)頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動(dòng)態(tài)、及時(shí)的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成白動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，因此被廣泛用于白動(dòng)控制系統(tǒng)、震動(dòng)激勵(lì)、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。在70年代前，信號(hào)發(fā)生器主要有兩類:正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標(biāo)準(zhǔn)波形，產(chǎn)生其它波形時(shí)，需要采用較復(fù)雜的電路和機(jī)電結(jié)合的方法。這個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且僅能產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡(jiǎn)單波形，輸出的波形具有良好的相位噪聲、較低的寄生分量以及較快的開(kāi)

17、關(guān)速度等，但是模擬電路的漂移較大，使輸出的波形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)波形則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同時(shí)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)突出問(wèn)題，一是通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因而很難將頻率調(diào)到某一固定值;二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。在70年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用為處理器、a/d/和d/a,硬件和軟件是波形發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。這時(shí)期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì)dac的程序控制，就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。例如，令微處理器的累加器a白身循環(huán)增量，每增量一次即向dac送出一個(gè)數(shù)，使dac有一個(gè)輸

18、出。因?yàn)楫?dāng)a的內(nèi)容達(dá)到最大值x55時(shí)，再增量一次，a的內(nèi)容就變?yōu)樽钚≈?零)，然后可以繼續(xù)增加。如此，周而復(fù)始，就可以從dac輸出端獲得一個(gè)正相的階梯波。用同樣的方法還可獲得方波、鋸齒波、三角波等波形。軟件控制波形的一個(gè)最大缺點(diǎn)就是輸出波形的頻率低，主要時(shí)由cpu的工作速度決定的，如果想提高頻率可以改進(jìn)軟件程序減少其執(zhí)行周期或提高cpu的時(shí)鐘周期，但這些辦法時(shí)有限度的，根本的辦法還是要改進(jìn)硬件電路。當(dāng)時(shí)的信號(hào)處理其時(shí)專用于心好處理的微處理器，時(shí)鐘頻率只有1-2mhz, a/d和d/a一般在8位左右，內(nèi)部存儲(chǔ)容量也很小。因此，能夠產(chǎn)生正弦波的有效頻寬不會(huì)超過(guò)1mhz，要獲得比較平滑的低失真度的波

19、形，重復(fù)頻率不會(huì)超過(guò)l0khz。用數(shù)字方法的函數(shù)發(fā)生器尚處于開(kāi)發(fā)階段，正式的商品還不多。到了1988年，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價(jià)格的函數(shù)發(fā)生器、但是hp公司推出了型號(hào)為hp770s的信號(hào)模擬裝置系統(tǒng)，它由hp8770a任意波形數(shù)字化和hp1776a波形發(fā)生軟件組成。hp8770a實(shí)際上也只能產(chǎn)生8中波形，而且價(jià)格昂貴。不久以后，analogic公司推出了型號(hào)為data-2020的多波形合成器，lecroy公司生產(chǎn)的型號(hào)為9100的任意波形發(fā)生器等?，F(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理等技術(shù)的發(fā)展，極大的促進(jìn)了數(shù)字化技術(shù)在電子測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用，使原有的模擬信號(hào)處理逐步被數(shù)字信號(hào)處理所代替，從而擴(kuò)充了儀器信號(hào)

20、的處理能力，提高了信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確度、精度和變換速度，克服了模擬信號(hào)處理的諸多缺點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器隨之逐漸發(fā)展起來(lái)。目前任意波形發(fā)生器的基礎(chǔ)就是直接數(shù)字合成技術(shù)，用存儲(chǔ)器做查詢表通過(guò)數(shù)字形式存入的波形，由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生所需要的任意波形。近幾年來(lái)，國(guó)際上任意波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)過(guò)去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得任意波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來(lái)越廣的領(lǐng)域。任意波形發(fā)生器軟件的開(kāi)發(fā)正使任意波形的輸入變得更加方便和容易。任意波形發(fā)生器通常允許用一系列的點(diǎn)、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。同時(shí)可以利用一種非常強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以

21、由幾個(gè)比較簡(jiǎn)單的公式復(fù)合成v=f (t)形式的波形方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式產(chǎn)生。各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的飛速發(fā)展也推動(dòng)了任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)的發(fā)展。目前可以利用可視化編程語(yǔ)言(如visual basic ,visual c等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許徒手從計(jì)算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的輸入。(2)與vxi資源結(jié)合。目前，任意波形發(fā)生器由獨(dú)立的臺(tái)式儀器和適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的插卜以及新近開(kāi)發(fā)的vxi模塊。由于vxi總線的逐漸成熟和對(duì)測(cè)量?jī)x器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用vxi系統(tǒng)測(cè)量和產(chǎn)生復(fù)雜的波形，vxi的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開(kāi)發(fā)vxi模塊的周期長(zhǎng)，而且需要專門的vxi機(jī)箱的

22、配套使用，使得任意波形發(fā)生器vxi模塊僅限于航空、軍事及國(guó)防等大型領(lǐng)域。在民用方面，vxi模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺(tái)式儀器更為方便。(3)隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺(tái)式儀器在走了一段下坡路之后，又在繁榮起來(lái)。不過(guò)現(xiàn)在的新的臺(tái)式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺(tái)式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價(jià)格，都比過(guò)去的類似產(chǎn)品減少了一半1.2.2研制任意波形發(fā)生器的目的及意義 任意波形發(fā)生器是信號(hào)源的一種，它是具有信號(hào)源所具有的特點(diǎn)，更因它高的性能優(yōu)勢(shì)而倍受人們青睞。信號(hào)源主要給被測(cè)電路提供所需要的己知信號(hào)(各種波形)，然后用其它儀表測(cè)量感興趣的參數(shù)?？梢?jiàn)信號(hào)源在各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和試驗(yàn)測(cè)試

23、處理中，它不是測(cè)量?jī)x器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵(lì)源，仿真各種測(cè)試信號(hào)，提供給被測(cè)電路，以滿足測(cè)量或各種實(shí)際需要。目前我國(guó)己經(jīng)開(kāi)始研制任意波形發(fā)生器，并取得了可喜的成果。但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)任意波形發(fā)生器還沒(méi)有形成真正的產(chǎn)業(yè)。就目前國(guó)內(nèi)的成熟產(chǎn)品來(lái)看，多為一些pc儀器插卜，獨(dú)立的儀器和vxi系統(tǒng)的模塊很少，并且我國(guó)目前在任意波形發(fā)生器的種類和性能都與國(guó)外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對(duì)這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。1.3 本文研究?jī)?nèi)容對(duì)任意波形發(fā)生器的研制在國(guó)外己有報(bào)道，而國(guó)內(nèi)在這方面報(bào)道較少，本論文的任務(wù)是根據(jù)任意波形發(fā)生器的特點(diǎn)和應(yīng)用情況，結(jié)合新一代高性能芯片設(shè)計(jì)一種使用簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良的任

24、意波形發(fā)生器，該任意波形發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、方波，三角波等常用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，還能根據(jù)用戶的需要生成任意波形，整個(gè)系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，論文主要研究在任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)時(shí)如何合理地確定設(shè)計(jì)方案，在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問(wèn)題以及如何進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，還有單片機(jī)軟件和生成任意波形編輯軟件的編寫等等問(wèn)題。第2章 任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案與理論分析2.1 任意波形發(fā)生器原理目前信號(hào)發(fā)生的主要實(shí)現(xiàn)方法由直接模擬法、直接數(shù)字法兩種。2.1.1直接模擬法圖2-1 直接模擬法框圖這是傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器的簡(jiǎn)化基本結(jié)構(gòu)，一般都是由白由振蕩器產(chǎn)生原始波形，然后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路將原始波形轉(zhuǎn)換成其他波形，在上圖中三角波是由振蕩器產(chǎn)生

25、的，方波是三角波通過(guò)比較器轉(zhuǎn)變而成的，正弦波是三角波通過(guò)一個(gè)波形整形電路(正弦波整形器)演變而來(lái)的，所需要波形經(jīng)過(guò)放大和衰減輸出，顯然這種方式產(chǎn)生的波形種類有限，每增加一種波形，都要增加相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路，整個(gè)電路變得很復(fù)雜，最重要的是要產(chǎn)生用戶所需要的任意波形復(fù)雜的波形幾乎不可能。2.1.2直接數(shù)字法直接數(shù)字法是采用直接數(shù)字合成(direct digital synthesis)的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生。該技術(shù)具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、易于控制的突出特點(diǎn)。直接數(shù)字合成技術(shù)近年來(lái)發(fā)展得很快，而要產(chǎn)生任意波形就必須采用直接數(shù)字很成技術(shù)。隨著dds技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的直接數(shù)字合成的結(jié)構(gòu)，但基

26、本上可以發(fā)成兩種:(1)基于地址計(jì)數(shù)器的數(shù)字頻率和成法(2)基于相位累加器的數(shù)字頻率和成法2.1.2.1基于地址計(jì)數(shù)器的直接數(shù)字和成法(1)結(jié)構(gòu)框圖 地址記數(shù)器波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)/模轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘地址波形數(shù)據(jù)輸出波形 圖2-2 基于地址計(jì)數(shù)器的直接數(shù)學(xué)合成結(jié)構(gòu)框圖這是一種最簡(jiǎn)單的直接數(shù)字很成方式，這種直接數(shù)字頻率合成器的結(jié)構(gòu)包括地址計(jì)數(shù)器，存儲(chǔ)器和d/a轉(zhuǎn)換器。(2)工作原理將波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，而后用可程控的時(shí)鐘信號(hào)為存儲(chǔ)器提供掃描地址，與每個(gè)地址相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)則代表波形在等間隔取樣點(diǎn)上的幅度值。數(shù)據(jù)被送至dac，從而產(chǎn)生一個(gè)正比于其數(shù)字編碼的電壓值，每個(gè)電壓值保持一個(gè)時(shí)鐘周期，直至新的數(shù)據(jù)送至

27、dac，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到所需要的模擬電壓波形。在存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的波形是對(duì)“取樣波形”的階梯近似。假定地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為fc，波形一周期內(nèi)有n個(gè)采樣值，那么很成的波形頻率為如果改變地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率或rom的地址步進(jìn)大小，合成波形的頻率都會(huì)隨著改變。而要改變波形，只要在只讀存儲(chǔ)器中寫入不同的數(shù)據(jù)。2.1.2.2.基于相位累加器的直接數(shù)字合成法(1)結(jié)構(gòu)框圖圖2-3 基于相位累加器直接數(shù)字合成結(jié)構(gòu)框圖這種結(jié)構(gòu)中主要由相位累加器、數(shù)據(jù)rom, d/a變換器組成，它是種全新的直接數(shù)字合成方式。(目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)種提到的dds一般是指這種方式，下面不作說(shuō)明均指這種方式)。(2)工作原理將要產(chǎn)生的

28、波形數(shù)據(jù)存入波形存儲(chǔ)器，然后在參考時(shí)鐘的作用下，對(duì)輸入的頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，并且將累加器的輸出一部分作為讀取波形發(fā)生器的地址，將讀出的波形數(shù)據(jù)經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，d/a轉(zhuǎn)換器輸出的一系列的階梯電壓信號(hào)經(jīng)低通濾波后便輸出了光滑的很成波形信號(hào)。以合成正弦波為例，通常我們考慮一個(gè)正弦波時(shí)習(xí)慣使用正弦波的幅度一時(shí)間表達(dá)式。s (t) =asin(ax+)，正弦函數(shù)幅度的非線性使依據(jù)幅度產(chǎn)生任意頻率的正弦波非常困難，但我們注意到，正弦波的相位是線性變化的，dds技術(shù)的關(guān)鍵就在于充分利用了正弦波相位線性變化這一特性，在dds芯片種，其核心部件是相位累加和sin函數(shù)表，下面作簡(jiǎn)單介紹：相位累加器在功

29、能上說(shuō)實(shí)質(zhì)是一個(gè)n位快速可循環(huán)累加器，n位的相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘來(lái)臨時(shí)與頻率控制所決定的相位增量a累加一次，計(jì)數(shù)大于時(shí)則白動(dòng)溢出，保留后面n比特的數(shù)字于累加器中。每當(dāng)相位累加器計(jì)數(shù)滿后，可白動(dòng)循環(huán)重新累加，所以輸出相位可以保持連續(xù)變化，這就保證了輸出正弦波的連續(xù)性。相位累加器的輸出是隨時(shí)間不斷線性變化的用n位二進(jìn)制數(shù)表達(dá)的相位信息，相位信息是無(wú)法直接利用的，必須設(shè)法把相位信息轉(zhuǎn)換成幅度信息，在dds技術(shù)中，人們把對(duì)應(yīng)于不同相位的sine函數(shù)的幅度存儲(chǔ)在rom中，一般地，只要取相位累加器的高a位作為尋址信號(hào)，就完全可以滿足精度的需要了。2.2 任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案2.2.1任意波形發(fā)生器的

30、總體設(shè)計(jì)方案(1)設(shè)計(jì)思路任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形總體上可以分成兩類:正弦波和任意波(非正弦波)。對(duì)正弦波可以逐個(gè)讀出波形的每一個(gè)數(shù)據(jù)也可以間斷地讀出波形，這時(shí)波形的失真就會(huì)加大，但都可以通過(guò)濾波來(lái)改善失真。對(duì)任意(非正弦波)由于波形變化不規(guī)則，其中有豐富的諧波，因而這時(shí)不能簡(jiǎn)單的用濾波的方法來(lái)改善波形失真(因?yàn)V波有可能把信號(hào)的有用部分給削減了)。所以當(dāng)要合成產(chǎn)生任意波形時(shí)，應(yīng)采取逐點(diǎn)讀出波形的每一個(gè)數(shù)據(jù)，要改變輸出頻率fc，可通過(guò)改變參考時(shí)鐘頻率fc或通過(guò)改變波形存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的波形周期的數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于商dds芯片中rom表中的數(shù)據(jù)己固化，只能輸出正弦波。所以采用商用的dds芯片顯然很難直接

31、實(shí)現(xiàn)任意波形的生成。(2)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖根據(jù)以上分析，基于使用和性能的綜合考慮，設(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)時(shí)采用直接數(shù)字合成結(jié)構(gòu)的方式，采用相位相加累加器的方式，逐點(diǎn)讀出波形存儲(chǔ)器中波形的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)d/a轉(zhuǎn)換和低通濾波器后輸出所需要的任意波形，通過(guò)改變參考時(shí)鐘的頻率和計(jì)數(shù)的步長(zhǎng)就可以實(shí)現(xiàn)波形頻率的改變。pc機(jī)單片cpu0-10vvout串行接口18位dac 圖2-4系統(tǒng)整體框圖2.3 任意波形發(fā)生器的理論分析dds的數(shù)學(xué)模型可歸結(jié)為:在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，頻率控制碼k與n比特相位累加器累加一次，并同時(shí)對(duì), n取模運(yùn)算，得到的相位值以二進(jìn)制代碼的形式對(duì)ram進(jìn)行尋址，輸出與該相位值相對(duì)應(yīng)的數(shù)字化

32、幅度值，再經(jīng)dac數(shù)模轉(zhuǎn)換完成離散信號(hào)到連續(xù)信號(hào)的轉(zhuǎn)變，最后經(jīng)低通濾波器濾波即可得到信號(hào)輸出。由dds的數(shù)學(xué)模型可知，dds的輸出頻率滿足 (2-1)當(dāng)k=1時(shí)，dds有最小頻率輸出，則dds的最小頻率分辨率 (2-2)在實(shí)際的dds電路中，為了達(dá)到足夠小的頻率分辨率，通常將相位累加器的位數(shù)n取得較大，如n=32.但受體積和成本的限制，即使采用先進(jìn)的存儲(chǔ)方法，ram的容量都遠(yuǎn)小于此，因此在對(duì)ram尋址時(shí)，只是用相位累加器的高w位取尋址，這樣不可避免地引起誤差，即相位舍位誤差。其次，一個(gè)幅值在理論上只能用一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的二進(jìn)制代碼才能精確表示，處于ram的存儲(chǔ)能力，只采用了s比特代碼來(lái)表示這一幅值，

33、這必然會(huì)引起幅度量化誤差。另外，dac的有限分辨率以及非線性也會(huì)引起誤差。由此可見(jiàn)，dds存在引起誤差的多種原因，不可避免地會(huì)導(dǎo)致許多雜散分量的出現(xiàn)。事實(shí)上，雜散多且幅度較高一直是限制dds應(yīng)用的主要因素。為獲取一個(gè)低雜散的信號(hào)輸出，對(duì)dds的頻譜分析就顯得尤為重要。2.3.1理想dds的譜分布所謂理想dds是指不存在相位誤差，幅度量化誤差以及dac誤差。此時(shí)，整個(gè)dds相當(dāng)于一個(gè)理想采一保電路。nco相當(dāng)于一個(gè)理想采樣器，dac則相當(dāng)于一個(gè)理想保持電路，其系統(tǒng)沖激響應(yīng)為 (2-3)采 樣器保持電路低通濾波s（n）s（t）圖2-5理想dds等效電路 (2-4)信號(hào)處理理論有，時(shí)域的周期性與離散

34、性和頻域的離散性與周期性存在著對(duì)偶的關(guān)系。出s (n)的離散性，知s (n)的頻譜以1/t為周期;另外可知s (n)是周期系列，其周期為/(，k)。其中(x, y)表示兩整數(shù)x與y的最大公約數(shù)。出信號(hào)處理理論可知，一個(gè)離散周期系列的頻譜可以這樣求得:即對(duì)它的一個(gè)離散周期作fft變換，所得出的頻譜再進(jìn)行周期拓展，從而得到這個(gè)系列的頻譜。從而s (n)的頻譜是一些離散譜線，一個(gè)周期內(nèi)共有 / (，k)根譜線?？紤]到lpf的截至頻率是fc/2，且實(shí)系列的頻譜關(guān)于f=0對(duì)稱，故再(o,fc/2)內(nèi)，s(n)的頻譜是t= / (，k)離散譜線，而再在這些譜線中，幅度不為零的只有f= fck/2n,故理想

35、dds情況下，s (n)在(0, fc/2)內(nèi)沒(méi)有雜散。由(3)式可得h(t)的頻譜h(f) (2-5)其中sa(x)=sin(x)/x的是取樣函數(shù)時(shí)域卷積對(duì)應(yīng)頻域相乘，可見(jiàn)，理想dac只是改變s (n)輸出頻譜的幅度和相位，并不增加新的頻率點(diǎn)。從而要考察dds輸出頻譜分布，只需考慮s (n)己夠。綜上，理想dds情況下，輸出s (t)在0, fc/2內(nèi)沒(méi)有雜散。當(dāng)然，根據(jù)信號(hào)理論里的無(wú)失真采樣定理，對(duì)波形的采樣必須達(dá)到奈奎斯特采樣速率才能最后無(wú)失真的恢復(fù)出原波形，在dds合成正弦波過(guò)程中，采樣的速率是fc，這樣，合成頻率的值理論上應(yīng)有f小于等于fc/2,實(shí)際上，輸出頻率一般為采樣頻率的30%

36、 -40%。2.3.2 dds的相位噪聲相位噪聲的基本概念。通常使用的相位使用的相位噪聲這個(gè)術(shù)語(yǔ)，實(shí)際上是正弦頻率的短期穩(wěn)定性。出于相位噪聲的存在，引起載波頻譜的擴(kuò)展，其范圍可以從偏離載波小于1hz一直延伸到幾兆赫茲。頻率穩(wěn)定性是振蕩波在整個(gè)規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)產(chǎn)生相同頻率的一種量度。如果信號(hào)頻率存在瞬時(shí)的變化，不能保持其不變，那么信號(hào)源就存在著不穩(wěn)定性。它的起因就是相位噪聲。dds的相位噪聲主要決定于參考時(shí)鐘源的噪聲。可以認(rèn)為dds是一個(gè)分頻比為/k的分頻器，設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘的相位噪聲為lc (fm)，則輸出信號(hào)的相位噪聲理論可達(dá) (2-6)通常，時(shí)鐘的相位噪聲指標(biāo)較高，按理dds的輸出相噪聲會(huì)更好，

37、不過(guò)，實(shí)際的輸出信號(hào)相噪遠(yuǎn)達(dá)不到這一指標(biāo)，因?yàn)閐ds的噪聲還取決于其外圍電路的噪聲。2.4小結(jié)本章講述了任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案，闡述的兩種波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理，直接模擬和直接數(shù)學(xué)方法，在下一章里，將介紹任意波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)方案。第3章 任意波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)3.1 題目分析及方案論證3.1.1波形發(fā)生器方案一：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成ds技術(shù)。這種方法能實(shí)現(xiàn)快速頻率變換，具有低相位噪聲以及各種方法中最高工作頻率。但由于才用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本高，而且容易產(chǎn)生過(guò)多的雜散分量難以達(dá)到較高的頻譜純度。更重要的是這種方法實(shí)現(xiàn)正弦波，或者進(jìn)

38、而由積分、微分等方法實(shí)現(xiàn)方波、三角波等標(biāo)準(zhǔn)波形，但確無(wú)法實(shí)現(xiàn)題目所要求的任意波形。方案二：采用鎖相環(huán)式頻率合成器。利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器vco的輸出頻率鎖定在所需頻率上。這種頻率合成器具有很好的窄帶跟蹤特性，可以很好地選擇所需頻率信號(hào)，抑制雜散分量，并且省去了大量的濾波器，有利于集成化和小型化。但由于鎖相環(huán)本身是一個(gè)惰性環(huán)節(jié)，鎖定時(shí)間較長(zhǎng)，故頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。而且，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)，如幅度、頻率和相位都很難控制。除此之外，同方案1類似，此方案也無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意波形的輸出。方案三：采用直接數(shù)字式頻率合成器(direct digital fre-quencysynthesis，簡(jiǎn)稱dds

39、或ddfs )。用隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器ram存儲(chǔ)所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求以頻率控制字k為步進(jìn)對(duì)相位增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換和幅度控制，再濾波即可得所需波形(如圖3-1)。參考頻率源d/a轉(zhuǎn)換器相位累加器波形存儲(chǔ)器頻率控制字k圖3-1 直接數(shù)字合成流程由于dds具有相對(duì)帶寬很寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短(可小于20ns)、頻率分辨率可以做得很高(典型值為0. 001 hz)等優(yōu)點(diǎn)，另外，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控，而且理論上能夠?qū)崿F(xiàn)任意波形，可以完全滿足本題目的要求。于是我們采用了此種方案。3.1.2幅度控

40、制方法方案一：采用雙數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，由單片機(jī)控制對(duì)dacos32置數(shù)，改變其輸出電流，經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換后通過(guò)電阻以電流源的形式作為高速乘法型d/a轉(zhuǎn)換器dac08的基準(zhǔn)電流，由此即可由單片機(jī)控制輸出波形的幅度。但此種方法不能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)步進(jìn)0. 1 v的要求，且當(dāng)基準(zhǔn)電平為零時(shí)，其輸出不一定為零。方案二：采用數(shù)控電位器組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，但由于數(shù)控電位器的分擋數(shù)不能滿足題目的要求，而組合接法又比較復(fù)雜，故未采用此種方案。方案三：幅度控制器由dac0832控制，利用其內(nèi)部的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，將其作為數(shù)控電位器使用。將dacos的輸出波形作為dac0832的電壓基準(zhǔn)源的輸入，其輸出波形幅度將為v=(n/25

41、6)v in,其中n為單片機(jī)輸人的幅度控制字。我們采用了此種方法。通過(guò)一簡(jiǎn)單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)調(diào)整運(yùn)放輸出為峰峰值0-5v，再送人dac0832由單片機(jī)控制其幅度，從而實(shí)現(xiàn)峰峰值0. 1 v步進(jìn)調(diào)整。為了消除波形表生成時(shí)所帶來(lái)的毛刺及生成正弦波時(shí)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的高頻分量，我們?cè)谙到y(tǒng)的后級(jí)設(shè)計(jì)了濾波器來(lái)提高產(chǎn)生的波形質(zhì)量。方案一：采用二階切比雪夫低通濾波器。切比雪夫?yàn)V波器的幅度響應(yīng)在通帶內(nèi)是在兩個(gè)值之間波動(dòng)，在通帶內(nèi)的波動(dòng)次數(shù)取決于濾波器的階數(shù)。理想的切比雪夫?yàn)V波器在靠近截止頻率的部分有比巴特沃思濾波器更接近矩形的頻率響應(yīng)。這一點(diǎn)是以通帶內(nèi)允許波動(dòng)為代價(jià)而得到的。方案二：采用二階巴特沃思低通濾波

42、器。巴特沃思濾波器的幅度函數(shù)是單調(diào)下降的，由于n階低通巴特沃思濾波器的前(2n1)導(dǎo)數(shù)在=0處為零，所以巴特沃思濾波器也稱為最大平坦幅度濾波器。由于本題目中我們要濾除的頻率分量主要為d/a產(chǎn)生的高頻分量(1m和10m)，與我們所要保留的頻率( 20khz)相差很遠(yuǎn)，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)，濾波器在通帶內(nèi)的平坦程度對(duì)我們而言，比其衰減陡度更為重要，而且，巴特沃思濾波器的元件值也較合乎實(shí)際情況，不像絕大多數(shù)其他類型濾波器對(duì)元件值要求那么苛刻。在截止頻率附近，頻率響應(yīng)鈍化可能使這些濾波器在要求截止的地方不合要求。基于上述考慮，我們決定采用第二種方案。3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1總體設(shè)計(jì)思路根據(jù)題目的要求，我們經(jīng)

43、過(guò)仔細(xì)分析，充分考慮各種因素，制定出了整體的設(shè)計(jì)方案：以單片機(jī)89c52為核心，完成四方面的功能:處理鍵盤數(shù)據(jù)，生成波形表存儲(chǔ)于雙口ram中;控制液晶顯示;控制dac0832進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換;傳送頻率控制字k值給fpga處理。雙口ram的使用減少了單片機(jī)和fpga之間的通信，從而節(jié)省了單片機(jī)的資源，也使系統(tǒng)更為可靠。fpga主要用于實(shí)現(xiàn)dds技術(shù)中累加器的功能：一方面，在很大程度上提高了系統(tǒng)的速度；另一方面，我們將單片機(jī)的外圍芯片74ls377、74ls373、 74ls138、74ls02都集中在fpga內(nèi)，既充分利用了fpga的資源，又減少了單片機(jī)與外部設(shè)備的接口，提高了系統(tǒng)的可靠性。雙口ra

44、m中傳輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)dac08完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，由dac0832內(nèi)部的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)幅度控制，繼而經(jīng)過(guò)二階巴特沃思低通濾波器進(jìn)行濾波，再經(jīng)運(yùn)放和三極管進(jìn)行擴(kuò)流，從而可以得到所需的任意一種具有一定帶載能力的波形(系統(tǒng)框圖參見(jiàn)圖3-2)。prom雙口ram單片機(jī)89c52顯示鍵盤fpgad/a轉(zhuǎn)換幅度控制低通濾波擴(kuò)流輸出圖3-2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案3.3小節(jié)本章講述了波形發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)原理以及幅度和頻率控制的選擇方案，具體說(shuō)明了每個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，得出所選擇的方案，最后給出了總的硬件設(shè)計(jì)流程圖。第4章 各模塊具體實(shí)現(xiàn)原理分析和說(shuō)明4.1波形表生成模塊(1)根據(jù)題目的基本要求：a可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種

45、周期性波形：b鍵盤輸人編輯生成上述三種波形的線性組合波形，以及由基波及其5次以下諧波線性組合的波形。 我們?cè)O(shè)計(jì)了下述實(shí)現(xiàn)方案：將歸一化的正弦波、方波三角波的5次諧波以下的波形存儲(chǔ)在prom中，每種波形存儲(chǔ)128個(gè)點(diǎn)。然后由單片機(jī)根據(jù)鍵盤輸人的不同要求，令各點(diǎn)數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)的系數(shù)并疊加，再將所得到的新的128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)送雙口ram，此時(shí)我們便得到了所需要的波形數(shù)據(jù)表。(2)根據(jù)題目的擴(kuò)展要求:用鍵盤或其他輸人裝置產(chǎn)生任意波形。我們的實(shí)現(xiàn)方案為:使用鍵盤輸人所需波形的一個(gè)周期內(nèi)16個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)值，單片機(jī)采集數(shù)據(jù)后，進(jìn)行線性插值，得到128個(gè)點(diǎn)的數(shù)值.送雙口ram，產(chǎn)生所需波形數(shù)據(jù)表。4.2頻率控制

46、模塊這一模塊是由單片機(jī)控制fpga實(shí)現(xiàn)的。fpga完成相位累加器(結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4-1)的功能，而頻率控制字k是由單片機(jī)給出的。n位加法器n位相位寄存器圖4-1 累加器結(jié)構(gòu)圖之所以使用fpga而不用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)累加器功能，是由于考慮到用單片機(jī)上限頻率無(wú)法滿足擴(kuò)展部分200khz的要求。另外，使用fpga借助硬件實(shí)現(xiàn)，還節(jié)省了單片機(jī)的資源，使其有足夠的空間完成數(shù)據(jù)處理以及其它控制功能。我們采用了altera公司的epf10k10lc84 -4，這是altera公司10000門系列產(chǎn)品，有較高的速度和較大規(guī)模的邏輯陣列，完全滿足我們的要求。相位累加器(見(jiàn)圖3)是實(shí)現(xiàn)dds的核心，它由一個(gè)n位字長(zhǎng)的二進(jìn)制

47、加法器和一個(gè)固定時(shí)鐘脈沖取樣的n位相位寄存器組成。在每個(gè)時(shí)鐘脈沖到達(dá)時(shí)，相位寄存器采樣上個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)相位寄存器的值與頻率控制字k之和，并作為相位累加器在這一時(shí)鐘周期的輸出。當(dāng)相位累加器積滿量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，從而完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)動(dòng)作周期即是dds合成信號(hào)的一個(gè)頻率周期。于是，輸出信號(hào)波形的頻率表示為： (4-1)由該式可知，輸出信號(hào)頻率主要取決于頻率控制字k，當(dāng)k增大時(shí)，以不斷地提高，由抽樣定理，最高輸出頻率不得大于fc/2，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際工作頻率小于fc/3時(shí)較為合適。根據(jù)題目基本和擴(kuò)展要求:頻率范圍擴(kuò)展至100hz200khz，頻率步進(jìn)間隔100hz。我們?nèi)c = 10

48、mhz(fc的取值受到d/a轉(zhuǎn)換速率的限制，并非越高越好，因?yàn)閿?shù)模轉(zhuǎn)換部分采用的是dac08,其轉(zhuǎn)換速度為85ns，約為11. 7mhz,綜合考慮，我們選取晶振基準(zhǔn)頻率為10mhz ) , n=24位，這樣，理論上在200khz時(shí)，我們的設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的波形在一個(gè)周期內(nèi)仍然有50個(gè)點(diǎn)，經(jīng)后級(jí)處理，效果仍然會(huì)不錯(cuò)。而且頻率分辨率 (4-2)可以實(shí)現(xiàn)1 hz的步進(jìn)。4.3數(shù)模轉(zhuǎn)換及幅度控制模塊(1)數(shù)模轉(zhuǎn)換采用轉(zhuǎn)換速度為85ns、帶寬10mhz的8位單調(diào)高速乘法器a/d dac08。dag08具有快速的穩(wěn)定時(shí)間，可完全滿足波形發(fā)生器的要求。輸出級(jí)接一個(gè)運(yùn)放作為電壓電流轉(zhuǎn)換器，可得到5. 0004. 9

49、60v雙極性電壓輸出。(2)幅度控制使用帶寬1mhz的dac0832實(shí)現(xiàn)。利用dac0832內(nèi)的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，將經(jīng)dac08產(chǎn)生的波形作為dac0832的電壓基準(zhǔn)源，由單片機(jī)控制輸人的數(shù)字量從而實(shí)現(xiàn)幅度(峰峰值)0. 1 v步進(jìn)的調(diào)整。其接法如圖4-2所示。輸入dac-08lm353輸出lm353dac0832單片機(jī)控制電壓基準(zhǔn)源圖4-2 幅度控制接法4.4濾波處理模塊對(duì)于階正弦波進(jìn)行傅里葉分析，可以證明若一周期采樣點(diǎn)數(shù)為n，則其高次諧波能量主要集中在輸出頻率的n土1倍頻上，其幅值為基頻的1/ (n士1)。進(jìn)行低通濾波，可以平滑其臺(tái)階。另外，我們還需要濾除由dac0832和dac08產(chǎn)生的1m

50、h和10mhz的高頻分量。由于頻率覆蓋范圍較大(1hz200khz )，且需產(chǎn)生多種波形，為了使整個(gè)頻率范圍內(nèi)都可以有較理想的濾波效果，我們采用了分段低通濾波的方式，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)將其分為三種清況：中心頻率為25khz的巴特沃思低通濾波器；中心頻率為250kh：的巴特沃思低通濾波器;全通濾波器。其中，頻率位于20kh：以下的正弦波采用中心頻率為25khz的巴特沃思低通濾波器，頻率位于200khz以下的正弦波采用中心頻率為250khz的巴特沃思低通濾波器，三角波及方波直接輸出，由此我們可以得到較好的波形輸出(見(jiàn)圖4-3)。二階巴特沃思低通濾波器25khz二階巴特沃思低通濾波器250khz全通網(wǎng)

51、絡(luò)d/a輸出晶體管擴(kuò)流輸出圖4-3 波形輸出4.5波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用prom來(lái)存儲(chǔ)我們所產(chǎn)生的波形表使我們能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)基本要求里的波形存儲(chǔ)和發(fā)揮部分的掉電存儲(chǔ)功能，而無(wú)須外加其他設(shè)備。我們采用8k的prom 2864，可完全滿足題目中對(duì)波形存儲(chǔ)的各種要求。4.6小結(jié)本章講述了波形表生成、頻率控制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、幅度控制、以及濾波的模塊，說(shuō)明了各個(gè)模塊的作用與實(shí)現(xiàn)原理。第5章 任意波形發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)5.1 波形編輯軟件總體設(shè)計(jì)前面提到過(guò)，在傳統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)中，一旦系統(tǒng)的硬件電路確定下來(lái)，其功能也就隨之固定，這時(shí)很難再進(jìn)行更改，而且這時(shí)候系統(tǒng)的功能也往往比較單一。這樣傳統(tǒng)意義上的儀器系統(tǒng)很難滿足用戶靈活多

52、變的要求。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，用戶能夠根據(jù)白己需要定義儀器功能，再不像傳統(tǒng)儀器那樣受到廠商的限制，這樣極大的方便了使用者。同時(shí)由于這一技術(shù)主要基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)龐大的軟件、硬件資源，因此它具有許多傳統(tǒng)儀器所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，而且很多以前由硬件實(shí)現(xiàn)的功能也可以借助軟件來(lái)完成，這樣不僅僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能，節(jié)省了資源、降低了價(jià)格，同時(shí)也具有易學(xué)、易用、易維護(hù)的特點(diǎn)。本課題種，為了進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，通過(guò)rs-232串口將系統(tǒng)硬件電路與pc機(jī)結(jié)合起來(lái)，使用pc軟件來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行。不僅可以合成標(biāo)準(zhǔn)的方波、三角波、鋸齒波、正弦波等函數(shù)波形，而且用鼠標(biāo)繪制一個(gè)任意波形，系統(tǒng)首先對(duì)改波形進(jìn)行采樣量

53、化等處理，然后將采樣數(shù)據(jù)下載到硬件部分的波形存儲(chǔ)器中。任意波形發(fā)生器采用單片機(jī)進(jìn)行控制，既可以通過(guò)面板操作，也可以通過(guò)上位機(jī)(pc機(jī))的軟件控制。上位機(jī)軟件的主要功能為：1.可輸出各種規(guī)則波形，包括方波、三角波、鋸齒波和正弦波。2.可以輸出任意波形。3.頻率范圍可以調(diào)節(jié)。4.輸出電壓可以調(diào)節(jié)。5.2系統(tǒng)軟件流程圖 開(kāi)始初始化顯示及預(yù)置初值等待按鍵、按鍵識(shí)別波形選擇頻率控制幅度控制波形編輯頻譜失真度組合波1、2、3自定義1、2、3正弦波方波三角波組合波自定義波數(shù)字鍵輸入確認(rèn)輸入選擇功能執(zhí)行是否圖5-1 軟件流程圖 5.2.1軟件功能及算法由上系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)波形選擇、頻率幅度輸人、波形編輯、頻譜和失真

54、度計(jì)算等功能。采用液晶分屏顯示波形、頻率、幅度、失真度和前8次諧波分量。波形編輯有兩種方式：一種為輸人前五次諧波系數(shù)，通過(guò)線性運(yùn)算生成所需波形的波形表;另一種為輸人16個(gè)采樣值，通過(guò)線性插值生成所需波形的波形表。頻譜計(jì)算:出于計(jì)算量上的考慮，我們沒(méi)有采用fft算法，而是采用了直接計(jì)算傅立葉系數(shù)的方法，將積分運(yùn)算近似成求和運(yùn)算，得出波形的近似頻譜分量；失真度:由上面計(jì)算出來(lái)的頻譜根據(jù)定義計(jì)算；掃頻，使頻索控制字按周期變化。4. 2. 2發(fā)送波形數(shù)據(jù)到硬件存儲(chǔ)器硬件存儲(chǔ)器的大小設(shè)定為4k3bit。另外，硬件要求傳送的是18位的整數(shù)形式，所以要取三個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)一個(gè)波形點(diǎn)，即d之間的整數(shù)。因此，根據(jù)硬件的要求，在波形數(shù)據(jù)發(fā)送之前，需要允許一系列的處理，然后才能進(jìn)行發(fā)送。在寄存器向dac發(fā)送時(shí)，可以采用高位先輸入的方式，將24位數(shù)據(jù)寫入18的數(shù)據(jù)寄存器不需要進(jìn)行移位，在這種情況下，低6位可以被忽略。5.3 誤差分析由于dds的工作原理是基于數(shù)字取樣及數(shù)?；謴?fù)的處理，所以輸出的模擬信一號(hào)中必然會(huì)有雜散噪聲，其來(lái)源主要有以下三方面的因素：5.3.1 相位誤差5.3.1.1 相位舍位引起的誤差在dds中，由于累加器的位數(shù)n大于ram的尋址位數(shù)w，使得累加器的輸出尋址ram時(shí)，其nw個(gè)低位