雙路低頻信號(hào)發(fā)生及分析儀的設(shè)計(jì)制作(E題)(共14頁)

1、PAGE PAGE II 雙路低頻信號(hào)(xnho)發(fā)生及分析儀的設(shè)計(jì)制作（E題）中國(zhn u)石油大學(xué)(華東) 孟慶平 肖渤濤 秦炳坤專家(zhunji)點(diǎn)評：該作品采用Silicon Labs公司的C8051F120作為主控制器，由信號(hào)發(fā)生、信號(hào)整形放大、信號(hào)疊加、信號(hào)分析、LCD顯示、鍵盤等模塊組成。以單片機(jī)為核心，可產(chǎn)生兩路均可獨(dú)立程控選擇參數(shù)的正弦波、矩形波、三角波和鋸齒波信號(hào)，并應(yīng)用相應(yīng)電路對輸出信號(hào)進(jìn)行放大整形與合成；利用FFT算法對合成后的信號(hào)進(jìn)行頻域分析，并可以繪制信號(hào)頻譜圖，通過LED液晶顯示；系統(tǒng)穩(wěn)定性好，精度較高，頻譜純凈。論文方案論證充分，理論分析與計(jì)算正確，測試方

2、案合理，測試結(jié)果可信。設(shè)計(jì)報(bào)告規(guī)范性方面還需進(jìn)一步提高。 煙臺(tái)大學(xué)光電信息學(xué)院 王中訓(xùn)教授摘 要本系統(tǒng)采用Silicon Labs公司的C8051F120作為主控制器，由信號(hào)發(fā)生、信號(hào)整形放大、信號(hào)疊加、信號(hào)分析、LCD顯示、鍵盤等模塊組成。以單片機(jī)為核心，可產(chǎn)生兩路均可獨(dú)立程控選擇參數(shù)的正弦波、矩形波、三角波和鋸齒波信號(hào)，并應(yīng)用相應(yīng)電路對輸出信號(hào)進(jìn)行放大整形與合成；利用FFT算法對合成后的信號(hào)進(jìn)行頻域分析，并可以繪制信號(hào)頻譜圖，通過LED液晶顯示；系統(tǒng)穩(wěn)定性好，精度較高，頻譜純凈。關(guān)鍵字：信號(hào)發(fā)生 C8650F120 信號(hào)合成 FFT算法 頻域分析 目 錄 TOC o 1-3 h z u H

3、YPERLINK l _Toc239306421 1系統(tǒng)(xtng)方案 PAGEREF _Toc239306421 h 1 HYPERLINK l _Toc239306422 1.1信號(hào)發(fā)生模塊的論證(lnzhng)與選擇 PAGEREF _Toc239306422 h 1 HYPERLINK l _Toc239306423 1.2 信號(hào)整形發(fā)達(dá)模塊(m kui)的論證與選擇 PAGEREF _Toc239306423 h 11.3顯示模塊的論證與選擇1 HYPERLINK l _Toc239306425 2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 PAGEREF _Toc239306425 h 1 HYPERL

4、INK l _Toc239306426 2.1 信號(hào)參數(shù)設(shè)定原理的分析 PAGEREF _Toc239306426 h 1 HYPERLINK l _Toc239306427 2.1.1頻率的設(shè)定 PAGEREF _Toc239306427 h 1 HYPERLINK l _Toc239306428 2.1.2雙路同頻正弦信號(hào)相位差的設(shè)定 PAGEREF _Toc239306428 h 1 HYPERLINK l _Toc239306429 2.1.3 方波占空比的設(shè)定 PAGEREF _Toc239306429 h 22.1.4信號(hào)幅度的設(shè)定2 HYPERLINK l _Toc2393064

5、34 2.2 FFT算法的分析和計(jì)算 PAGEREF _Toc239306434 h 2 HYPERLINK l _Toc239306435 2.2.1 FFT算法原理 PAGEREF _Toc239306435 h 2 HYPERLINK l _Toc239306436 2.2.2 采樣頻率的確定 PAGEREF _Toc239306436 h 3 HYPERLINK l _Toc239306438 3電路與程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc239306438 h 4 HYPERLINK l _Toc239306439 3.1電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc239306439 h 4 H

6、YPERLINK l _Toc239306440 3.1.1系統(tǒng)總體框圖 PAGEREF _Toc239306440 h 4 HYPERLINK l _Toc239306441 3.1.2 信號(hào)產(chǎn)生與整形子系統(tǒng)框圖與電路原理圖4 HYPERLINK l _Toc239306442 3.1.3 信號(hào)疊加與分析子系統(tǒng)框圖與電路原理圖5 HYPERLINK l _Toc239306443 3.1.4電源5 HYPERLINK l _Toc239306444 3.2程序的設(shè)計(jì)5 HYPERLINK l _Toc239306445 3.2.1程序功能描述5 HYPERLINK l _Toc2393064

7、46 3.2.2程序流程圖5 HYPERLINK l _Toc239306447 4測試方案與測試結(jié)果5 HYPERLINK l _Toc239306449 4.1 測試條件與儀器5 HYPERLINK l _Toc239306450 4.2 測試結(jié)果及分析5 HYPERLINK l _Toc239306451 4.2.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))6 HYPERLINK l _Toc239306452 4.2.2測試分析與結(jié)論6 HYPERLINK l _Toc239306453 附錄1：電路原理圖7PAGE PAGE 141系統(tǒng)(xtng)方案本系統(tǒng)主要由信號(hào)產(chǎn)生與整形和信號(hào)疊加與分析兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，

8、其中(qzhng)信號(hào)產(chǎn)生與整形子系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)整形放大模塊；信號(hào)疊加與分析子系統(tǒng)包括信號(hào)疊加模塊、信號(hào)分析（分析儀）模塊；另外還有獨(dú)立的顯示模塊、鍵盤模塊、電源模塊等，下面分別論證幾個(gè)模塊的選擇。1.1 信號(hào)發(fā)生模塊(m kui)的論證與選擇方案一：采用基本模擬電路產(chǎn)生，比如LC振蕩電路，施密特觸發(fā)器等。此方案，電路復(fù)雜，并且難以達(dá)到高精度的程控調(diào)節(jié)，并且穩(wěn)定度不高。方案二：采用DDS芯片。DDS以Nyquist時(shí)域采樣定理為基礎(chǔ)在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行頻率合成，其頻率可以實(shí)現(xiàn)程控，電路易實(shí)現(xiàn)，可以直接打到題目要求精度，包括頻率和步進(jìn)值。但是題目在要求中提出作品中不得使用集成DDS芯片，故排

9、除此方案。方案三：使用C8051F120單片機(jī)，運(yùn)用DDS基本原理，通過編程計(jì)算并建立波形查找表，存入數(shù)組中，然后通過C8052F120單片機(jī)進(jìn)行尋址查表輸出波形的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，濾波即可恢復(fù)原波形。此方案產(chǎn)生的波形比較穩(wěn)定，電路易實(shí)現(xiàn)，頻譜清楚，幅度恒定，失真小且控制方便。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2 信號(hào)整形放大模塊的論證與選擇方案一：比例放大電路。此方案電路簡單，信號(hào)放大后較為穩(wěn)定，失真小，但不易調(diào)節(jié)信號(hào)放大參數(shù)。方案二：程控電位器調(diào)節(jié)放大。技術(shù)成熟，穩(wěn)定性好，精度高，可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)信號(hào)放大的參數(shù)，并且易于用單片機(jī)進(jìn)行參數(shù)控制。方案三：比例放大電路與程控電位器組合為程控

10、信號(hào)放大電路。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3 顯示模塊的論證與選擇方案一：采用普通LED。優(yōu)點(diǎn)是元器件價(jià)格低廉，而且外圍電路簡單。但掃描要占用大量I/O口資源，還增大了單片機(jī)的運(yùn)算開銷，顯示信息也不夠豐富。方案二：采用LCD液晶顯示。優(yōu)點(diǎn)是顯示信息非常豐富，可以形象顯示選項(xiàng)菜單和信號(hào)頻譜圖。占用I/O口資源較少，不需要循環(huán)掃描節(jié)省了大量程序開銷。綜合系統(tǒng)及拓展要求，本作品采用方案二LCD液晶顯示。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 信號(hào)參數(shù)設(shè)定原理的分析 2.1.1 頻率的設(shè)定信號(hào)生成采用DDS基本原理,在單片機(jī)內(nèi)部通過編程計(jì)算建立了波形查找表，對于系統(tǒng)要求信號(hào)每個(gè)周期保存固定72個(gè)點(diǎn)供尋址，尋

11、址操作是由C8051F120單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制。通過改變定時(shí)器溢出時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率在1000HZ2000HZ范圍內(nèi)變化。2.1.2 雙路同頻正弦信號(hào)相位差的設(shè)定由于輸出信號(hào)的每個(gè)周期數(shù)據(jù)包含72個(gè)點(diǎn)，由360/72=5 得尋址每移動(dòng)一個(gè)點(diǎn)，正弦信號(hào)相位改變5度。因此可以設(shè)置兩路輸出的地址相差合適點(diǎn)數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)雙路同頻正弦信號(hào)相位差（0度360度）的變化。2.1.3 方波占空比的設(shè)定(sh dn)對于方波則采用每個(gè)周期使用100個(gè)點(diǎn)，通過改變置高電平與置低電平的點(diǎn)數(shù)不同，實(shí)現(xiàn)占空比在1%99%范圍(fnwi)內(nèi)變化。2.1.4 信號(hào)(xnho)幅度設(shè)定信號(hào)幅度調(diào)節(jié)較為簡單，直接使用比

12、例運(yùn)算電路與程控電位器組成的整形電路，調(diào)節(jié)幅值。2.2 FFT算法的分析和計(jì)算 2.2.1 FFT算法原理快速傅立葉變換（FFT）技術(shù)是信號(hào)處理技術(shù)中最為重要的基礎(chǔ)之一，為數(shù)字信號(hào)處理的一個(gè)強(qiáng)有力的工具。本實(shí)驗(yàn)采用基-2FFT算法，對合成后信號(hào)進(jìn)行頻域分析。其原理如下：將x(n)按n為奇偶分解成兩個(gè)子序列，當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，令n=2r；當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，令n=2r+l；可得到則其DFT可寫成和均分別是N/2點(diǎn)序列和的DFT，而且r與k的取值滿足0,1,N/2-1。而X(k)是一個(gè)N點(diǎn)的DFT，因此上式只計(jì)算了X(k)的前N/2的值。由DFT和的性質(zhì)可得到X(k)的后N/2的值為：表明，只要計(jì)算出兩個(gè)N

13、/2點(diǎn)的DFT和，經(jīng)過線性組合，即可求出全部N點(diǎn)的X(k)。由于,仍為偶數(shù)，因而這樣的分解可以繼續(xù)進(jìn)行下去，直到最后的單元只需要做2點(diǎn)DFT為止。若Xm(p)和Xm(q)為輸入數(shù)據(jù), 和為輸出數(shù)據(jù), 為旋轉(zhuǎn)因子，則對于基-2DIT-FFT算法，蝶形運(yùn)算的基本公式為其圖形(txng)表示如例圖1所示，稱Xm(P)為上結(jié)點(diǎn)(ji din)，Xm(q)為下結(jié)點(diǎn)(ji din)。例圖1 時(shí)間抽取蝶形運(yùn)算單元根據(jù)上述算法原理及運(yùn)算流圖，可以得出基-2DIT-FFT的基本特點(diǎn)，特點(diǎn)如下。(1)級數(shù)分解：對于。共分了M級，每級包含N/2個(gè)蝶形運(yùn)算單元，總共所需蝶形運(yùn)算個(gè)數(shù)為。(2)運(yùn)算量估計(jì)：每個(gè)蝶形運(yùn)算需

14、要一次復(fù)數(shù)乘法和兩次復(fù)數(shù)加(減)法，N點(diǎn)FFT共需要次復(fù)數(shù)乘法，次復(fù)數(shù)加(減)法。實(shí)際上有些蝶形運(yùn)算不需要做復(fù)乘。(3)原位運(yùn)算：當(dāng)數(shù)據(jù)輸入到存儲(chǔ)器以后，每一組蝶形運(yùn)算后，結(jié)果仍然存放在這同一組存儲(chǔ)器中的同一位置，不需要另辟存儲(chǔ)單元，直到最后輸出。(4)位碼倒序：由圖2可以看到，F(xiàn)FT輸出的X(k)的次序正好是順序排列的，即X(0)，X(1)，,X(7)，而輸入X(n)是按x(0)，X(4)，,X(7)的倒序存入存儲(chǔ)單元，即為倒序輸入，正序輸出。這種順序看起來相當(dāng)雜亂，然而它是有規(guī)律的，即位碼倒序規(guī)則。(5)旋轉(zhuǎn)因子的確定：每次迭代的蝶形類型比前一迭代增加一倍，間隔也增大一倍。最后一次迭代的蝶

15、形類型最多，參加蝶形運(yùn)算的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的間隔也最大，為N/2。根據(jù)基-2DIT-FFT的基本特點(diǎn)可使用C8650F120單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的頻域分析。2.2.2 采樣頻率確定同時(shí)傅立葉變換中必須滿足采樣定理。采樣定理：一個(gè)在頻率以上部分無頻率分量存在的有限帶寬信號(hào)，可以由小于或等于的均勻時(shí)間間隔上的取值唯一地確定。采樣定理寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式即為：這個(gè)定理說明當(dāng)以大于或等于的頻率對x(t)進(jìn)行采樣時(shí)，采樣值x(n)中包含了x(t)在每一時(shí)刻的信息。這就確定了對信號(hào)采樣頻率的要求。本次作品要求頻率最大為2000HZ，因此綜合考慮確定采樣頻率為8KHZ左右，若是2的乘方數(shù)則更便于計(jì)算。3電路(dinl)

16、與程序設(shè)計(jì)3.1電路(dinl)的設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總體(zngt)框圖系統(tǒng)總體框圖如下圖圖二所示。 圖二 系統(tǒng)總體框圖3.1.2 信號(hào)產(chǎn)生與整形子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、信號(hào)產(chǎn)生與整形子系統(tǒng)框圖圖三 信號(hào)產(chǎn)生與整形子系統(tǒng)框圖2、信號(hào)產(chǎn)生與整形子系統(tǒng)各部分電路信號(hào)濾波電路采用簡潔(jinji)的RC低通濾波電路，信號(hào)放大與整形電路部分則結(jié)合使用由運(yùn)放搭建的同相比例運(yùn)算電路和程控電位器X9C103。電路圖可見(kjin)附錄(fl)1電路原理圖和程序流程框圖中的圖四：信號(hào)產(chǎn)生與整形子系統(tǒng)各部分電路。3.1.3信號(hào)疊加與分析子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、信號(hào)疊加與分析子系統(tǒng)框圖圖五 信號(hào)疊加與分析子系

17、統(tǒng)框圖2、信號(hào)疊加與分析子系統(tǒng)各部分電路信號(hào)疊加電路采用NE5532搭建的加法器電路，電路結(jié)構(gòu)及各元件參數(shù)可見附錄1電路原理圖和程序流程框圖中的圖六：加法器電路。3.1.4電源電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供5V或者15V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)，故不作詳述。3.2程序的設(shè)計(jì)3.2.1程序功能描述1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生、鍵盤的設(shè)置，信號(hào)的頻域分析和液晶顯示。1）鍵盤引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)功能：設(shè)置輸出信號(hào)類型、頻率值、電壓值、占空比（方波）以及兩路（同頻率正弦）信號(hào)的相位差等。2）顯示部分：顯示菜單（信號(hào)類型、

18、電壓值、頻率、步進(jìn)值、占空比（方波）設(shè)定）、頻譜圖等。3.2.2程序流程圖1、信號(hào)輸出及相應(yīng)頻率、幅值、相位、占空比控制程序流程圖可見附錄1電路原理圖和程序流程框圖中的圖七:信號(hào)輸出算法流程圖：2、FFT算法對信號(hào)頻域分析程序流程可見附錄1中圖八：FFT算法流程圖。4測試(csh)方案與測試結(jié)果4.1 測試(csh)條件與儀器測試條件：檢查多次，硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤(ww)，硬件電路保證無虛焊。測試儀器列表如下：序號(hào)名稱型號(hào)規(guī)格1數(shù)字存儲(chǔ)示波器GDS-10222數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器F203數(shù)字多用表TH19514.2 測試結(jié)果及分析4.2.1測試結(jié)果（數(shù)據(jù)） 測試結(jié)

19、果所得的數(shù)據(jù)分析表格附于附錄中，見表1到表5，分別有對輸出信號(hào)頻率，幅度，占空比，相位差以及對信號(hào)合成效果的測試。4.2.2測試分析與結(jié)論根據(jù)題目要求，該設(shè)計(jì)完成了所要求的基本功能，達(dá)到了基本指標(biāo)。并且在許多方面有一定發(fā)揮，現(xiàn)將所有題目要求與系統(tǒng)實(shí)際性能列表如下：基本要求發(fā)揮部分完成情況輸出信號(hào)波形選擇實(shí)現(xiàn)，鍵盤選擇輸出信號(hào)頻率誤差1%，步進(jìn)值10HZ實(shí)現(xiàn)，誤差在要求范圍內(nèi)，步進(jìn)至最小可達(dá)到二輸出電壓幅度最值2.5V，步進(jìn)值100mV實(shí)現(xiàn) 雙路正弦信號(hào)相位差調(diào)節(jié)，步進(jìn)值10o，范圍1o360o實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)可達(dá)5度方波占空比調(diào)節(jié)，范圍1%100%實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)幅度、頻率、相位差、占空比可預(yù)置由鍵盤輸

20、入，液晶顯示兩路正弦信號(hào)的合成實(shí)現(xiàn)對信號(hào)進(jìn)行頻域分析，顯示頻譜圖實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)合成前兩路信號(hào)幅度，頻率，誤差10%實(shí)現(xiàn)，誤差滿足要求范圍其他參考文獻(xiàn)【1】全國(qun u)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽山東賽區(qū)組織委員會(huì).電子設(shè)計(jì)競賽(jngsi)優(yōu)秀論文選集.山東(shn dn).2006【2】宋志超 劉越盛 田禹 欒英娜.數(shù)字信號(hào)處理課程論文應(yīng)用FFT對信號(hào)進(jìn)行頻譜分析.大慶師范學(xué)院.2011.06附錄(fl)1：電路原理圖和程序流程框圖(kungt)報(bào)告(bogo)中電路：圖四 信號(hào)產(chǎn)生與整形子系統(tǒng)各部分電路圖六 加法器電路圖七 信號(hào)輸出(shch)算法流程圖圖八 FFT算法(sun f)流程圖表1、輸出

21、信號(hào)(xnho)頻率測量頻率/HZ預(yù)置100010101020149015001510198019902000實(shí)測999.0381009.3251019.4371488.8371498.1651509.0021977.5901987.2231996.4556誤差0.0962%0.0678%0.0552%0.0785%0.0781 %0.0661 %0.122%0.139%0.177%表2、輸出信號(hào)(xnho)幅度測量幅度/mV預(yù)置100200300500100020004000450049005000實(shí)測105.45204.36310.44512.74987.762013.873983.824478.454860.344928.73誤差5.45%