数字信号发生器的设计毕业设计

数字信号发生器的设计毕业设计内容摘要：

的正弦波信号 ,输入到一个被测的信号处理电路 (功能为正弦波输入、方波输出 )，在被测电路输出端可以用示波器检验是否有符合设计要求的方波输出。 高精度的信号发生器在计量和校准领域也可以作为标准信号源 (参考源 )，待校准仪器以参考源为标准进行调校。 由此可看出，信号发生器可广泛应用在电子研发、维修、测量、校准等领域 [5]。 目前我国己经开始研制波形发生器，并取得了可喜的成果。 但总的来说，我国波形发生器还没有形成真正的产业。 就目前国内的成熟产品来看，多为一些 PC仪器插卡，独立的仪器 和 VXI系统的模块很少，并且我国目前在波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。 函数波形发生器发展很快近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面： （ 1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。 波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。 波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。 同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简 单的公式复合成 v=f(t)形式的波形方程的数学 8 表达式产生。 从而促进了波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。 目前可以利用可视化编程语言 (如 Visual Basic, Visual C等等 )编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。 （ 2）与 VXI资源结合。 目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的 VXI模块。 由于 VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用 VXI系 统测量产生复杂的波形， VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发 VXI模块的周期长，而且需要专门的 VXI机箱的配套使用，使得波形发生器 VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。 在民用方面， VXI模块远远不如台式仪器更为方便。 （ 3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。 不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。 这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。 而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。 9 第二章 波形的概述 第一节 矩形波 矩形波被广泛用于数字开 关电路， 矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间 [6]。 方波函数是一种常用的波形函数，其表达式为 ： (21) 方波的波形如图 21 所示 ： 图 方波波形 10 第二节 三角波 三角波也叫锯齿波 ,主要用在 CRT 作显示器件的扫描电路中 .如示波器 ,显像管 ,显示器等 .CRT 是由许多点组成的 .要形成光栅就要有电子束轰击这些发光点 .扫描电路分水平和垂直扫描两种 .可以一行或一帧的对 CRT 进行扫描 .电子束从第一行或帧的一端开始扫到另一端 ,马上返回扫第二行或第二帧，三角波的特点是电压渐渐增大突然降到零，正好适合用于扫描电路中 [8]。 三角波波形如图 ： 图 三角波形 第三节 正弦波 正弦波即是频率成分最为单一的一种信号 ，因这种信号的波形是数学上的正弦曲线而得名。 任何复杂信号 ——例如音乐信号，都可以看成由许许多多频率不同、大小不等的正弦波符合而成。 我们可以设一个函数为 y=sin X，当 X 分别取 0、 60、 90、 1 150、 180 时， Y 数值分别为 0、 、 、 、 0。 在坐标系中画出对应的点就可以得出正弦波的图像了。 该图像有一个特点，就是周期性变化，例如 X = 0 时， Y = 0， X = 180 时， Y = 0；若 X 取值【 180~360】，则我们可以看到，图像正好 与原来的相反（在第四象限）。 这就是正弦波的图像了。 正弦波是所有波中最普遍常见的波形，也是最容易生成的波形。 任何复杂信号都可以看成由许许多多频率不同、大小不等的正弦波复合而成。 可 11 以说是所有波形的基础。 正弦波一般与函数信号发生器有关，与数控也有关 [7]。 正弦信号与余弦信号，两者只是在相位上相差 2π，可以统称为正弦信号。 其一般形式为： f (t)=A sin(ωt+θ ) (22) 式中， A 为振幅， ω 是角频率 ， θ 为初相位。 上述三量是正弦信号的三要素。 它的波形见图 1。 正弦信号是周期信号，其周期 T 与频率 f 及角频率 ω 之间的关系为： (23) 正弦波形如图 所示： 图 第四节 波形的产生 波形发生器可以基于模拟技术，也可以基于数字技术。 模拟发生器利用模拟硬件来产生简单的函数，并在需要指定频率的静态正弦波或方波时经常使用。 而数字函数发生器采用直接数 字综合 DDS， DAC，数字信号处理，以及一个单周期存储缓冲器来产生信号。 DDS技术依赖数字控制的方法，利用单基准时钟频率来实现一个模拟频率源。 DDS能够实现高精度和高分辨率，高温度稳定度，高宽带，以及随机的和相位连续的频率切换 [9]。 12 图 直接模拟法框图 这是传统函数发生器的简化基本结构，一般都是由自由振荡器产生原始波形，然后经过转换电路将原始波形转换成其他波形，在上图中三角波是由振荡器产生的，方波是三角波通过比较器转变而成的，正弦波是三角波通过一个波形整形电路（正弦波整 形器）演变而来的，所需要波形经过放大和衰减输出，显然这种方式产生的波形种类有限，每增加一种波形，都要增加相应的转换电路，整个电路变得很复杂，最重要的是要产生用户所需要的任意波形复杂的波形几乎不可能 [10]。 直接数字法是采用直接数字合成（ Direct Digital Synthesis）的方法实现信号产生。 该技术具有频率转换速度快、频率分辨率高、易于控制的突出特点。 直接数字合成技术近年来发展得很快，而要产生任意波形就必须采用直接数字很成技术。 随着 DDS技术的发展，出现了各种各样的直接数字合成的 结构，但基本上可以发成两种 [11]： （ 1）基于地址计数器的数字频率合成法 （ 2）基于相位累加器的数字频率合成法 相位累加器 [12] ： 顾名思意，就是对相位进行线性累加的寄存器。 这个词一般在数字频率合成器（ DDS）中出现，因为数字频率合成时，要想输出一个波形（比如正弦波）的话，当然应该输出一个周期内的很多个点才能得到失真的很小的波形，所以时钟 13 的频率会是输出波形频率的 x 倍。 然后时钟每加一，相位就增加 1/x，然后输出查表、计算出的瞬时值，再继续下一时钟。 当 x 个周期后，也就输出得到一个完整的正弦波了。 而 这个计数累加器就是相位累加器 由于直接数字法在设计上的的优点，本课题设计采用的是基于地址计数器的直接数字合成法。 14 第三章 方案的设计 第一节 信号发生电路的设计 方案一：通过单片机控制 D/A，输出三种波形。 此方案输出的波形不够稳定，抗干扰能力弱，不易调节。 但此方案电路简单、成本低。 方案二：使用传统的锁相频率合成方法。 通过芯片 IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。 此方案，电路复杂，干扰因素多，不易实现。 方案三：利用 MAX038 芯片组成的电路输出波形。 MAX038 是精密高频波形产生电路，能够产生准确的三角波、方波和正弦波三种周期性波形。 但此方案成本高，程序复杂度高。 结合设计要求、设计条件限制等方面， 以上三种方案综合考虑， 由于方案一更方便，所以 选方案一。 第二节 单片机的选择 方案一： AT89S52 单片机是一种低功耗、高性能 8 位单片微型计算机。 它把构成计算机的中央处理器 CPU、存储器、寄存器、 I/O 接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机、而且其价格便宜。 方案二： C8051F005 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与 8051兼容的微控制器内核，与 MCS51 指令集完全兼容。 除了具有标准 8052 的数字外设部件，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，而且执行速度快。 但其价格较贵 15 以上两种方案综合考虑， 由于方案二中 C8051F005 单片机价格明显高于AT89S52，所以 选择方案一。 第三节 显示方案 方案一：采用 LED 数码管。 LED 数码管由 8 个发光二极管组成，每只数码管轮流显示各自的字符。 由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间 隔小于 1/16s 时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。 使用数码管显示编程较易，但要显示内容多，而且数码管不能显示字母。 方案二：采用 LCD 液晶显示器 1602。 其功率小，效果明显，显示编程容易控制，可以显示字母。 以上两种方案综合考虑， 由于用 LED 相对要麻烦些，而 1602 编程容易控制，所以本次设计 选择方案二。 第四节 输入方案 主要用于控制波形的转换，波形显示的开始和结束。 控制方式有按键控制和开关控制两种。 按键较开关而言，操作更加简便，故选按键控制。 方案一：矩阵式键盘。 矩阵 式键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。 当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线都断开，行线都呈高电平。 当某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线被短路。 方案二：编码式键盘。 编码式键盘的按键触点接于 74LS148 芯片。 当键盘上 16 没有闭合时，所有键都断开，当某一键闭合时，该键对应的编码由 74LS148 输出。 本次设计所需按键不多，不需要采用复杂编码，考虑硬件条件、线路连接和经济性等方面，选择方案一。 17 第四章 芯片的介绍 第一节 AT89S52 AT89S52 引脚图如下所示： 图 AT89S52 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 使用 Atmel 公司高密度 非易失性存储器 技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时 器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全 18 双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， AT89S52 可降 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止 [13]。 ●主要性能 与 MCS51 单片机产品兼容； 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器； 1000 次擦写周期； 全静态操作： 0Hz33MHz； 三级加密程序存储器； 32 个可编程 I/O 口线； 三个 16 位定时器 /计数器； 六个中断源； 全双工 UART 串行通道； 低功耗空闲和掉电模式； 1 掉电后中断可唤醒； 1 看门狗定时器； 1 双数据指针； 1 掉电标识符。 ●引脚说明 P0 口： P0口是一个 8位漏极开路的双向 I/O 口。 作为输出口，每位能驱动 8个 TTL 逻 辑电平。 对 P0端口写 “1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时， P0口也被作为低 8位地址 /数据复用。 在这种模式下，。