毕业设计---数字信号发生器的设计

毕业设计---数字信号发生器的设计内容摘要：

式 ： ：扫频信号发生器能够产 生幅度恒定、频率在限定范围内作线 性变化的信号。 在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件（如变容管或磁芯线圈）来实现扫频振荡；在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波 管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频，以 YIG 铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流控制直流磁场改变小球的谐振 频率。 扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控和远控等工作方式。 ：这种发生器的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形 成所需之任意频率的信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。 输出信号频率通常可按十进位数字选择，最高能达 11 位数字的极高分辨率。 频率除用手动选择外还可程控和远控，也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。 直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波和放大等电路组成，变换频率迅速但电路复杂，最高输出频率只能达 1000 兆赫左右。 用得较多的间接式频率合 成器是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器（在环路中同时能实现倍频、分频和混频），使之产生并输出各种所需频率的信号。 这种合成器的最高频率可达 吉 赫。 高稳定度和高分辨力的频率合成器，配上多种调制功能（调幅、调频和调相），加上放大、稳幅和衰减等电路，便构成一种新型的高性能、可程控的 合成式信号发生器，还可作为锁相式扫频发生器 [4]。 除了上述发生器外还有 伪随机信号发生器 ， 微波信号发生器 等 河北工程大学 机电学院毕业设计 7 第二节 研究数字信号发生器的目的及 其发展 信号发生器也称信号源，是用来产生振荡信号的一种仪器，为使用者提供需要的稳定、可信的参考信号，并且信号的特征参数完全可控。 所谓可控信号特征，主要是指输出信号的频率、幅度、波形、占空比、 调制形式等参数都可以人为地控制设定。 随着科技的发展，实际应用到的信号形式越来越多，越来越复杂，频率也越来越高，所以信号发生器的种类也越来越多，同时信号发生器的电路结构形式也不断向着智能化、软件化、可编程化发展。 信号发生器所产生的信号在电路中常常用来代替前端电路的实际信号，为后端电路提供一个理想信号。 由于信号源信号的特征参数均可人为设定，所以可以方便地模拟各种情况下不同特性的信号，对于产品研发和电路实验特别有用。 在电路测试中，我们可以通过测量、对比输入和输出信号，来判断信号处理电路的功能和特性是否达到设计要求。 例如，用信号发生器产生一个频率为 1kHz 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河北工程大学 机电学院毕业设计 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。 河北工程大学 机电学院毕业设计 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 河北工程大学 机电学院毕业设计 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。 可河北工程大学 机电学院毕业设计 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，高河北工程大学 机电学院毕业设计 12 宽带，以及随机的和相位连续的频率切换 [9]。 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河北工程大学 机电学院毕业设计 13 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。 河北工程大学 机电学院毕业设计 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。