程控信号发生器论文

目目 录录1 概述 .1 1.1 题目 名····································· ·················2 1.2 功能和技术指标要 求····································· ·····2 1.3 国内外相关情况概 述····································· ·····21.3.1 波形发生器的发展状 况··········································· ····21.3.2 国内外波形发生器产品比 较··········································· 31.3.3 本课题在国内外的发展状 况··········································· 42 技术方案.52.1 波形产生原 理····································· ···········5 2.2 总体设计方案 .5 2.3 方案论证 .63 硬件设 计····································· ····················7 3.1 波形产生电 路····································· ··········7 3.2 电源电 路····································· ··············8 3.3 单片机电 路····································· ············94 软件设 计····································· ····················10 4.1 软件功能说 明···············································10 4.2 软件总流 程····································· ············10 4.3 各功能软 件····································· ············135 附录一附录二第一章第一章 概述概述1.1 题目名 程控信号发生器设计1.2 功能和技术指标要求 （1） 输出电压：交流 24V （2） 输出波形： 连续矩形波，频率 10100kHZ 可调，幅值可调 连续正弦波，频率 10100kHZ 可调，幅值可调 连续锯齿波，频率 10100kHZ 可调，幅值可调 连续三角波，频率 10100kHZ 可调，幅值可调 单个正弦波，每按一次输出开关输出一个正弦波，周期时间，幅值可调 单个矩形波，每按一次输出开关输出一个矩形波脉冲，波脉冲的宽度、周期时 间，幅值可调 单个三角波，每按一次输出开关输出一个三角波，周期时间，幅值可调 单个锯齿波，每按一次输出开关输出一个锯齿波，周期时间，幅值可调（3） 输出阻抗：100 （4） 最大输出电流：10mA （5） 信号输出幅值在 105000mV 之间可调，相邻两档幅值变化不超过 1% （6） 信号输出频率可调，相邻两档幅值变化不超过 1% （7） 输出信号频率、幅值数字可调1.3国内外相关情况概述1.3.1 波形发生器的发展状况 波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用 555 振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的 RC 很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。 90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是 HP 公司推出了型号为 HP770S 的信号模拟装置系统，它由 HP8770A 任意波形数字化和 HP1776A 波形发生软件组成。HP8770A 实际上也只能产生 8 中波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic 公司推出了型号为 Data-2020 的多波形合成器，Lecroy 公司生产的型号为 9100 的任意波形发生器等。 而近几年来，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表达式产生。从而促进了函数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。1.3.2 国内外波形发生器产品比较 早在 1978 年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为 5MHz ，可以形成 256 点(存储长度)波形数据，垂直分辨率为 8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近 30 年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 表 1.1 给出了几种波形发生器的性能指标，从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在波形发生器上的研制水平。表 1.1 一些波形发生器的性能指标公司TektronixTektronix横河电机Wavetek型号AG320AWG710AG5100295最高采用频率16MS/s4GMS/s1GMS/s50MS/s通道数2224垂直分辨率12bit8bit8bit12bit存储容量64K8M8M64K输出电压10V2.5V2V15V1.3.3 本课题在国内外的研究现状二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过 GHz 的 DDS 芯片，同时 也推动了函数波形发生器的发展，2003 年，Agilent 的产品 33220A 能够产生 17 种波形，最高频 率可达到 20M，2005 年的产品 N6030A 能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达 1.25GHz。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快。 对目前而言，国外（美）研究和使用的信号发生器大多要求频率在 10HZ-50MHZ，产生正弦、6三角、锯齿、方波、调幅、直流等波形，而国内则对频率在 5*10HZ-40MHZ，能产生正选-三角等基3本波形已经调幅、调频、TTL 等的信号发生器需求大第二章第二章 技术方案技术方案2.1 波形产生原理方案一：使用集成函数发生器芯片集成函数芯片有 ICL8038 等。ICL8038 能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，将它作为正弦信号发生器。它是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。但是发挥部分要求正弦波以 1Hz 为步进增加，所以用 ICL8038 不方便控制。方案二：采用锁相式频率合成（PLL）锁相式频率合成是将一个高稳定度和高精度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率的技术，它在一定程度上解决了既要频率稳定精确，又要频率在较大范围内可变的矛盾，但频率受 VCO 可变频率范围影响，高低频率比不可能作得很高，随着频率稳定度的提高，PLL 的锁定时间越来越来越长。方案三：直接数字频率合成（DDS） 直接数字频率合成技术是根据相位间隔对波形信号进行取样、量化、编码，然后储存在 EPROM 中构成一个波形查询表。频率合成时，相位累加器在参考时钟的作用下对时钟脉冲进行计数，同时将累加器输出的累加相位与频率控制字K 预置的相位增量相加，以相加后的吉果形成波形查询表的地址；取出表中与该相位对应的单元中的幅度量化波形函数值，经 DA 转换器输出模拟信号，再经低通滤波器平滑得到符合要求的模拟信号。相位累加器的最大计数长度与波形查询表中所存储的相位分隔点数相同，由于相位累加器的相位增量不同，将导致一周期内的取样点数不同，在取样频率(由参考时钟频率决定)不变的情况下，输出信号的频率也相应变化。如果设定累加器的初始相位，则可以对输出信号进行相位控制。目前有许多可用作信号发生器的专用 DDS 集成