省电子设计赛波形发生器设计报告

1波形发生器设计报告摘要：根据设计要求，拟采用多模块组合方式实现设计。系统由波形产生部分、系统控制部分、小信号放大及功放部分，再加上必要的稳压电源等外围辅助电路等组成。波形产生部分用DDS芯片实现，通过单片机对DDS芯片控制，最后通过运放及功放来提高信号幅度和功率。本系统还采用漂移抑制电路，以克服交越失真，增强系统的稳定性。在频率范围向上增大至600KHZ，并且实现步长为1HZ，实现了绝大部分扩张功能，并且可以负载50欧。实测表明，系统较好地实现了设计要求，像带宽等部分指标还优于设计指标。关键字：波形发生器；DDS，频率调整、波形调整。一、题目分析1、任务设计并制作一台信号发生器，使之能产生正弦波、方波。2、基本要求1）信号发生器能产生正弦波、方波；2）输出信号频率在100Hz～100kHz范围内可调；3）在1k负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vpp在0～5V范围内可调；4）输出信号波形无明显失真；频率稳定度：10-45）可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值；3、发挥部分1）将输出信号频率范围扩展为1Hz～1MHz，输出信号频率步进间隔最小为1Hz；输出信号频率值可通过键盘进行设置；2）能产生双路信号，双路信号间相位可调。3）在50负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vpp在0～5V范围内可调，调节步进间隔为0.1V，输出信号的电压值可通过键盘进行设置；二、方案比较2方案一：基于FPGA产生波形FPGA作为基本波形产生芯片，它通过查找表的方式产生正弦波、方波和三角波数据，然后通过10位高速D／A芯片THS5651产生连续波形并显示。优缺点：可编程实现，低频容易达到设计要求，但高频不容易实现，幅度、频率调节不方便，另外，编程实现也比较复杂。方案二：基于DSP产生波形通过DSP芯片TMS320VC5402产生波形数据，通过传输到D/A转换芯片，转换成模拟波形，最后利用运放OP37和由S8055、S8055组成的功率放大来放大和功率输出。方案如图1所示。PCDSPTMS320C5042AT49LV1024AIS61LV6416LAD7846R/WCSMAX293图1DSP实现控制框图基于DSP技术波形发生器，不仅能产生任意波形，而且能实现高稳定度、高精度、高分辨率的要求，还具有体积小、价格便宜的特点波形稳定、易于调节。但受运算速度的限制，高频段可能难于实现。方案三：基于DDS产生波形DDS将与相位对应的波形幅值数据存储在单片机存储器中，通过相位累加器累计步长采样对应的波形数据。每采样一次数据，相位累加器的输出就增加一个步长的相位增加量△K，相位增加量由频率控制字确定。存储在ROM中的信号波形数据表包含产生信号的一个完整周期的幅值和相位。从ROM中读取相位3累加器的相位累加值对应的波形幅值，通过D/A转换器将该数据转换成相应的模拟量，再经过滤波得到平滑的合成波形信号。相位累加器的相位累加为循环迭加，这样可使输出信号的相位连续。当相位累加器累加至满量程时，产生一次计数溢出，该溢出率即为输出信号频率。本系统允许频率调谐，相位调谐，波形选择，可以产生正弦波和方波频率步进精度高，而且是查表生成波形速度快、频率高。根据题目要求，考虑设计组的专业能力及器件等综合因素，本设计选该方案三。三、总体设计方案DDS通过D/A产生正弦波及方波波形，通过LCD显示输出波形，电源对系统供电，在负载为1K是用运算放大器对其放大，在负载为50欧姆时用功放对其放大。系统总框架图如图2所示：单片机功放键盘参数显示运放D/ADDS1k50图2系统总体框图四、系统的硬件设计与实现1.系统硬件的主要组成系统控制部分通过单片机来实现，放大部分通过运放OP37负反馈和由8550、8050组成的OCL来进行放大，显示部分则通过GB12864A-2液晶显示屏来显示。2.系统各模块单元的理论分析与实际电路设计（1）DDS信号产生模块的设计DDS信号产生模块的外围电路较简单，主要为晶振和输出滤波，实现容易4相对容易。如图3所示。图3DDS波形产生模块（2）小信号放大及功放电路设计为了兼顾发挥部分的设计指标，运放电路拟选用OP37运放，在其电路图如图4所示：32674U1op37R11kR25kGNDVCCVSS+9V-9VR31KGNDVintVout图4小信号放大模块本电路为电压负反馈放大电路，放大倍数Av=R2/R1，为保证集成运放输入级差分放大电路的对称性，选用R4=R1//R2。为达到5V电压的输出要求，选择R2=5R1。功放采用OCL电路，电路图如图5所示，为了提高前级运放带负载能力，在功放于运放之间增加一级射极跟随器。5R210KR15.1KR310KQ18050R41KR65.1KD11N4148D21N4148D31N4148R95.1KR51KQ28050R75D41N4148R85Q38550R950GNDVCC+9VVss-9VVoutVint图5功放部分电路32674U1op37R11kVintD1VoutGNDVCCVSS图6射集部分电路为了克服交越失真，D1，D2之间的电位必须为零。UD1=0.7V，1N4148的工作电流约为1mA，根据Ucc-R4*1mA=0，可推出：omaxi=Ucc/R9=100mA。6R4=5k。Uce=Ucc-R7*omaxi。Uce约为0.2V~0.3V。R7约为5欧。为了便于调节，在这用10欧的变阻器代替。（3）单片机控制部分DDS的控制信息及键盘输入、液晶显示部分均由单片机控制。安排如下：DDS控制字通信及程序下载由P1口控制；键盘输入由P0口控制；LCD液晶显示部分由P2口控制（4）稳压电源部分设计本电源设计，制作了9V和5V的电源，采用78XX系列稳压芯片。（5）外围辅助部分电路设计GJ12864A-2是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形、字符显示,也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字.该模块共有20个引脚。如表1所示。表1GJ12864A-2引脚功能1234567-14151617181920GNDVDDVoD/IR/WED0-D7CSACSBRSTVoutBLABLK四、调试与测试过程1.测试过程电源部分测试：经测试能够产生符合要求的稳压电源；零点测试:最初两个二极管之间的电位不为零，通过调节滑动变阻器R5电位最终为零，减小交越失真。运放测试：通过调节变阻器能够有效地提高幅度，增大输出，功率放大能够实现输出功率放大。系统控制部分测试：本系统控制部分采用单片机控制，经测试它能产生方波，正弦波等波形，控制输出频率范围。72.结果分析测试数据如表2所示：表2功放测试数据f(HZ)Vi(V)Vo(V)Vo/Vi53.484.681.3451034.121.373503.765.041.3401003.765.041.3405003.885.21.3401k45.21.3005k4.165.521.32710k4.25.121.21950k4.25.441.295100k4.25.481.305200k4.365.721.312308k4.445.881.324500k4.485.921.321609k4.485.881.313704k4.445.841.315806k4.365.821.335909k4.285.721.3361M4.245.641.330从测试数据可以看出：信号频率从5Hz到1MHz可调，无论是1K还是50负载，输出电压均能较好地保持在5V电压左右。在液晶显示屏上，能显示信号类型、步进频率及工作频率等内容，较好地完成了设计任务。