双路低频信号发生及分析仪的设计制作(E题)

I双路低频信号发生及分析仪的设计制作（E题）中国石油大学(华东)孟庆平肖渤涛秦炳坤专家点评：该作品采用SiliconLabs公司的C8051F120作为主控制器，由信号发生、信号整形放大、信号叠加、信号分析、LCD显示、键盘等模块组成。以单片机为核心，可产生两路均可独立程控选择参数的正弦波、矩形波、三角波和锯齿波信号，并应用相应电路对输出信号进行放大整形与合成；利用FFT算法对合成后的信号进行频域分析，并可以绘制信号频谱图，通过LED液晶显示；系统稳定性好，精度较高，频谱纯净。论文方案论证充分，理论分析与计算正确，测试方案合理，测试结果可信。设计报告规范性方面还需进一步提高。烟台大学光电信息学院王中训教授摘要本系统采用SiliconLabs公司的C8051F120作为主控制器，由信号发生、信号整形放大、信号叠加、信号分析、LCD显示、键盘等模块组成。以单片机为核心，可产生两路均可独立程控选择参数的正弦波、矩形波、三角波和锯齿波信号，并应用相应电路对输出信号进行放大整形与合成；利用FFT算法对合成后的信号进行频域分析，并可以绘制信号频谱图，通过LED液晶显示；系统稳定性好，精度较高，频谱纯净。关键字：信号发生C8650F120信号合成FFT算法频域分析II目录1系统方案.....................................................................................................................11.1信号发生模块的论证与选择...........................................................................11.2信号整形发达模块的论证与选择..................................................................11.3显示模块的论证与选择..................................................................................12系统理论分析与计算.................................................................................................12.1信号参数设定原理的分析............................................................................12.1.1频率的设定.............................................................................................12.1.2双路同频正弦信号相位差的设定.........................................................12.1.3方波占空比的设定................................................................................22.1.4信号幅度的设定....................................................................................22.2FFT算法的分析和计算................................................................................22.2.1FFT算法原理.........................................................................................22.2.2采样频率的确定....................................................................................33电路与程序设计.........................................................................................................43.1电路的设计.......................................................................................................43.1.1系统总体框图.........................................................................................43.1.2信号产生与整形子系统框图与电路原理图........................................43.1.3信号叠加与分析子系统框图与电路原理图........................................53.1.4电源.........................................................................................................53.2程序的设计.......................................................................................................53.2.1程序功能描述.........................................................................................53.2.2程序流程图.............................................................................................54测试方案与测试结果.................................................................................................54.1测试条件与仪器..............................................................................................54.2测试结果及分析..............................................................................................54.2.1测试结果(数据)......................................................................................64.2.2测试分析与结论.....................................................................................6附录1：电路原理图.....................................................................................................711系统方案本系统主要由信号产生与整形和信号叠加与分析两个子系统构成，其中信号产生与整形子系统包括信号发生模块、信号整形放大模块；信号叠加与分析子系统包括信号叠加模块、信号分析（分析仪）模块；另外还有独立的显示模块、键盘模块、电源模块等，下面分别论证几个模块的选择。1.1信号发生模块的论证与选择方案一：采用基本模拟电路产生，比如LC振荡电路，施密特触发器等。此方案，电路复杂，并且难以达到高精度的程控调节，并且稳定度不高。方案二：采用DDS芯片。DDS以Nyquist时域采样定理为基础在时域内进行频率合成，其频率可以实现程控，电路易实现，可以直接打到题目要求精度，包括频率和步进值。但是题目在要求中提出作品中不得使用集成DDS芯片，故排除此方案。方案三：使用C8051F120单片机，运用DDS基本原理，通过编程计算并建立波形查找表，存入数组中，然后通过C8052F120单片机进行寻址查表输出波形的数据，再经过D/A转换，滤波即可恢复原波形。此方案产生的波形比较稳定，电路易实现，频谱清楚，幅度恒定，失真小且控制方便。综合以上三种方案，选择方案三。1.2信号整形放大模块的论证与选择方案一：比例放大电路。此方案电路简单，信号放大后较为稳定，失真小，但不易调节信号放大参数。方案二：程控电位器调节放大。技术成熟，稳定性好，精度高，可以实现精确调节信号放大的参数，并且易于用单片机进行参数控制。方案三：比例放大电路与程控电位器组合为程控信号放大电路。综合以上三种方案，选择方案三。1.3显示模块的论证与选择方案一：采用普通LED。优点是元器件价格低廉，而且外围电路简单。但扫描要占用大量I/O口资源，还增大了单片机的运算开销，显示信息也不够丰富。方案二：采用LCD液晶显示。优点是显示信息非常丰富，可以形象显示选项菜单和信号频谱图。占用I/O口资源较少，不需要循环扫描节省了大量程序开销。综合系统及拓展要求，本作品采用方案二LCD液晶显示。2系统理论分析与计算2.1信号参数设定原理的分析2.1.1频率的设定信号生成采用DDS基本原理,在单片机内部通过编程计算建立了波形查找表，对于系统要求信号每个周期保存固定72个点供寻址，寻址操作是由C8051F120单片机内部定时器控制。通过改变定时器溢出时间就可以实现输出信号频率在1000HZ~2000HZ范围内变化。2.1.2双路同频正弦信号相位差的设定由于输出信号的每个周期数据包含72个点，由360/72=5得寻址每移动一个点，正弦信号相位改变5度。因此可以设置两路输出的地址相差合适点数，就可实现双路同频正弦信号相位差（0度~360度）的变化。22.1.3方波占空比的设定对于方波则采用每个周期使用100个点，通过改变置高电平与置低电平的点数不同，实现占空比在1%~99%范围内变化。2.1.4信号幅度设定信号幅度调节较为简单，直接使用比例运算电路与程控电位器组成的整形电路，调节幅值。2.2FFT算法的分析和计算2.2.1FFT算法原理快速傅立叶变换（FFT）技术是信号处理技术中最为重要的基础之一，为数字信号处理的一个强有力的工具。本实验采用基-2FFT算法，对合成后信号进行频域分析。其原理如下：将x(n)按n为奇偶分解成两个子序列，当n为偶数时，令n=2r；当n为奇数时，令n=2r+l；可得到12(2)(),(21)(),0,...,12Nxrxrxrxrr则其DFT可写成11222(21)00()(2)(21)NNrkrkNNrrXkxrWxrW11222(21)1200()()NNrkrkNNrrxrWxrW1122/2/200(2)(21)NNrkrkNNrrxrWxrW12()()kNXkWXk1()Xk和2()Xk均分别是N/2点序列1()xn和2()xn的DFT，而且r与k的取值满足0,1,…,N/2-1。而X(k)是一个N点的DFT，因此上式只计算了X(k)的前N/2的值。由DFT和nkNW的性质可得到X(k)的后N/2的值为