任意波形发生器的设计(改)

课程设计任务书学生姓名：侯康专业班级：电子科学与技术0802班指导教师：梁小宇工作单位：信息工程学院题目:任意波形发生器的设计初始条件：本设计既可以使用集成计数器、存储器、D/A转换器、运放、555定时器、必要的门电路等；电阻、电容、二极管、开关等分立元件若干。本设计也可以使用单片机系统构建任意波形发生器。自行设计所需电源。要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：1周。2、技术要求：①可产生三种以上波形，如：三角波，方波和正弦波，由开关进行切换选择。②波形数据存放于EPROM中。③可通过改变CP信号的周期改变输出波形的频率，频率范围：100~9999Hz。④产生的波形信号幅值：0.5~5V。⑤确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：1、2010年6月25日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。2、2010年6月26日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。2、2010年6月27日至2010年6月30日，方案选择和电路设计。2、2010年6月30日至2010年7月1日，电路调试和设计说明书撰写。3、2010年7月2日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。课设答疑地点：鉴主13楼电子科学与技术实验室。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要...........................................................IAbstract......................................................II1.绪论........................................................12.设计内容及要求...............................................22.1设计任务及目的...........................................22.1.1设计目的............................................22.2.2设计内容及技术要求.................................22.2设计思想及方案选择......................................23.设计原理及单元模块设计.......................................43.1设计原理及方法..........................................43.2单元模块设计............................................43.2.1MCU微控制器........................................43.2.2LCD显示器..........................................53.3.3键盘电路...........................................53.3.4DDS波形产生电路....................................63.3.5功率放大电路.......................................84.程序设计.....................................................85.总结.........................................................9参考文献：....................................................10附录I：整体电路原理图.........................................11附录II：C语言源程序............................错误!未定义书签。武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书I摘要函数信号发生器在生产、科研中使用十分广泛，低成本、高实用性的函数信号发生器因而显得非常重要，本文介绍了如何使用TI公司的MSP430系列低功耗16位单片机结合DDS数字信号合成技术设计任意函数发生器的方法。本设计实现了任意函数发生器的基本功能，能产生从100Hz到10KHz的正弦波、方波、三角波，可以10Hz为单位步进，线性度高、波形失真小。由于MSP430单片机的使用使得系统的功耗大大降低，更适合做成便携式产品；液晶显示屏的引入也使得人机交互性得以增强。关键词：MSP430DDS任意函数发生器武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书IIAbstractFunctionsignalgeneratorintheproduction,scientificresearchiswidelyused,low-cost,high-availabilityfunctionsignalgeneratorwhichisveryimportant,thisarticledescribeshowtouseTI'sMSP430familyoflow-power16-bitmicrocomputerwithdigitalsignalsynthesisDDStechnicaldesignmethodofanarbitraryfunctiongenerator.Thisdesignimplementsthebasicfunctionsofanarbitraryfunctiongeneratorcanproducefrom100Hzto10KHzsinewave,squarewave,trianglewave,10Hzunitcanstep,linearandwaveformdistortion.MSP430microcontrollerastheuseofgreatlyreducedpowerconsumptionmakesthesystemmoresuitableforportableproductsmadeof;LCDdisplaymakestheintroductionofhuman-computerinteractioncanbeenhanced.Keywords:MSP430DDSArbitraryFunctionGenerator武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书11.绪论函数发生器的设计发展至今经历了模拟集成电路、混合集成电路、数字集成电路、DDS数字合成等几个阶段，其中DDS数字波形合成技术如今已经得到了非常广泛的应用，信号源中采用DDS技术在当前的测试测量行业已经逐渐称为一种主流的做法。DDS是直接数字式频率合成器（DirectDigitalSynthesizer）的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。DDS主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。DDS技术有着不同与其他波形合成技术的很多有点：1)频率分辨率高，输出频点多，可达N个频点(N为相位累加器位数)2)频率切换速度快，可达us量级3)频率切换时相位连续4)可以输出宽带正交信号5)输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用6)可以产生任意波形7)全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻正因为有如此多的优点，它在各个领域都得到了十分广泛的应用。武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书22.设计内容及要求2.1设计任务及目的2.1.1设计目的1)根据实验要求完成任意函数发生器的设计2)熟悉Protel99se的应用2.2.2设计内容及技术要求①可产生三种以上波形，如：三角波，方波和正弦波，由开关进行切换选择②波形数据存放于EPROM中③可通过改变CP信号的周期改变输出波形的频率，频率范围：100-9999Hz④产生的波形信号幅值：0.5-5V⑤确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理2.2设计思想及方案选择根据以上的设计内容及技术要求，我们可以采用多种方法来实现，现将个方案对比如下：A.利用RC双桥构成选频网络，与运算放大器组成正反馈，利用运算放大器的自激振荡产生的噪声放大后或得所需的正弦波信号，经过电压比较器产生方波，经过积分电路产生三角波，其产生波形信号的频率由RC双桥选频网络决定，频率理论值为12fRC，可以通过调节R或C的值来改变（通常是改变R）。该方案虽然能基本满足实验的要求，但由于R、C的自身特性决定了它只能产生低频信号（低于10KHz），且波形失真严重，无法实现信号的等经度步进，因而我们没有采用本设计方案。图2-2-1RC正弦波振荡器武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书3B.利用MAXIM公司生产的高频函数发生器芯片MAX038直接产生任意波形。MAX038在+2.5V供电的情况下可产生0.1Hz-20MHz的任意波形，使用十分方便，大大减小了设计的复杂性。MAX038产生的波形信号频率由其参考电阻和参考电容决定，22.5inFfVRC，但是即使MAX038有着如此多的优点，可它高昂的价格仍然使得很多人望而却步，同时由于MAX038输出波形的频率也是通过电阻和电容值的大小的改变来调节，因而同样存在着较大的误差和波形漂移，故我们也没有选择此方案。图2-2-2MAX038原理图C.利用现代先进的DDS数字波形合成技术可以产生任意波形，DDS波形输出框图大致如下：图2-2-3DDS输出波形框图考虑到DDS的众多优点，它很好的满足了本设计的要求及任务，因而我们选择了DDS作为本设计的武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书4波形产生电路的核心部分。3.设计原理及单元模块设计3.1设计原理及方法根据层次化设计理论，本设计可分为MCU微控制器、键盘、LCD显示、波形产生电路和功率放大电路几部分组成，其系统框图如下：LCD液晶显示器MCU微控制器键盘波形产生电路功率放大电路图3-1-1任意函数发生器系统框图3.2单元模块设计3.2.1MCU微控制器本设计主控制器采用了TI公司的超低功耗单片机MSP430F169，最高工作频率8MHz，单周期指令，16位RISC设计，并且内置AD和DA，极大的简化了本任意函数发生器的设计难度，同时由于MSP430单片机的多时钟源选择及多种低功耗模式的使用让本设计的功耗降到了最低，大大增强了它的便携性，其原理图如下：武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书5图3-2-1-1MSP430原理图3.2.2LCD显示器本设计采用了LCM1602字符型液晶屏，使得系统的人机相互性能得到了很大的增强。3.3.3键盘电路本设计出于提高人机交互的考虑，设计了4位独立键盘，分别控制波形输出类型和输出波形的频率大小，其原理图如下：武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书6图3-3-3-1键盘原理图3.3.4DDS波形产生电路波形产生电路是本设计中的除MCU控制电路的又一极其重要的部分，考虑到本任意波形发生器的设计要求，我们直接使用了MSP430F169的