任意波形发生器.

“美亚光电“杯安徽省首届大学生电子设计竞赛设计报告书作品名称：参赛学校：参赛成员：任意波形发生器（A题）合肥学院周海波刘亚军高超-2-任意波形发生器摘要本系统的设计综合了EDA技术和单片机技术的二者之所长，实现了二者在性能、功能以及资源上的良好结合，整个系统可简略分为波形产生模块、单片机控制模块、LCD显示、键盘、幅度控制模块等功能模块。采用直接数字频率合成（DDFS）技术，通过软件对其波形进行控制，实现多种波形的输出及组合。该系统可实现的频率范围宽、幅度和频率精度高，并且实现电路简单，结构较优，利用液晶显示屏实现了良好的中文人机交互界面。Abstract:ThedesignofthissystemsynthesizedtheadvantagesofEDAtechnologyandMicrocontrollertechnology,andit……Thewholesystemismadeupofthepartofwaveproducer,thecontrollerofmicrocontroller,thedisplaypartofLCD,thekeyboardandthecontrollerofrangeandfrequency.ThesystemadoptsthemethodofDirectDigitalFrequencySynthesis(DDFS),whosewaveiscontrolledthroughsoftware.Afewkindsofwavesandtheircombinationscanbeproduced.Wecangetwideandaccuratefrequencyandhighrange.Atthesametime,thissystemhaslesssamplecircuitandbetterstructure.TheLCDthatweusedcanprovideusveryclearmenuwhenwecommunicatewiththemachine.-3-目录一、方案论证与比较..........................................................................................................-4-1．波形产生及频率合成模块....................................................................................-4-2．幅度控制模块........................................................................................................-5-3．显示模块................................................................................................................-5-4．波形存储模块........................................................................................................-6-二、原理分析......................................................................................................................-6-1．DDS原理...............................................................................................................-6-2．基本算法................................................................................................................-7-3．误差分析................................................................................................................-7-4．DDFS的特点.........................................................................................................-8-三、系统设计......................................................................................................................-8-四、方案实现....................................................................................................................-10-1．波形产生..............................................................................................................-10-2．频率控制..............................................................................................................-11-3．幅度控制..............................................................................................................-13-4．液晶显示、键盘输入..........................................................................................-13-5．波形存储..............................................................................................................-13-6．功率放大电路......................................................................................................-14-五、软件系统设计............................................................................................................-15-程序设计流程图........................................................................................................-15-六、结果测量及分析........................................................................................................-16-1．基本波形测试......................................................................................................-16-2．波形编辑测试......................................................................................................-17-3．波形存储测试......................................................................................................-17-七、功能实现....................................................................................................................-17-八、总结............................................................................................................................-18--4-一、方案论证与比较1．波形产生及频率合成模块方案1：采用传统的模拟振荡电路的方法。如产生正弦波可采用模拟分立元件RC或LC振荡器，但其产生的信号的频率精度低，稳定度和抗干扰能力差，成本也比较高，外围电路复杂，且易受外界干扰，硬件调试困难，不便程控。而且对于题目发挥部分所要求的最高频率200kHz的要求，不容易满足，实现的性能指标不理想。方案2：采用专用集成芯片。专用集成波形发生芯片ICL8038能够产生方波、正弦波、三角波等多种常规波形，频率变化范围可达0.01Hz——300kHz，占空比达2%——98%，该芯片具有良好的性能，与外围电路配合调试后可以达到本题目的要求。但是采用该方法所需要的外围电路模块较多，且较为复杂，不利于控制和问题的检查。方案3：采用纯单片机的方法。利用单片机编成的发式可以产生多种波形，开发简易。而且由于是数字量，容易受用户的控制。但是单片机速度有限，产生的波形频率较低，难以达到题目的要求。方案4：利用FPGA采用直接数字式频率合成器（DirectDigitalFrequencySynthesis，简称DDS或DDFS）的方式。在FPGA中定义Rom空间用来存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求以频率控制字为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内部的波形数据，经D/A转换和幅度控制，再滤波即可得到所需的波形（如图1-1-1所示）。DDFS具有相对带宽很宽，频率转换时间极短（可小于20nS），频率分辨率可以做到很高等优点；另外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，而且理论上可以实现任意波形，能够比较全面的满足题目的要求。图1-1-1：波形产生原理参考频率源相位累加器波形存储器数模转换器频率控制字-5-2．幅度控制模块方案1：幅度控制有数控电位器组成的电阻分压网络组成，但是数控电位器的分档数目较少，难以满足题目幅度0.1V步进的要求。同时电路连接比较复杂，电路庞大。方案2：利用FPGA的高速计算功能，采用高效算法对波形进行全数字处理，但内部RAM有限字长效应，会造成波形具有一定的失真，不过经过滤波电路后会对波形进行一定的校正。方案3：幅度由DAC0832控制，利用其内部的电阻分压网络，将其作为数控电位器使用（原理见图1-2-1）。系统板产生的波形作为DAC0832的参考电压源输入，其输出波形幅度将为V=（N/1024）×Vin，其中N为单片机输入的幅度控制字。从方案的实现上来看，第二种方案和第三种方案都是不错的方法，但由于我们对该算法