现代电子系统设计课件第六章

第6章电子系统综合设计举例1.实用信号源的设计；2.正弦信号发生器的设计；3.脉冲信号发生器的设计；4.数据采集系统的设计。实用电子系统设计的一般步骤：1.审题2.方案选择与可行性论证3.单元设计、计算和元件选择4.系统的组装实现及调试6.1实用信号源的设计信号源是电子系统设计、测试、维修所必需的仪器。它的性能、指标、使用方法对于广大电子线路工作者的工作有着重大影响。因此，本节重点要求大家掌握信号源的组成并能够自己设计一个高指标的信号源。6.1.1审题分析该信号源的设计技术指标，基本上可以分解为以下5项：1.振荡部分技术要求（1）输出信号的频率：20Hz~20kHz（2）频率的稳定度不劣于10-52.频率调节和指示部分技术要求（1）输出信号的频率单位为Hz（2）输出信号的频率可预置（3）频率调节的步距为1Hz（4）用5位十进制数显示输出信号的频率3.输出波形部分技术要求（1）输出正弦波，要求非线性失真系数≤3％（2）输出三角波，要求波形为等腰三角形，波形的非线性系数≤2％（3）输出方波，要求①输出信号的上升时间和下降时间小于1μs②输出信号的平顶降落小于5％③占空比调节步距为2％④占空比调节范围为2％～98％4.输出信号幅度调节与指示部分技术要求（1）输出信号幅度的调节步距为0.1V，步进调节范围0.1～3.0V（2）用2位十进制数显示输出信号的峰峰值。5.输出电路部分技术要求（1）放大器的输出阻抗等于75Ω（2）输出信号峰峰值的最大值不小于3V通过以上分析，整个系统的原理框图可以表示如下：6.1.2方案论证6.1.2.1信号源频率稳定度振荡电路：RC移相振荡器、文氏电桥振荡器、高精度的V/F变换器、利用运放产生三角波方波信号、利用ICL8038产生信号、用频率合成方法产生可变频信号、利用DDS方法产生信号、利用单片机产生信号波形、利用数字比例乘法器CD4527产生可变频率信号等。频率合成器是能够产生大量与基准参考源有同样精度和稳定度的离散频率信号的振荡源。频率合成技术利用了锁相环电路产生振荡。6.1.2.2输出波形部分(1)应用集成函数发生器ICL8038产生方波、三角波、正弦波信号ICL8038有压控输入端，有外接振荡电容的引脚和可以调节方波占空比的输入端，可以输出方波、三角波和正弦波。ICL8038ICL8038振荡频率范围：0～300kHz，正弦波非线性失真系数小于0.5%。频率取决于④脚和⑤脚的电流和⑩脚对地的定时电容。当流入④脚和⑤脚的电流相等时，输出信号分别是占空比为50%的方波、等腰三角波和正弦波；当流入④脚和⑤脚的电流不等时，输出的波形成为非对称的方波、三角波和失真的正弦波。ICL8038改变⑩脚对地的定时电容可以实现振荡频率的粗调；在④脚和⑤脚接一个差分电路，改变差分电路的总电流可以实现振荡频率的细调，改变差分电路两个电流的比例可以改变方波的占空比。⑧脚压控输入端直接接⑦脚内部偏置输出端，使其不起作用。应用ICL8038输出波形方案应用ICL8038方案分析优点：波形由ICL8038产生，不必做其他的变换，外加的锁相环电路保证了信号的频率稳定度，所有的电路都在音频条件下工作，所以数字电路都可以用CMOS器件，可以大大降低电路的功耗。缺点：产生信号波形电路的结构相对来说略为复杂，由于有较多的模拟电路，调试比较麻烦，工作量大。本方案的致病弱点是鉴相器的工作频率大太低（1Hz），必然会大大增加频率变化时环路的锁定时间。因此本方案不是一个好的方案。（2）采用查表方法获得多种输出波形6.1.3方案细化6.1.3.1产生振荡信号的几种方案（1）以ICL8038集成函数发生器为核心产生振荡信号。（2）数字直接合成（DDS）方法产生振荡信号通过改变累加器的步进量实现频率的改变。（2）数字直接合成（DDS）方法产生振荡信号当输出信号的频率较高时，由于每周的节拍数减少，波形逐渐变得不精细。对于本题，系统时钟按200个采样点来算，信号周期，步进1Hz，,n=22。优点：保证输出信号的频率稳定性，可以方便地调节、预置频率，波形变换方便，频率和波形的切换响应快，无过渡过程，电路结构简单，工作稳定可靠。缺点：在输出信号频率较高时，方波信号的边沿会产生抖动。（3）锁相频率合成技术方案与DDS类似，采用查表方式，通过改变ROM地址产生器的时钟CP频率来改变输出信号的频率，而时钟信号来自锁相环路VCO的输出。鉴相器PD环路滤波器LFD/A压控振荡器VCO地址计数器（模200）分频器÷NROM（/M）AfVCO/NfVCOfO（3）锁相频率合成技术方案步进1Hz，fr=200Hz。fVCOmin=20×200=4kHz，fVCOmax=20k×200=4MHz，频率覆盖率为1000。若采用单片集成锁相环74HC4046，其VCO最高工作频率为30MHz，频率覆盖率为10，因此需将系统分成三个波段。（3）锁相频率合成技术方案VCO始终工作在频率0.4~4MHz（3）锁相频率合成技术方案优点：有稳定的频率、稳定的边沿，具有易预置、易调节的优点，控制和调节电路都是数字电路，工作稳定可靠。缺点：锁相环的锁相特性，环路滤波器既要保证有很好的滤波特性，又要求它能够使锁相环有很快的捕捉时间，电路的复杂程度中等。（4）用单片机产生信号波形用单片机产生信号波形的电路能够简化部分电路结构，但必须配有一定数量的辅助电路，频率的步进调节困难，难以实现本设计所提出的全部技术要求。（5）用数字比例乘法器CD4527产生振荡信号优点：产生信号波形电路结构简单，工作稳定可靠，很容易调试，成本很低。缺点：频率稳定度不满足要求，在工作频率与3、4、6、7、8、9有关时输出信号的相位会出现明显的跳动。6.1.3.2频率预置、步进调节与显示电路（1）频率预置与显示电路（1）频率预置与显示电路（1）频率预置与显示电路（2）频段选择电路（2）频段选择电路N2＝2000～20000N1＝200～2000N0＝20～200波段2产生频段选择控制信号10波段1产生频段选择控制信号01波段0产生频段选择控制信号00数字直接合成（DDS）方法频率预置、步进调节与显示电路方案讨论数码显示：5位频率、2位电压（数值+小数点控制=5×7=35）频率步进：215=3276820000（20~20kHz）频率预置：12位角度地址+6位波形地址=18位加法器运算位数：8位角度地址+15位频率调节8带锁相环的集成函数发生器ICL8038振荡电路频率预置、步进调节与显示电路方案6.1.3.3输出波形调节电路（1）应用集成锁相环74HC4046方案信号周期等分200，需8位地址；波形除正弦波、等腰三角波外，还需以2%步进，范围2%～98%占空比可调共51种方波，因此需6位波形控制地址；共14位的EPROM——27128。（2）带锁相环的集成函数发生器ICL8038方案用模拟开关进行波形切换，方波占空比调节用可逆计数器和D/A变换器通过差分电路电流分配进行调节。（3）数字直接合成（DDS）方法信号周期等分最大212，需12位地址；同方案（1）分析需6位波形控制地址；共需18位的EPROM——27C240A。6.1.3.4输出电路方案一：用电阻网络以多极衰减器的方式控制输出幅度特点：在常规的信号发生器中经常用到，但由于电阻元件数量较多，输出幅度的步进调节比较难实现，输出幅度与负载电阻关系密切，只有在阻抗完全匹配时输出信号与衰减量才有精确的比例关系。方案二：用调节输出放大器增益的方法调节输出幅度特点：比较容易实现数字方式的步进调节，输出信号的幅度与放大器的增益或与输入信号的幅度成正比，改变负载的大小，不会影响输出放大器的增益和输入信号的大小。方案三：用调节D/A变换器基准电压源或电流源的方式调节输出电压（在应用角度/幅度变换电路中有D/A变换器的场合）特点：同方案二类似，调节方便，电路简单。6.1.3.4输出电路方案四：在具有角度/幅度变换电路的方案中，用调节EPROM的输出数据的方法改变输出幅度特点：能够实现输出信号的幅度调节，但是为了保证输出信号在幅度较小时也能保持足够的精度，必须增加输出数据的字长，而且为了保证在0.1～3.0V范围内以0.1V为步距调节输出幅度，EPROM要额外增加5位调节幅度的地址位，这显然是不现实的。方案五：调节放大器输入信号的幅度，采用类似方案二的方法综上所述，比较理想的具体幅度步进调节功能的电路为第二种、第三种和第五种方法。第二种和第五种方法的主要缺点：模拟开关的导通电阻有温度系数，在不同的温度下，开关的导通电阻的变化会使放大器的增益发生变化。6.1.3.5输出幅度指示电路用取样保持电路采样输出信号，经A/D变换显示。最终的三种比较理想的系统方案:（1）用锁相环74HC4046作主振电路，用角度/幅度的波形变换，改变D/A变换器基准电压的方法调节输出电压的幅度（2）用集成函数发生器ICL8038作主振电路，用模拟开关切换波形，用改变差分电流调节方波占空比，用步进控制增益的方法调节输出信号幅度（3）用数字直接合成（DDS）方法获得所需信号的相位数据，用角度/幅度的波形变换，改变D/A变换器基准电压的方法调节输出电压的幅度6.2正弦信号发生器的设计（1）正弦波输出频率范围1kHZ～10MHz（2）具有频率设置功能，频率步进，步距100Hz（3）输出信号频率稳定度优于10-4（4）用示波器观察时无明显失真（5）采用DDS器件AD9850和PLD器件ispLSI1032E芯片设计实现6.2.1分析设计要求首先分析AD9850的性能参数是否能满足本设计的技术指标频率控制字32位，最高时钟125MHz，最小频率0.0291Hz，输出正弦波以1/4采样率最大频率31.25MHz，满足设计要求。6.2.2确定系统方案1.结构方框图2.芯片AD9850的三要素（1）时钟选择100MHz（2）输入频率字频率字32，相位字5，输入方式控制位2，断电/工作位1（3）输出连续正弦波内部10位D/A变换器输出模拟正弦波3.控制器功能（1）接受键盘输入初始化（复位），频率1kHz频率步进分增减100Hz、10kHz、1MHz共6档共需7个键盘按键（2）产生所需要的频率字40位的寄存器（3）控制AD985040个控制字分5次完成，需产生频率字载入时钟信号W_CLK、频率更新时钟信号FQ_UD（4）控制频率值显示输出频率范围1kHZ～10MHz，频率显示精度为1Hz，需8位数码管显示。由控制器ispLSI1032E实现控制。（5）频率范围溢出指标当用户设置的输出频率小于1kHz或超过10MHz时出现报警提示（红灯亮），正常绿灯亮。6.2.3方案流程图6.3脉冲信号发生器的设计脉冲重复周期T可用波段设置，为0.1μs，1μs，1ms三个波段，并有相应数字显示。第1波段：脉冲占空比在1/10～9/10之内，以10-1为步进单位可调。第2波段：脉冲占空比在1/100～99/100之内，以10-2为步进单位可调。第3波段：脉冲占空比在1/100000～99999/100000之内，以10-5为步进单位可调。如果设置的占空比大于1，显示错误。输出信号振幅为伏特级、边沿小于10ns。6.3.1方案论证6.3.1方案论证（1）模拟法原理比较简单，但控制精度要提高，实现比较困难。（2）查表法读写地址的产生要求较高，外围电路比较复杂。（3）脉冲计数法脉冲计数法控制精度较高。6.3.2脉冲信号发生器硬件设计6.3.2.1脉冲信号发生器的总体设计6.3.2.2脉冲信号发生器单元电路的设计6.4数据采集系统的设计数据采集系统将模拟量（例如温度、压力、位移、语音、图像等）变成数字量，然后经计算机进行适当的处理后，再配以显示、记录等功能。在实际应用中，数据采集常常和工业控制联系在一起，形成一套完整的数据采集监控系统。数据采集系统分为硬件和软件两个部分，软件通过硬