函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計報告

本系統(tǒng)基于直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，系統(tǒng)以Luminary Micro公司的Stellaris系列的ARM1138為控制核心平臺，配合DAC電路，設(shè)計了完成了低頻三相函數(shù)信號發(fā)生器，頻率范圍100Hz~20KHz，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-5-，最小步進(jìn)1Hz，頻率精度優(yōu)于0.1%。采用NE5532的功放電路使得10kΩ負(fù)載上的電壓峰-峰值Vopp≥10V。利用DDS原理同時產(chǎn)生FM調(diào)制波形及占空比可控、頻率可預(yù)置、步進(jìn)為1Hz的矩形波波形。通過把數(shù)據(jù)寫入24C04可以實現(xiàn)掉電保護(hù)功能。經(jīng)實際測測試完成了題目要求的全部功能和指標(biāo)。

方案一：采用DDS專用芯片AD9850作為信號產(chǎn)生模塊，以單片機(jī)為系統(tǒng)的控制核心。該方案具有頻譜純度高、集成度高等特點。由于AD9850自帶32位相位累加的數(shù)控振蕩器，會產(chǎn)生低噪聲、高穩(wěn)定的頻率輸出波形。但它只直接提供了實現(xiàn)多種數(shù)字調(diào)制的功能，像二進(jìn)制PSK、二進(jìn)制FSK，這類調(diào)制方式實現(xiàn)起來比較簡單，二要實現(xiàn)模擬線性調(diào)制FM具有一定的難度。故此方案也不采用。

方案二：采用基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成，并以FPGA作為整個系統(tǒng)的信號產(chǎn)生和控制中心�；�于FPGA的直接數(shù)字頻率合成其組成框圖如圖1-1。直接數(shù)字頻率合成(DDS)，具有頻率切換速度快，頻率分辨率高、可編程全數(shù)字化、相位連續(xù)、轉(zhuǎn)換速度高、控制方便且有輸出任意波形的能力等優(yōu)點。用FPGA實現(xiàn)DDS技術(shù)比較靈活，可以產(chǎn)生多種調(diào)制方式，多種組合方式。采用此方案把重心放在了FPGA設(shè)計上，增加了FPGA部分程序的量，鑒于分工關(guān)系，放棄此方案。

圖1-1 基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成

              方案三：采用基于DDS專用芯片AD9850作為信號產(chǎn)生模塊，并以基于ARM7的微控制器ARM1138作為整個系統(tǒng)的控制核心。在ARM1138中嵌入UCOSII操作系統(tǒng)方便實現(xiàn)多任務(wù)處理。例如波形轉(zhuǎn)換，頻率調(diào)節(jié)，幅值調(diào)節(jié)，12864顯示，I2C掉電保護(hù)等。本方案融合了如方案一頻率合成的優(yōu)點，并能發(fā)揮ARM控制器強(qiáng)大的系統(tǒng)管理能力。同時可利于分工合作，以最快的時間完成題目的所有要求。此方案比較靈活、可擴(kuò)展性好，能完全達(dá)到設(shè)計要求，故采用此方案。

ARM微控制器從鍵盤獲得控制信息，通過計算得到控制字并通過IO口送給DDS的頻率和相位的控制端口，同時，將信息顯示在LCD上。DDS輸出信號由程序控制其預(yù)置頻率和相位的正弦信號或方波信號，再通過放大倍數(shù)可調(diào)的運(yùn)算放大系統(tǒng)來控制調(diào)幅。三角波則由方波信號經(jīng)過一級方大后通過積分電路獲得。掉電保護(hù)功能則由ARM1138內(nèi)部AD把數(shù)據(jù)讀回再通過I2C寫入24C04來完成。結(jié)構(gòu)圖如圖2-1。

相位累加器由Ｎ位加法器與Ｎ位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。 每來一個時鐘脈沖ｆｓ，加法器將頻率控制字ｋ與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。 由此可以看出， 相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是ＤＤＳ輸出的信號頻率。 用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器（ＲＯＭ）的相位取樣地址，這樣就可把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值 （二進(jìn)制編碼） 經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲器的輸出送到Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器，Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。 ＤＤＳ在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、高分辨力、相位連續(xù)性、 正交輸出以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源的性能。

DDS原理有以下特點：

（１）輸出頻率相對帶寬較寬

    輸出頻率帶寬為５０％ｆs（理論值）。但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計難度以及對輸出信號雜散的抑制， 實際的輸出頻率帶寬仍能達(dá)到４０％ｆs。  

（２）頻率轉(zhuǎn)換時間短

ＤＤＳ是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)使得ＤＤＳ的頻率轉(zhuǎn)換時間極短。事實上，在ＤＤＳ的頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個時鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。因此，頻率轉(zhuǎn)換的時間等于頻率控制字的傳輸時間，也就是一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時間越短。ＤＤＳ的頻率轉(zhuǎn)換時間可達(dá)納秒數(shù)量級，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個數(shù)量級。   

（３）頻率分辨率極高

若時鐘ｆs 的頻率不變，ＤＤＳ的頻率分辨率就由相位累加器的位數(shù)Ｎ決定。 只要增加相位累加器的位數(shù)Ｎ即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數(shù)ＤＤＳ的分辨率在１Ｈｚ數(shù)量級，許多小于１ｍＨｚ甚至更小。   

（４）相位變化連續(xù)

改變ＤＤＳ輸出頻率，實際上改變的每一個時鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號相位的連續(xù)性。

（５）輸出波形的靈活性

只要在ＤＤＳ內(nèi)部加上相應(yīng)控制如調(diào)頻控制ＦＭ、 調(diào)相控制ＰＭ和調(diào)幅控制ＡＭ，即可以方便靈活地實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，產(chǎn)生ＦＳＫ、ＰＳＫ、ＡＳＫ和ＭＳＫ等信號。另外，只要在ＤＤＳ的波形存儲器存放不同波形數(shù)據(jù)， 就可以實現(xiàn)各種波形輸出， 如三角波、鋸齒波和矩形波甚至是任意的波形。當(dāng)ＤＤＳ的波形存儲器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時，既可得到正交的兩路輸出。

分析計算

假設(shè)時鐘為2MHz，數(shù)據(jù)保持寄存器選擇N Bit，在時鐘驅(qū)動下，累加器輸出結(jié)果S被反饋到累加器輸入端B，B和A的數(shù)據(jù)被累加到S，下一個時鐘脈沖又將S反饋到B，再次與A累加到S，下一個時鐘脈沖又將S反饋到B，如此循環(huán)累加，實現(xiàn)按步進(jìn)值，按時鐘節(jié)拍循環(huán)累加，使得N Bit數(shù)據(jù)被徐循環(huán)累加，產(chǎn)生循環(huán)掃描的地址碼0～64（高6 Bit）。完成一次地址循環(huán)需要的時間由時鐘和步進(jìn)值決定，可以由公式計算：

一次地址循環(huán)可以輸出一個完整的波形，既T就是輸出波形的周期，轉(zhuǎn)換成頻率，得到計算公式：

，  

當(dāng)晶振（2M）和計數(shù)器Bit數(shù)N確定之后，既與步進(jìn)值A(chǔ)成正比，對A的調(diào)整可以完成對的設(shè)定，當(dāng)N足夠大時，比例常數(shù)可以很小，例如0.01，既等于A的0.01倍，這樣就可以實現(xiàn)對的精細(xì)調(diào)整，譬如0.01Hz。

其中m為相位累加器的位數(shù)，F(xiàn)TW為頻率控制字，為時鐘頻率，輸出信號頻率主要取決于頻率控制字FTW.當(dāng)N增大時， 可以不斷增加，

由DDS原理，AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制。1位用于電源休眠（Power down）控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到AD9850，圖4是控制字并行輸入的控制時序圖，在并行裝入方式中，通過8位總線A0…D7將可數(shù)據(jù)輸入到寄存器，在重復(fù)5次之后再在FQ-UD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器（更新DDS輸出頻率和相位），同時把地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器。接著在W-CLK的上升沿裝入8位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個輸入寄存器，連續(xù)5個W-CLK上升沿后，W-CLK的邊沿就不再起作用，直到復(fù)位信號或FQ-UD上升沿把地址指針復(fù)位到第一個寄存器。在串行輸入方式，W-CLK上升沿把25引腳的一位數(shù)據(jù)串行移入，當(dāng)移動40位后，用一個FQ-UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。圖2-3是相應(yīng)的控制字串行輸入的控制時序圖。

DDS電路實現(xiàn)原理圖如圖2-4所示：

2.4方波模塊實現(xiàn)原理

    AD9850可以產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制且穩(wěn)定性很好的模擬正弦波，這個正弦波能夠直接作為基準(zhǔn)信號源，或通過其內(nèi)部高速比較器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)方波輸出，直接產(chǎn)生方波，這個是DDS合成的最大優(yōu)點。

由矩形波放大后經(jīng)積分電路轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。由于積分電容的影響，輸出的三角波有失真，所以使用一個四位拔碼開關(guān)，選取不同的積分電容，選取不同的頻率范圍。 積分模塊原理：在本設(shè)計電路中，三角波是通過反向積分器對方波的積分產(chǎn)生。積分器的設(shè)計就是選擇集成運(yùn)算放大器和計算確定外電路的元件參數(shù)。應(yīng)注意到設(shè)計積分電路還應(yīng)考慮的問題是怎樣減小積分漂移來減小積分誤差。

（1）集成運(yùn)放的選擇:在本設(shè)計中，集成運(yùn)放選用NE5532，因其有較小的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流，且開環(huán)增益和帶寬足夠。

（2）電路元件參數(shù)的確定和電路原理圖如圖2-5所示:

、信號輸入端接入一耦合電容，大小為10uF；

、如圖（1）所示，左邊的NE5532為運(yùn)算放大電路，先將方波的V-PP放大到20V再進(jìn)行積分，放大倍數(shù)計算為A=R2/R1。R3為靜態(tài)平衡電阻，用以補(bǔ)償偏置電流所產(chǎn)生的失調(diào)。R4為積分漂移泄放電阻，用以防止積分漂移所造成的積分飽和或截止現(xiàn)象，但是，增加R4后，由于R4對電容的分流作用，會產(chǎn)生新的積分誤差，所以應(yīng)使R4>>RC,一般選擇R4=10R3。

、積分時間常數(shù)て的確定：積分設(shè)計常數(shù)て是決定積分器工作速度的主要參數(shù)，て越小工作速度越高。但由于集成運(yùn)放的最大輸出電壓為有限值，是不允許將時間常數(shù)選得太小。如果集成運(yùn)放的最大輸出電壓為Vom，方波電壓幅值為E，則：て的值必須滿足

即   

若て太大，積分器的輸出就小；て太小集成運(yùn)放的輸出就飽和。而且て的選擇與信號頻率有關(guān)，頻率越低，時間常數(shù)就應(yīng)越大。

、積分電容的確定：て確定后，根據(jù)て=RC，則可得出積分電容的大小。一方面，增大輸入電阻R可以減小積分電容，但這又會加劇積分漂移；另一方面，積分電容越大漏電也會增大，使積分誤差增大。所以在選擇時應(yīng)對其進(jìn)行綜合考慮。

經(jīng)計算和實驗，本設(shè)計要求的頻率范圍從100Hz—20KHz的方波積分成三角波只需要一個105和一個273的兩種不同的瓷片電容即可達(dá)到。此裝置再換上不同的電容輸出的三角波頻率范圍可達(dá)10HZ到1MHZ。

由于AD9850輸出的正弦信號只有固定幅值，無法滿足幅值可調(diào)因此利用可編程放大器實現(xiàn)幅值控制但這種方法只能實現(xiàn)倍數(shù)調(diào)節(jié)，而無法實現(xiàn)高精度連續(xù)調(diào)節(jié)本設(shè)計正弦幅值控制要求必須連續(xù)可調(diào)，要高精度，X9511數(shù)字電位器的特點是只要按下向上按輸入（PU）和向下按輸入（PD）即可實現(xiàn)電阻可調(diào)，其原理圖如2-6所示：

因此，我們采用了數(shù)字電位器X9511，外加兩個按鍵進(jìn)行電阻的輸出可調(diào)，改變放大器的反饋電阻，從而達(dá)到改變放大倍數(shù)，即實現(xiàn)了幅值可調(diào)。其電路原理圖如圖2-7所示：

本次設(shè)計的顯示我們用的是12864液晶，12864液晶相對于1602液晶顯示的內(nèi)容要豐富得多，顯示的信息量大，切換全部用微動開關(guān)作按鍵來完成。液晶自帶字庫，顯示漢字和符號方便。該液晶屏能顯示4行字符，每行顯示8個漢字或者16個英文字符，顯示的信息量已經(jīng)足夠。它的接口有20根線，有串行控制和并行控制兩種驅(qū)動方式，在這里使用串行控制，以節(jié)省IO口，圖2-8為液晶接口電路。圖中的R1為液晶顯示對比度的調(diào)節(jié)電阻，典型值為10K，液晶選用3線串口驅(qū)動，這樣的好處是減少IO口的使用，這3跟線分別為時鐘線（12864_CLK）、片選線（12864_CS）、數(shù)據(jù)線（12864_DATA）。

本次我們用了5個按鍵控制，KEY1是選擇波形型號，KEY2選擇頻率遞增，KEY3選擇頻率遞減，KEY4選擇幅值遞增，KEY5選擇幅值遞減。詳細(xì)見程序流程圖控制。

本次軟件設(shè)計流程如圖3-1所示：程序初始化后進(jìn)入初始界面，再判斷KEY1是否被按下，按下KEY1是選擇波形型號，按下KEY2選擇頻率遞增，按下KEY3選擇頻率遞減，按下KEY4選擇幅值遞增，按下KEY5選擇幅值遞減。本設(shè)計最大的優(yōu)點就是能實現(xiàn)掉電保護(hù)，實時保存數(shù)據(jù)，防止電壓過低或者突然斷電造成的數(shù)據(jù)丟失。

    由實驗調(diào)試結(jié)果及測試結(jié)果，該函數(shù)信號發(fā)生器達(dá)到了題目的所有指示要求，在選擇波形與調(diào)節(jié)幅度頻率試時采用LCD人機(jī)交互界面，界面友好方便，具有直觀性。

本次設(shè)計的低頻三相信號源，主要運(yùn)用了DDS基本原理，利用ARM1138作為仿真測試和實際測量（測量結(jié)果見上表）符合題目給定的基本要求。