波形发生器设计报告.doc

波形发生器设计报告作者:唐吉卓蒲文朱煜鹏 2008 年 11月 12日波形发生器设计报告作者:唐吉卓蒲文朱煜鹏摘要:本系统由开关电源、单片机控制模块、键盘、显示屏、波形转换模块、缓冲电路和其他相关部分组成。我们采用单片机经过 DA 产生频率、幅度、占空比均可变的方波信号,经波形转换电路形成三角波和正弦波。该系统可达到三种波形的程序控制,控制灵活性高,可用性强。一、方案论证与比较 1. 常用信号源制作方法方案一:采用模拟分立元件和单片函数发生器可以产生频率范围足够宽的正弦波、方波和三角波,该种方式受外部电路影响较大,更为重要的是,这种方式被本次竞赛明文禁止。方案二:采用锁相式频率合成方案。该种方式需要一个高精度和高稳定度的标准频率,经过信号运算可以产生大量离散的频率。但是频率受 VCO 可变频率的影响较大。方案三:采用 FPGA 和 DAC ,使用直接数字频率合成技术可合成任意波形, 但这种方式和本次比赛要求不太相符,且成本较高。方案四:采用纯模拟元件搭建信号源,该种方式受模拟器件影响较大,设计和调试难度较大,且灵活性和可扩展性不强。方案五:使用单片机辅助波形产生方式,产生要求频率范围内的而且幅度和占空比可变的方波,再经过波形转换电路转换成需要的波形。 2. 方案论证结合本次比赛实际情况和各种方案的特点,我们决定采用第四种方案。(1) 方波产生该部分采用 MSP430F247 微控制器和 DAC2900 作为主要器件, MSP430F24 7 是 TI 公司的新型高性能微控制器, DAC2900 是 TI 公司的双通道 10位高速 DAC 。使用微控制器内部 DCO 作为时钟源,可以产生大约 20M 的主系统频率,考虑单片机内部资源开销和相关指令的 CPU 占用情况,结合实际实验结果,我们发现在可以接受的步进范围内,这种方式能产生够达到设计要求的 100k 方波,结合高性能 DAC ,我们可以获得频率、幅度、占空比在要求范围内可以调节的方波。(2) 波形变换设计要求同时产生正弦波和三角波,因此我们要对波形进行变换。方波变三角波部分, 我们采用常用的运放积分电路,运放采用高速运放 LF256 ,积分电容采用 103 的涤纶电容,经过另外一块电容耦合输出到正弦波变换部分。正弦波变换部分我们采用对带宽不太敏感的“折线法”将三角波逐次逼近为正弦波,经过变换的正弦波峰峰值比输入的三角波小,还考虑到其他因素影响, 我们在最后的缓冲电路处还设置了低增益的放大电路。(3) 程控方案用户接口部分我们采用常见的行列键盘和 LCD 液晶显示器, MSP430F247 作为主控芯片负责整个系统的计算和控制工作。除此之外,单片机的接口部分还包括 DAC 的控制部分和模拟部分的控制。二、系统设计 1. 总体设计本系统总体设计框图如下,各模块设计参见下文。 2. 各模块设计(1)电源模块为了简化设计,我们采用带正负 12V 和正 5V 的开关电源从市电获取整个系统所需要的电压,板上部分,我们采用 2块 800mA 线性稳压器 LM1117- ,其产生的 2路 稳定电压经电容滤波后作为模拟主电压和数字电压;开关电源的正负 12V 电压经过电容滤波后作为运放的工作电压;开关电源的 5V 电压经过电容滤波后作为数字门电路的电压。(2)数字控制模块单片机的 P1 口连接行列