任意波形发生器设计方案改.docx

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任意波形发生器设计方案改

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：

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。

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

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

Abstract

Functionsignalgeneratorintheproduction,scientificresearchiswidelyused,low-cost,high-availabilityfunctionsignalgeneratorwhichisveryimportant,thisarticledescribeshowtouseTI'sMSP430familyoflow-power16-bitmicrocomputerwithdigitalsignalsynthesisDDStechnicaldesignmethodofanarbitraryfunctiongenerator.Thisdesignimplementsthebasicfunctionsofanarbitraryfunctiongeneratorcanproducefrom100Hzto10KHzsinewave,squarewave,trianglewave,10Hzunitcanstep,linearandwaveformdistortion.MSP430microcontrollerastheuseofgreatlyreducedpowerconsumptionmakesthesystemmoresuitableforportableproductsmadeof。

LCDdisplaymakestheintroductionofhuman-computerinteractioncanbeenhanced.

Keywords:

MSP430DDSArbitraryFunctionGenerator

1.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。

2.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

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

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

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

，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

B.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，

，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：

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：

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：

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的内部DAC12。

该DAC12是一个12位的电压输出型DAC，它可以软件配置为8位或12位，可以通过软件选择它的时钟源并且可以分频，它的平均转换时间为15us，完全能够满足本设计的要求与指标。

DDS在结构上主要可划分为数控振荡器和数模转换两个模块，模块NOC又由相位累加器和正弦查询表ROM组成，NOC实现由数字频率字输入生成相应频率的数字波形，模块DAC实现将NOC产生的数字幅度值高速且线性的转换为模拟幅度值，基本框图如下：

图3-3-4-1DDS原理框图

相位累加器在基准时钟的作用下，进行线性相位相加，当相位累加器加满时就会产生一次溢出，从而完成一个周期，这个周期也是DDS信号的一个频率周期。

DDS输出信号的频率为：

假设基准时钟为50MHz，相位累加位数为16位，则：

若

，再假定

，则：

可见通过设定相位累加位数、频率控制字K和基准时钟的值，可以产生任意频率的输出。

在本设计中基准时钟源选择

，相位累加字选择30，即可通过改变频率控制字来产生100Hz-10KHz的任意信号，并且可以以100Hz为单位步进调节。

由于DDS波形发生的原理是高速DA转换，因而实际输出波形为一个个不连续的间断的点，故波形输出端加上LPF低通滤波电路，使得波形输出平滑。

这里我们使用了7阶巴特沃斯滤波电路，使得输出信号在通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而且在阻带则下降为零。

在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的减小，趋向负无穷大，衰减率为每倍频18分贝。

在设计巴特沃斯滤波器时我们使用了TI公司的FilterPro滤波器设计软件使得滤波器的设计变得简单而高效率。

图3-3-4-27阶巴特沃斯低通滤波器

3.3.5功率放大电路

本设计考虑到输出信号的带负载能力因而加上了功率放大电路。

功率放大电路由两级放大电路组成，前级为差分式输入运算放大器，后级为电压跟随器；两级运算电路总电压增益为

，功率放大为

，大大提高了输出信号的带负载能力，其原理图如下：

图3-3-5-1功率放大电路原理图

4.程序设计

本设计全部程序均采用C语言编程，编程时遵循自顶向下的思想，其程序流程图如下所示：

5.总结

通过本次数电课程设计，我熟悉了C语言的编程环境，进一步掌握了Protel99se的使用，了解了数字电路设计的步骤与方法，让我将所学的知识运用于实践，我们不在是呆板的在课堂上学习理论知识，这有利于我们动手能力的培养。

经过这次课程设计，我清晰地认识到动手能力是当代大学生不可或缺的一种生存能力，今后的学习生活我也会一如既往的这样做下去。

参考文献：

[1]曹磊.MSP430单片机C语言程序设计与实践.北京：

北京航空航天出版社，2007

[2]赵景波、王臣叶.Protel99se电路设计.北京：

电子工业出版社，2008

[3]JohnH.Davies.MSP430MicrocontrollerBasics.Newnes,2008

[4]纽曼（DonaldA.Neamen）.电子电路分析与设计:

数字电子技术（第3版）.北京：

清华大学出版社，2009

[5]马场清太郎.运算放大器应用电路设计.北京：

科学出版社，2007

附录

：

整体电路原理图