基于arm的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

1、<p>　　基于ARM的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　信號(hào)發(fā)生器是用來提供各種測(cè)量所需信號(hào)的儀器，它是一種常用的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制和科學(xué)試驗(yàn)等領(lǐng)域。在分析電子線路時(shí)，常常需要了解輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系，為此常用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)來激勵(lì)系統(tǒng)，以便觀察、分析它對(duì)激勵(lì)信號(hào)的反映。自

2、十九世紀(jì)六十年代以來，信號(hào)發(fā)生器有了迅速的發(fā)展出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器、掃頻信號(hào)發(fā)生器、合成信號(hào)發(fā)生器、程控信號(hào)發(fā)生器等新種類，各類信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)也都有了大幅度的提高，同時(shí)在簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、小型化、多功能等各方面也有了顯著的進(jìn)展。</p><p>　　本設(shè)計(jì)以LPC2138為控制芯片，研究低頻信號(hào)產(chǎn)生原理和應(yīng)用，設(shè)計(jì)其輸出頻率及幅度可以調(diào)整的正弦波、方波、三角波，具有信號(hào)頻率、波形、幅度容易調(diào)整，硬件簡(jiǎn)單可靠的多

3、功能信號(hào)發(fā)生器。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　信號(hào)發(fā)生器 ARM 數(shù)字頻率合成 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1. 緒言4</b></p><p>　　1.1 函數(shù)信

4、號(hào)發(fā)生器概述4</p><p>　　1.2 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)4</p><p>　　1.3 論文研究的內(nèi)容及安排5</p><p>　　2. 數(shù)字函數(shù)信號(hào)發(fā)生器工作原理介紹5</p><p>　　2.1 數(shù)字函數(shù)信號(hào)發(fā)生器基本原理5</p><p>　　2.2 直接數(shù)字頻率合成器原理簡(jiǎn)介7&

5、lt;/p><p>　　3. 方案論證及選擇9</p><p>　　3.1 信號(hào)產(chǎn)生方案選擇9</p><p>　　3.2 主芯片設(shè)計(jì)方案選擇10</p><p>　　3.3 顯示設(shè)計(jì)方案選擇11</p><p>　　3.4 濾波電路設(shè)計(jì)方案選擇11</p><p>　　4. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1

6、2</p><p>　　4.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.2 各硬件模塊功能12</p><p>　　4.2.1 主芯片功能12</p><p>　　4.2.2 鍵盤功能12</p><p>　　4.2.3 顯示功能12</p><p>　　4.2.4 濾波功能13&

7、lt;/p><p>　　4.3 模塊功能原理詳細(xì)分析13</p><p>　　4.3.1 正弦波產(chǎn)生方法13</p><p>　　4.3.2 方波產(chǎn)生方法13</p><p>　　4.3.3 鋸齒波產(chǎn)生方法14</p><p>　　4.3.4 幅度控制方法14</p><p>　　4.3.

8、5 頻率控制方法14</p><p>　　4.3.6 濾波器設(shè)計(jì)方法14</p><p>　　4.3.7 鍵盤模塊設(shè)計(jì)方法14</p><p>　　5. 軟件設(shè)計(jì)分析15</p><p>　　5.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖15</p><p>　　6. 理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果分析17</p><p&

9、gt;　　6.1 頻率與相位遞增量計(jì)算表格17</p><p>　　6.2 波形頻率、幅度理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比18</p><p>　　6.3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試圖19</p><p>　　6.3.1 正弦波 頻率100Hz 峰峰值 3.3V19</p><p>　　6.3.2 方波 頻率500Hz 峰峰值 1.5V19</

10、p><p>　　6.3.3 鋸齒波 頻率1000Hz 峰峰值0.3V20</p><p>　　6.3.4 正弦波 頻率1758Hz 峰峰值 0.3V20</p><p>　　6.3.5 方波 頻率2930Hz 峰峰值 3.3V21</p><p>　　6.3.6 鋸齒波 頻率3320Hz 峰峰值2.1V21

11、</p><p><b>　　致謝22</b></p><p>　　參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄一 基于ARM函數(shù)信號(hào)發(fā)生器PCB錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄二 基于ARM函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)物圖錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄三 基于

12、ARM函數(shù)信號(hào)發(fā)生器程序錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1. 緒言</b></p><p>　　信號(hào)發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)的儀器。按信號(hào)波形可分為正弦信號(hào)、函數(shù)（波形）信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三

13、角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。</p><p>　　1.1 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器概述</p><p>　　當(dāng)我們想測(cè)試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)，為測(cè)定電路的一些電參量，如測(cè)量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號(hào)。傳統(tǒng)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是使用運(yùn)算放大器再加一些外圍電路組成，其信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)頻率低，硬件設(shè)計(jì)繁瑣，波形及頻率的轉(zhuǎn)換困

14、難。同傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)具有極高的頻率分辨率，極快的變頻速度，變頻香味連續(xù)，相位噪聲低，易于功能擴(kuò)展和便于全數(shù)字化集成，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的多種調(diào)制。</p><p>　　1.2 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1，通常分類是按照產(chǎn)生信號(hào)產(chǎn)生的波形特征來劃分：</p><p>　　音頻信號(hào)源、函數(shù)信號(hào)源、功率函數(shù)

15、發(fā)生器、脈沖信號(hào)源、任意函數(shù)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)高頻信號(hào)源、射頻信號(hào)源、電視信號(hào)發(fā)生器、噪聲信號(hào)源、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)源 等。</p><p>　　這種分類基本覆蓋了航空航天、電子、電力等領(lǐng)域的每一個(gè)角落。</p><p>　　信號(hào)源按照應(yīng)用領(lǐng)域分類： 低頻信號(hào)發(fā)生器(音頻)，高頻信號(hào)發(fā)生器(射頻通信信號(hào))，電視信號(hào)發(fā)生器(電視信

16、號(hào))，電視掃頻信號(hào)發(fā)生器(電視信號(hào))等?？v觀信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展，直接合成數(shù)字信號(hào)發(fā)生器是近幾年的發(fā)展趨勢(shì)。</p><p>　　2，隨著智能電子技術(shù)的發(fā)展，未來的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器將應(yīng)用在更多的領(lǐng)域。其性能要求也將不斷的提高。傳統(tǒng)的模擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代的要求。1971年3月美國(guó)學(xué)者J.Tierncy，C.M.Rader和B.Gold首次提出了直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthe

17、sis）技術(shù)。這是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需求的波形的新的全數(shù)字頻率合成技術(shù)。DDS技術(shù)具有極高的頻率分辨率，極快的變頻速度，變頻相位連續(xù)，相位噪聲低，易于功能擴(kuò)展和便于全數(shù)字化集成，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的多種調(diào)制。</p><p>　　1.3 論文研究的內(nèi)容及安排</p><p>　　本論文介紹了傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器與現(xiàn)在函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的區(qū)別與發(fā)展趨勢(shì)和對(duì)直接數(shù)字函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理進(jìn)行研究

18、。用32位ARM單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，使其實(shí)現(xiàn)正弦波，方波，鋸齒波的產(chǎn)生，并實(shí)現(xiàn)波形選擇、頻率與幅度可控制等功能。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并得出結(jié)論。</p><p>　　2. 數(shù)字函數(shù)信號(hào)發(fā)生器工作原理介紹</p><p>　　2.1 數(shù)字函數(shù)信號(hào)發(fā)生器基本原理</p><p>　　無論是研制、生產(chǎn)還是使用維修各種電子元器件、電路部件及整

19、機(jī)設(shè)備，其性能特性只有在一定的電信號(hào)作用時(shí)，才能顯露出來。所以，幾乎在所有的電子測(cè)量中都是由信號(hào)源提供一系列的已校準(zhǔn)的信號(hào)，才能確保各種電子測(cè)量的順利進(jìn)行。因此可以說信號(hào)源是電子測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的電子測(cè)量?jī)x器。直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis 簡(jiǎn)稱DDS或DFFS）是以全數(shù)字技術(shù)從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理。由于它區(qū)別與其他頻率合成方法的優(yōu)越性和特點(diǎn)，成

20、為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分。</p><p>　　70-80年代，信號(hào)源大都采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)，頻率范圍能從DC(mHz)-幾十GHZ，分辨率到達(dá)mHz，但轉(zhuǎn)換速度不夠高（數(shù)10us到ms量級(jí)）。到了90年代后，出現(xiàn)了頻率分辨率高（mHz量級(jí)）的DDS大規(guī)模芯片，輸出信號(hào)的頻率上限基本在HF或VHF頻段內(nèi)，比PLL合成技術(shù)以及直接模擬合成技術(shù)得到的信號(hào)頻率低，而且頻率轉(zhuǎn)換速度快（us到ns量級(jí)

21、），頻率精度高，頻率穩(wěn)定度取決于使用的參考頻率源晶體振蕩器的穩(wěn)定度，易于控制。由于DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當(dāng)靈活，因此性價(jià)比較高。DDS的主要性能指標(biāo)包括：</p><p>　　輸出頻率的范圍：指的是輸出的最小頻率和最大頻率之間的變化范圍。</p><p>　　頻率穩(wěn)定度：指的是輸出頻率在一定時(shí)間間隔內(nèi)和標(biāo)準(zhǔn)頻率偏差

22、的數(shù)值，它分長(zhǎng)期、短期和瞬時(shí)穩(wěn)定度三種。</p><p>　　頻率分辨率：指的是輸出頻率的最小間隔。</p><p>　　頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間：指的是輸出由一種頻率轉(zhuǎn)換成另一種頻率的時(shí)間。</p><p>　　頻譜純度：頻譜純度以雜散分量和相位噪聲來衡量，雜散分量分為諧波分量和非諧波分量?jī)煞N，主要由頻率合成過程中的非線性失真產(chǎn)生。相位噪聲是衡量輸出信號(hào)相位抖動(dòng)大小的參數(shù)。&

23、lt;/p><p>　　調(diào)制性能：指的是頻率合成器是否具有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、調(diào)相（PM）等功能。</p><p>　　頻率合成器的實(shí)現(xiàn)方法大體可以分成三種:直接頻率合成、間接頻率合成、直接數(shù)字合成。下面對(duì)這三種方法進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的介紹。</p><p>　　直接頻率合成是一種比較早期的頻率合成方法，這宗頻率合成方法使用一個(gè)和多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率源先經(jīng)過諧波發(fā)生器產(chǎn)生各次

24、諧波，然后經(jīng)過分頻、倍頻、混頻濾波等處理產(chǎn)生所需要的各個(gè)頻點(diǎn)。這種方法產(chǎn)生的波形，相噪小，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短。但是直接頻率合成設(shè)備比較復(fù)雜笨重，并且容易產(chǎn)生雜散。</p><p>　　間接頻率合成又稱之為鎖相環(huán)頻率合成采用了鎖相環(huán)技術(shù)，對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、除，產(chǎn)生所需的頻率，由于鎖相環(huán)相當(dāng)于一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，所以鎖相環(huán)頻率合成的方法對(duì)雜散有很好的抑制作用。鎖相式頻率合成器還易于集成化。但是鎖相式頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)

25、換時(shí)間比較長(zhǎng)，而且在單環(huán)的情況下很難做到很小的頻率分辨率。</p><p>　　直接數(shù)字頻率合成是一種比較新穎的頻率合成方法。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展這種頻率合成方法也越來越體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成方法。在系統(tǒng)時(shí)鐘一定的情況下，輸出頻率決定于頻率寄存器中的頻率字。而相位累加器的字長(zhǎng)決定了分辨率?；谶@樣的結(jié)構(gòu)DDS頻率合成器具有以下優(yōu)點(diǎn)：頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達(dá)2(N)個(gè)頻點(diǎn)（假設(shè)DD

26、S相位累加器的字長(zhǎng)是N）；頻率切換速度快，可達(dá)us量級(jí)；頻率切換時(shí)相位連續(xù)；可以輸出帶寬正交信號(hào)；輸出相位噪聲低，對(duì)參考頻率源的相位噪聲有改善作用；可以產(chǎn)生任意波形；全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。</p><p>　　2.2 直接數(shù)字頻率合成器原理簡(jiǎn)介</p><p>　　直接數(shù)字式頻率合成器DDS（Direct Digital Synthesizer），實(shí)際上是一種分頻器：通過

27、編程頻率控制字來分頻系統(tǒng)時(shí)鐘（SYSTEM CLOCK）以產(chǎn)生所需要的頻率。DDS有兩個(gè)突出的特點(diǎn)，一方面，DDS工作在頻字域，一旦更新頻率控制字，輸出的頻率就相應(yīng)改變，其跳頻速率高；另一方面，由于頻率控制字的寬度寬（48bit或者更高），頻率分辨率高。</p><p>　　圖1，是DDS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它主要分成3部分：相位累加器，相位幅度轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。</p><p>&l

28、t;b>　　圖1，DDS結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　一個(gè)正弦波，雖然它的幅度不是線性的，但是它的相位卻是線性增加的。DDS正是利用了這一特點(diǎn)來產(chǎn)生正弦信號(hào)。如圖2，根據(jù)DDS的頻率控制字的位數(shù)N，把360°平均分成了2的N次等份。</p><p>　　圖2，相位累加器原理</p><p>　　DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查

29、表法產(chǎn)生波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理如圖所示。</p><p><b>　　圖3，DDS原理</b></p><p>　　相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來一個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到

30、加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字k相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)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(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，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(hào)的相位，相位累加器</p><p>　　的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器（ROM）的相位取樣地址，這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣

31、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(chǔ)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(hào)。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(hào)。</p><p>　　假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為Fc，輸出頻率為Fout。每次轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度360°/2N，則可以產(chǎn)生一個(gè)頻率為Fc/2N的正弦波的相位遞增量。那么只要選擇恰當(dāng)?shù)念l率控制字M，使得F

32、out/Fc=M/2N，就可以得到所需要的輸出頻率Fout，F(xiàn)out=Fc*M/2N,相位幅度轉(zhuǎn)換通過相位累加器，我們已經(jīng)得到了合成Fout頻率所對(duì)應(yīng)的相位信息，然后相位幅度轉(zhuǎn)換把0°~360°的相位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的幅度值。這個(gè)相位到幅度的轉(zhuǎn)換時(shí)通過查表完成的，最后這個(gè)數(shù)值以二進(jìn)制的形式被送入DAC。DAC輸出代表幅度的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)被送入DAC中，并轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)輸出。注意DAC的位數(shù)并不影響輸出頻率的分辨率。輸出頻

33、率的分辨率是由頻率控制字的位數(shù)決定的。</p><p>　　3. 方案論證及選擇</p><p>　　3.1 信號(hào)產(chǎn)生方案選擇</p><p>　　方案一：函數(shù)發(fā)生器集成芯片（如L8038）</p><p>　　利用專門的函數(shù)發(fā)生器集成芯片能產(chǎn)生多種波形，可達(dá)到較高的頻率，外圍電路簡(jiǎn)單且易于調(diào)試。</p><p>　　

34、方案二：鎖相環(huán)頻率合成器（PLL）</p><p>　　PLL頻率合成器是由參考頻率源、參考分頻器、相位比較器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、可變分頻器構(gòu)成。參考分頻器對(duì)參考頻率源進(jìn)行分頻，輸出信號(hào)作為相位比較器參考信號(hào)。可變分頻器對(duì)壓控振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行分頻，分頻之后返回到相位比較器輸入端與參考信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定時(shí)，有f1=f2，因?yàn)閒1=fr／M，f2=f0/N，所以有f0=Nfr/M。只要改變可變分頻

35、器的分頻系數(shù)N，就可以輸出不同頻率的信號(hào)。</p><p>　　由于鎖相環(huán)相當(dāng)于一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，所以鎖相環(huán)頻率合成的方法對(duì)雜散有很好的抑制作用。鎖相式頻率合成器還易于集成化。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器(DDS)原理，用定時(shí)器作為時(shí)鐘，將函數(shù)波形的點(diǎn)數(shù)保存在ram里，根

36、據(jù)所要的頻率計(jì)算出相位遞增量，再將輸出的二進(jìn)制幅度進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，從而得到完整的波形。</p><p>　　方案一功能少，精度不高，頻率上限只有300KHZ，無法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者相互影響。所以排除了此方案。方案二鎖相環(huán)雖帶有窄帶跟蹤濾波器，對(duì)雜散噪聲有抑制作用且易于集成化，但鎖相式頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間比較長(zhǎng)，而且在單環(huán)的情況下很難做到很小的頻率分辨率。方案三

37、利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字合成器原理，不只能實(shí)現(xiàn)波形頻率高、轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高，而且可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)方式靈活，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，集成了上述方案的各種優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　3.2 主芯片設(shè)計(jì)方案選擇</p><p>　　方案一:選擇飛利浦LPC2131，小型LQFP64封裝32位ARM7TDMI-S微控制器，ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）原理而設(shè)計(jì)的，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)

38、雜指令集要簡(jiǎn)單得多，由此可見使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就非常容易實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。此此處理器的內(nèi)核運(yùn)行速度最高可達(dá)60MHz。</p><p>　　方案二：選擇飛利浦LPC2138，32位ARM7TDMI-S微控制器，此芯片與LPC2138基本類似，唯一不同點(diǎn)是此芯片帶有一個(gè)10位的DA轉(zhuǎn)換器，并且該DA轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率可以調(diào)制，最快轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1us,最大電流為700uA。</p&g

39、t;<p>　　若選擇方案一，那么外圍電路的設(shè)計(jì)除了主芯片LPC2131外，還需外加DA轉(zhuǎn)換芯片，才能實(shí)現(xiàn)DDS原理的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)。而選擇方案二，則只需一塊主芯片就可實(shí)現(xiàn)DDS原理的信號(hào)發(fā)生器。為了使硬件電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，所以選擇了方案二。</p><p>　　3.3 顯示設(shè)計(jì)方案選擇</p><p>　　方案一：通過兩個(gè)4位數(shù)碼管再加一些外圍的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)顯示，可顯示頻率

40、、幅度，器件簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。</p><p>　　方案二：使用NOKIA5110 LCD液晶屏來顯示，可實(shí)現(xiàn)波形，頻率，幅度，運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)顯示。</p><p>　　方案一只能顯示頻率、幅度，而且顯示位數(shù)有限，這影響了顯示的精度，對(duì)于波形的顯示只能用簡(jiǎn)單的數(shù)字來代替。對(duì)于單層板的設(shè)計(jì)，兩個(gè)4位數(shù)碼管難以完成簡(jiǎn)單的單層板布線。方案二使用LCD液晶顯示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)波形、頻率、幅度、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)

41、中文顯示，接口簡(jiǎn)單方便，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)效果比方案一優(yōu)秀，所以選擇方案二。</p><p>　　3.4 濾波電路設(shè)計(jì)方案選擇</p><p>　　方案一：使用橢圓型濾波器，它擁有比較平滑的幅頻響應(yīng)，頻率響應(yīng)單調(diào)下降，通帶內(nèi)比較平坦，并且它的過渡帶陡峭。</p><p>　　方案二：使用由R,C構(gòu)造而成的低通濾波器電路。其電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。</p>&

42、lt;p>　　本信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率不高，并且使用模擬器件較少，數(shù)字器件對(duì)于波形信號(hào)影響較小，所以選擇R,C構(gòu)造的低通濾波器。</p><p><b>　　4. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2 各硬件模塊功能 </p><p>　　4.2.1 主芯片功能 <

43、;/p><p>　　根據(jù)DDS原理，軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)生各種波形，并且為鍵盤，顯示提供接口，實(shí)現(xiàn)波形，頻率，幅度可調(diào)，運(yùn)行波形，頻率，幅度，狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示等功能。</p><p>　　4.2.2 鍵盤功能</p><p>　　鍵盤功能實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的波形，頻率，幅度可調(diào)。</p><p>　　4.2.3 顯示功能 </p><p>　　

44、對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行顯示，LCD屏幕上顯示波形、頻率、幅度和運(yùn)行的狀態(tài)。</p><p>　　4.2.4 濾波功能 </p><p>　　用RC濾波電路對(duì)波形實(shí)現(xiàn)濾波，滿足該設(shè)計(jì)的要求，簡(jiǎn)單又實(shí)用。</p><p>　　4.3 模塊功能原理詳細(xì)分析</p><p>　　4.3.1 正弦波產(chǎn)生方法</p><p&g

45、t;　　DDS原理實(shí)現(xiàn)波形信號(hào)需要相位累加器、波形存儲(chǔ)器、DA轉(zhuǎn)換器在時(shí)鐘的作用下協(xié)調(diào)運(yùn)行。如何在單片機(jī)中運(yùn)用DDS原理產(chǎn)生正弦波呢？首先運(yùn)用函數(shù)Y=sinX，將波形的每一相位所對(duì)應(yīng)的幅度值存儲(chǔ)在ram里。其中X代表正弦波的相位，即角度。在本設(shè)計(jì)將一圓周（即360度）分成1024份，即相位的遞增最小值為360°/1024，這樣我們就可以把一圓周的每一相位值所對(duì)應(yīng)的幅值通過函數(shù)Y=sinX計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在ram里，這也相當(dāng)于DDS

46、結(jié)構(gòu)里的波形存儲(chǔ)器。</p><p>　　單片機(jī)中使用定時(shí)器作為DDS的時(shí)鐘，每一次定時(shí)器中斷都產(chǎn)生相位的累加，在中斷程序中進(jìn)行相位的累加，并根據(jù)當(dāng)前相位在ram中尋找所對(duì)應(yīng)的幅值進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換。如何改變波形的頻率呢？假設(shè)定時(shí)器的時(shí)鐘設(shè)定為50KHz，輸出波形的頻率為100Hz，根據(jù)DDS原理公式Fout=Fc*M/2(N)，則M=Fout*2(N)/Fc?？梢运愠鯩=2。式中Fc為定時(shí)器時(shí)鐘，F(xiàn)out為輸出波形頻

47、率，2(N)為相位的等分?jǐn)?shù)(本設(shè)計(jì)中取1024)，M為每次定時(shí)中斷相位累加遞增量，此時(shí)一個(gè)完整的信號(hào)由512個(gè)點(diǎn)構(gòu)成。當(dāng)定時(shí)器時(shí)鐘為50KHz固定不變時(shí)，F(xiàn)out=Fc/1024為信號(hào)的最小輸出頻率，此時(shí)一個(gè)完整50Hz的信號(hào)有1024個(gè)點(diǎn)構(gòu)成。所以可以通過改變每次定時(shí)器中斷的相位累加遞增量來得到所需的信號(hào)頻率。信號(hào)每一周期的取點(diǎn)數(shù)不應(yīng)太少，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)鐘應(yīng)該大于每次DA轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，提高相位的等分?jǐn)?shù)可以提高頻率分辨率，得到更準(zhǔn)

48、確的頻率。</p><p>　　4.3.2 方波產(chǎn)生方法</p><p>　　方波的產(chǎn)生由兩個(gè)大小不同的信號(hào)交互替換，其頻率的改變同正弦波相似。假設(shè)需產(chǎn)生頻率50Hz,幅度3.3V的方波，則一個(gè)完整的波形有1024個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，其中前512個(gè)點(diǎn)的幅值為3.3V，后512個(gè)點(diǎn)的幅值為0V，這樣就可以產(chǎn)生所需的方波頻率與幅值。</p><p>　　4.3.3 鋸齒波產(chǎn)生方法

49、</p><p>　　鋸齒波的產(chǎn)生方法是幅度線性遞增，直到幅值處銳減為最低值，如此重復(fù)即可產(chǎn)生連續(xù)的鋸齒波，其頻率的改變方法與正弦波，方波相似。</p><p>　　4.3.4 幅度控制方法</p><p>　　本設(shè)計(jì)中幅度的最大值為芯片的供電電壓值，即3.3V。在DA轉(zhuǎn)換前對(duì)幅值11等分，幅值的可調(diào)范圍為0.3V-3.3V。</p><p>

50、;　　4.3.5 頻率控制方法</p><p>　　在輸出信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔一定時(shí)，通過更改相位遞增量的值，使得不同頻率波形所需的點(diǎn)數(shù)也發(fā)生變化，這樣也就改變了信號(hào)的周期。因此，通過固定定時(shí)器定時(shí)長(zhǎng)短，改變波形的相位遞增量，既而改變波形數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)多少來改變信號(hào)的頻率。</p><p>　　4.3.6 濾波器設(shè)計(jì)方法</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)產(chǎn)生信號(hào)頻率不高，因此

51、采用簡(jiǎn)單的RC低通濾波器即可滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　4.3.7 鍵盤模塊設(shè)計(jì)方法</p><p>　　主芯片定時(shí)器中斷對(duì)鍵盤掃描，以便及時(shí)響應(yīng)鍵盤輸入信息做出響應(yīng)的調(diào)整。鍵盤有六個(gè)按鍵功能，第一按鍵為停止功能，當(dāng)要對(duì)信號(hào)做調(diào)整時(shí)需停止信號(hào)輸出再做調(diào)整；第二按鍵為波形選擇功能，可選擇正弦波、方波、鋸齒波；第三按鍵為頻率選擇功能，可對(duì)不同頻率段中的頻率進(jìn)行選擇；第四按鍵為幅度選擇功

52、能，可選擇用戶想要的幅度；第五按鍵為頻率段選擇，本設(shè)計(jì)有兩個(gè)頻段，頻段一是0~1KHz頻率范圍，頻率段二是1~5KHz頻率范圍；按鍵六為波形運(yùn)行功能，當(dāng)選擇設(shè)置好自己的波形后，按此鍵即可輸出波形</p><p><b>　　5. 軟件設(shè)計(jì)分析</b></p><p>　　5.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　6. 理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果分析&

53、lt;/p><p>　　6.1 頻率與相位遞增量計(jì)算表格</p><p>　　正弦波被分為1024個(gè)點(diǎn)。假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘Fc（即定時(shí)器0時(shí)鐘）為50KHz,則在所要產(chǎn)生頻率Fout確定的情況下，通過公式M=1024*Fout/Fc，可計(jì)算出相位遞增量。下面表格為上述條件下計(jì)算所得相位遞增量。</p><p>　　6.2 波形頻率、幅度理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比</p>

54、<p>　　在低頻時(shí)，從計(jì)算值與實(shí)測(cè)值可以看出頻率的精度很高。若要產(chǎn)生較高頻率的波形，可以通過提高頻率控制字來提高頻率分辨率。本設(shè)計(jì)把一周期波形分成1024份，即頻率分辨率為1/1024。</p><p><b>　　6.3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試圖</b></p><p>　　6.3.1 正弦波 頻率100Hz 峰峰值 3.3V</p><p

55、>　　6.3.2 方波 頻率500Hz 峰峰值 1.5V</p><p>　　6.3.3 鋸齒波 頻率1000Hz 峰峰值0.3V</p><p>　　6.3.4 正弦波 頻率1758Hz 峰峰值 0.3V</p><p>　　6.3.5 方波 頻率2930Hz 峰峰值 3.3V</p><p>　　6.

56、3.6 鋸齒波 頻率3320Hz 峰峰值2.1V</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)是在黃近秋老師的指導(dǎo)下完成的，黃近秋是一位極其負(fù)責(zé)任的指導(dǎo)老師。畢業(yè)設(shè)計(jì)初期時(shí)，就制定了詳細(xì)的工作時(shí)間表，對(duì)于各個(gè)階段要完成的設(shè)計(jì)任務(wù)都詳盡列出，而且按時(shí)要求完成。期間，多次集中開會(huì)，分析指導(dǎo)，提供修改意見。為此，對(duì)黃老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間提供的悉