【正文】 基于 AVR 單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) The design of signal generato r based on AVR SCM 中文摘要 信號(hào)發(fā)生器在科技領(lǐng)域和生產(chǎn)實(shí)踐中有著 非常 廣泛的應(yīng)用。 在電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)中，為了使 學(xué)生 深入了解信號(hào)發(fā)生器的原理以及工作流程，開(kāi)發(fā)一套簡(jiǎn)易、實(shí)用的信號(hào)發(fā)生器 具有重要的意義。 在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上， 通過(guò)對(duì)幾種常用設(shè)計(jì)方案的對(duì)比分析， 得出 直接數(shù)字頻率合成 (DDS)技術(shù)設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器具有控制靈活、頻率分辨率高、相位連續(xù)、切換速度快、輸出相位噪聲低和可以產(chǎn)生任意波 形等優(yōu)點(diǎn)。 本文 基于 AVR 單片機(jī)， 采用 DDS 設(shè)計(jì)方案， 對(duì)信號(hào)發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)做了詳細(xì)的分析 ,完成了軟硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試 ，開(kāi) 發(fā) 了 一套用于 實(shí)驗(yàn) 教學(xué)的 信號(hào)發(fā)生器 。 該 儀器 通過(guò)鍵盤(pán)控制及 LED 顯示，實(shí)現(xiàn)了 方波、正弦波、三角波和掃頻波 的輸出，并且 輸出幅度、頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)。通過(guò)研究與實(shí)踐，所研制的信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)能夠滿足 實(shí)驗(yàn)室教學(xué) 需求。 關(guān)鍵詞 信號(hào)發(fā)生器 AVR 單片機(jī) DDS 鍵盤(pán)控制 目 錄 1 緒論 課題研究的背景及意義 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 本 文主要研究的內(nèi)容及指標(biāo)要求 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與選擇 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案的選擇 本章小結(jié) 3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)原理總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)子模塊電路設(shè)計(jì) 本章小結(jié) 4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)總體流程 的設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)子模塊流 的設(shè)計(jì) 本章小結(jié) 5 系統(tǒng)測(cè)試 系統(tǒng) 測(cè)試情況 本章小結(jié) 總結(jié) 參考文獻(xiàn) 致謝 1 緒 論 課題研究的背景 及意義 信號(hào)發(fā)生器又稱 為 信號(hào)源或 者 振蕩器， 在科技領(lǐng)域和生產(chǎn)實(shí)踐中有著 十分廣泛的應(yīng)用 ， 如熔煉、高頻感應(yīng)加熱、超聲診斷、淬火、 核磁共振成像 等，都需要頻率 或者 高 或者 低、功率 或者 大 或者 小的振蕩器 ， 信號(hào)發(fā)生器作為一種基礎(chǔ)的儀器，市場(chǎng)上有很多成品 [1]。在電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)中，為了讓初學(xué)者更好的深入了解它的原理，以及工作流程，使初學(xué)者能夠參與到開(kāi)發(fā)信號(hào)發(fā)生器的工程當(dāng)中，開(kāi)發(fā)一套簡(jiǎn)易的，實(shí)用的，容易上手的信號(hào)發(fā)生器是非常有必要的。 本課題就是在上述背景下， 基于 AVR 單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)， 開(kāi)發(fā)出適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的信號(hào)發(fā)生器設(shè)備，輔以 鍵盤(pán)控制 以及 LED 顯示， 實(shí)現(xiàn)方波、正弦波、三角波和掃頻波的輸出，且輸出幅度、頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 信號(hào)發(fā)生器的分類(lèi) (1)按照頻率的范圍 分類(lèi) 信號(hào)發(fā)生器按照測(cè)量得頻率范圍可 分為微波信號(hào)發(fā)生器、低頻信號(hào)發(fā)生器和高頻信號(hào)發(fā)生器 。 低頻信號(hào)發(fā)生器：包括視頻 （ 1Hz～ 10MHz）和音頻（ 200Hz～ 20210Hz）范圍的正弦波信號(hào)發(fā)生器。主振級(jí)一般采用 RC式振蕩器，或者用差頻振蕩器 [2]。 高頻信號(hào)發(fā)生器：頻率為 100KHz～ 30MHz 的高頻、 30MHz～ 300MHz 的甚高頻信號(hào) 發(fā)生器。一般為 LC 調(diào)諧式振蕩器 [3]。 (2)按照頻率改變的方式 分類(lèi) 信號(hào)發(fā)生器按照頻率 改變的方式 可分 為調(diào)掃頻式信號(hào)發(fā)生器、頻率合成式和程控式信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器。 掃頻、程控信號(hào)發(fā)生器：掃頻信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生幅度恒定、頻率在限定的范圍內(nèi)作線性變化的信號(hào)發(fā)生器。掃頻信號(hào)發(fā)生器分為手控、自動(dòng)掃頻、遠(yuǎn)控和程控等工作方式 [4]。 頻率合成式：頻率合成式發(fā)生器的信號(hào)不是直接由振蕩器產(chǎn)生的，而是用高穩(wěn)定度的石英振蕩器來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)的頻率源，利用頻率合成的技術(shù)形成所需的任意頻率的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)擁有與標(biāo)準(zhǔn)的頻率源相 同的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度 [5]。 (3)按照 輸出 信號(hào)的波形 分類(lèi) 信號(hào)發(fā)生器按照 輸出 信號(hào)的波形分類(lèi) 可以分為函數(shù)信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)和脈沖信號(hào)發(fā)生器等。 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器：又稱為波形信號(hào)發(fā)生器。它能夠產(chǎn)生特定的函數(shù)波形（主要是三角波、正弦波、方波、脈沖波和鋸齒波等）信號(hào)。頻率范圍可從幾 uHz 的超低頻直到幾十 MHz[6]。 脈沖信號(hào)發(fā)生器：能夠產(chǎn)生幅度、頻率和寬度可調(diào)的矩形波脈沖的信號(hào)發(fā)生器 [7]。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)內(nèi)外對(duì)于信號(hào)發(fā)生器的研究主要經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段： 1． 2． 3． 4． 。 國(guó)內(nèi)，某某或者哪個(gè)單位 ****基于什么方法研究了什么 信號(hào)發(fā)生器器，國(guó)外，哪個(gè)國(guó)家研究了什么 信號(hào)發(fā)生器 。 綜述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以看出信號(hào)發(fā)生器向著。趨勢(shì)發(fā)展。 本文主要研究的內(nèi)容及指標(biāo)要求 《電子測(cè)量原理》實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，是實(shí)現(xiàn)和完成電子測(cè)量課程的最行之有效的手段和工具。本課題主要對(duì)信號(hào)發(fā)生器的原理進(jìn)行學(xué)習(xí)，并開(kāi)發(fā)一套用于教學(xué)的儀器設(shè)備。這套儀器主要采用 AVR 單片機(jī)、 DDS 模塊、 LED、鍵盤(pán)產(chǎn)生方波、正弦波、三角波和掃頻波及實(shí)現(xiàn)輸出幅度、頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)及顯示 。主要 研究 內(nèi)容 包括如下幾個(gè)方面 ： (1)第一章的內(nèi)容概述。 (2) 第二章的內(nèi)容概述。 (3) 第三章的內(nèi)容概述。 (4) 第四章的內(nèi)容概述。 (5) (6)進(jìn)行全文總結(jié)，并給出下一步研究建議。 具體 指標(biāo)要求： (1)雙通道同時(shí)輸出波形，且互不影響； (2)輸出波形為正弦波，三角波，方波； (3)輸出波形振幅是 500mV~3V，步進(jìn) 500mV。誤差為177。 10% ； (4)輸出波形頻率是 500Hz~3000Hz，步進(jìn) 100Hz，誤差為177。 5% ； (5)方波占空比可調(diào)； (6)輸出掃頻波，掃頻范圍 500Hz~10kHz； (7)李沙育圖形的觀測(cè)； 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與選擇 幾種常用的 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 方案 基于函數(shù)波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案 利用專(zhuān)用的函數(shù)波形發(fā)生器芯片來(lái)產(chǎn)生所需要的波形。這樣產(chǎn)生的波形相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，質(zhì)量比較高，使系統(tǒng)得穩(wěn)定度會(huì)有所提升。 圖 21 ICL8038內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ICL8038 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 21。它的頻率范圍較寬、頻率穩(wěn)定度很高、外圍電路比較簡(jiǎn)單。芯片工作時(shí)能輸出 ～ 300KHz 的正弦波、三角波、矩形波等函數(shù)波形。 假如 A、 B的恒流值分別是 1I 、 2I 。并令 2I =2I=21I 。在觸發(fā)器置零的時(shí)候，模擬開(kāi)關(guān) SW 將會(huì)斷開(kāi)，此時(shí)恒流源 B 將被斷開(kāi)，僅有恒流源 A向電容 C 充電。電容 C的電壓 Vc 上升，在 Vc 到達(dá) 2?V /3時(shí)，比較器Ⅰ將輸出高電平，此時(shí)觸發(fā)器將置一，模擬開(kāi)關(guān) SW 將會(huì)接通。這一時(shí)刻恒流源 A,B 都將起作用，但恒流源 A 對(duì)電容 C 正向充電，恒流源 B 對(duì)電容 C 反向充電，所以實(shí)際的電流為反I = 2I 1I =I，電流與正向電流在數(shù)值上是相等的 ，方向是相反的。將會(huì) CV 下降。在 CV 到達(dá) ?V /3 時(shí)，比較器Ⅱ?qū)?huì)輸出高電平，此時(shí)觸發(fā)器置將零，模擬開(kāi)關(guān) SW將會(huì)斷開(kāi)，此時(shí)恒流源 B將不再起作用，只有恒流源 A對(duì)電容 C 充電。如此循環(huán)下去?？梢钥闯?，電容器兩端的波形即為三角波，并且經(jīng)由緩沖器Ⅰ輸出，觸發(fā)器 Q端的波形即為占空比為 50%的方波，經(jīng)由緩沖器Ⅱ輸出 [8]。 三角波經(jīng)過(guò)正弦波變換器可產(chǎn)生出正弦波，正弦波變換器可使三角波尖端變得平滑，形成理想的正弦波。 圖 22 ICL8038構(gòu)成的精密函數(shù)發(fā)生器 圖 22為 8038 構(gòu)成的精密函數(shù)發(fā)生器電路。圖中 R1 和 R2為可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)這兩個(gè)電阻的阻值，就可以改變輸出波形的頻率和矩形波的占空比。如將 R1與 R2 換作數(shù)字電位器，則對(duì)其輸出得波形頻率可以數(shù)字控制。將其輸出的三路信號(hào)接至模擬開(kāi)關(guān)，可以選擇接通其中一路，然后將這一接通的信號(hào)輸入到程控放大器，可對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)。 采 用 D/A 方式的設(shè)計(jì)方案 D/A 方式，也就是采用 DAC 芯片，直接將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。對(duì)信號(hào)的波形，頻率，幅度等等所有得參數(shù)，均可在程序當(dāng)中調(diào)整。大大簡(jiǎn)化了硬件電路的復(fù)雜程度。 圖 23 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu) 例如采用芯片 DAC0832，如圖 23，它由倒 T型 R2R 電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、模擬開(kāi)關(guān)和參考電壓四部分組成。運(yùn)算放大器輸出 Vo為： )2*2*2*(2 * 002211 DDDR RVV NNnnn fREFo ?????? ???? 可見(jiàn)，輸入的數(shù)字量和輸出的模擬量是成正比，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換 。 DAC9832 有 8 個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，一個(gè)模擬輸出端。輸入可以是 256個(gè)不同的 8位二進(jìn)制數(shù)，輸出也是 256 個(gè)可能值。不會(huì)取到整個(gè)電壓范圍的任意值。典型的應(yīng)用電路（圖 24） [9]。 將不同的波形，不同的幅度所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值存成數(shù)據(jù)表，就可以輸出所需的波形，頻率，幅度，以及占空比。用這種方法產(chǎn)生的波形可控性及可操作行比較強(qiáng)，由于波形的產(chǎn)生與變換均依靠于軟件，因此使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性要低一些。雖然這種方法大大簡(jiǎn)化了硬件電路，但是加大了軟件編寫(xiě)的難度。 圖 24 DAC0832典型應(yīng)用電路 采用 DDS 的 設(shè)計(jì)方案 DDS 是直接數(shù)字式頻率合成器（ Direct Digital Synthesizer）的英文縮寫(xiě)。 如圖 25，一塊 DDS 芯片中主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計(jì)算器三個(gè)部分 [10]。 圖 25 DDS內(nèi)部原理 通過(guò) 控制器 控制它的控制端，可以得到所需頻率的正弦波。然后將這一正弦波通過(guò)比較器，得到所需的方波，將方波進(jìn)行積分可得到三角波。將這三個(gè)波形輸入到模擬開(kāi)關(guān)，有選擇的導(dǎo)通其中一種波形，將其輸出接至程控放大器，即可控制其幅度的大小。這一方案所用的硬件電路較多，但對(duì)于軟件的編寫(xiě)相對(duì)比較容 易。 系統(tǒng)方案的選擇 基于精確度角度對(duì)系統(tǒng)方案的選擇 由精確度的角度出發(fā)，第一種方案采用函數(shù)波形發(fā)生器專(zhuān)用芯片直接產(chǎn)生波形，這樣的波形比較穩(wěn)定，但由于頻率和占空比的調(diào)節(jié)需要數(shù)字電位器，因此它的精確度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較差。第二種方案采用 D/A 的方式產(chǎn)生各種不同頻率不同幅度的波形，精確度主要取決于 D/A 的分辨率以及控制器和 D/A 的速度。如果輸出一個(gè)頻率相對(duì)較高的正弦波，在控制器速度不是很高的情況下，波形會(huì)失真。因此用這一方案實(shí)現(xiàn)的信號(hào)發(fā)生器的精確度相對(duì)來(lái)說(shuō)也不是很好。第三種方案采用 DDS，頻率通過(guò)改變控制字來(lái)改變，在幾十兆晶振的時(shí)鐘頻率下，對(duì)頻率的控制可以達(dá)到很好的精確度。因此這一方案是精確度最高的。 基于難易度角度對(duì)系統(tǒng)方案的選擇 由難易度的角度出發(fā)，第一種方案采用函數(shù)波形發(fā)生器專(zhuān)用芯片直接產(chǎn)生波形，使得硬件電路比較簡(jiǎn)單。而軟件編程只需控制數(shù)字電位器就可以調(diào)整信號(hào)的頻率和占空比，也比較方便，因此這種方案相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較簡(jiǎn)單的。第二種方案采用 D/A 的方式產(chǎn)生各種不同頻率不同幅度的波形，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，但這對(duì)軟件的編寫(xiě)造成了麻煩，因?yàn)樾盘?hào)要時(shí)時(shí)產(chǎn)生，那么控制器就必須時(shí)時(shí) 工作，這樣會(huì)使得控制器無(wú)暇處理其它事情。處理好所有的事物，包括顯示，輸出等工作，對(duì)軟件的編寫(xiě)是一個(gè)挑戰(zhàn)。第三種方案采用 DDS，硬件電路采用較多，但軟件編程卻并不復(fù)雜，這一方案的難度比較適中。 基于實(shí)際需求對(duì)系統(tǒng)方案的選擇 由實(shí)際需求的角度出發(fā)，本著讓初學(xué)者更好的深入了解它的原理，以及工作流程，使初學(xué)者能夠參與到開(kāi)發(fā)信號(hào)發(fā)生器的工程當(dāng)中，開(kāi)發(fā)一套簡(jiǎn)易的，實(shí)用的，容易上手的信號(hào)發(fā)生器的原則，第三種方案是最好的選擇。不但可以使得初學(xué)者學(xué)會(huì)如何產(chǎn)生信號(hào)，還可以練習(xí)程序的編寫(xiě)，能夠使初學(xué)者很容易的了解 整個(gè)過(guò)程的來(lái)龍去脈。 本章小結(jié) 本章主要討論了實(shí)現(xiàn)要求的可能方案，以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)比較三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，采用了第三種方案，用 DDS 來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生。這種方案精度較高，難度不大，而且能使初學(xué)者更好的深入了解信號(hào)發(fā)生器的原理。 3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 框圖 如 圖 31所示。 A t m e g a 1 2 8D D S 模 塊比 較 器模 塊積 分 參 數(shù) 選 擇模 塊積 分 模 塊波 形 選 擇 模塊放 大 器 模 塊D D S 模 塊比 較 器模 塊波 形 選 擇 模塊放 大 器 模 塊積 分 模 塊積 分 參 數(shù) 選 擇模 塊人 工 界 面模 塊通 道 2通 道 1 圖 31 系統(tǒng)原理框圖 DDS 模塊在 Atmega128 的控制下輸出正弦波信號(hào)，這一個(gè)正弦波信號(hào)分兩路，一路正弦波信 號(hào)輸入到比較器模塊，通過(guò)電壓比較，比較器模塊會(huì)輸出一個(gè)同頻率的方波信號(hào)。另一路正弦波信號(hào)輸入到波形選擇模塊，作為整個(gè)系統(tǒng)的正弦波輸出。 比較器模塊輸出的方波信號(hào)也分成兩路，一路方波信號(hào)輸入到波形選擇模塊，作為整個(gè)系統(tǒng)的方波信號(hào)輸出，另一路輸入到積分參數(shù)選擇模塊以備積分使用。 積分參數(shù)選擇模塊在 Atmega128 控制器的控制下選擇對(duì)應(yīng)此時(shí)波形頻率的積分參數(shù)，即選擇對(duì)應(yīng)此時(shí)頻率的電阻，將這一電阻連接到電路中，并將比較器輸入的方波信號(hào)通過(guò)這一電阻輸入到后續(xù)積分器模塊中。 積分模塊接收到積分參數(shù)選擇模塊的輸入的方波 信號(hào)后，對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行積分，將會(huì)得到三角波信號(hào)。積