【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 裝置系統(tǒng)，它由HP8770A 任意波形數(shù)字化和 HP1776A 波形發(fā)生軟件組成。 傳統(tǒng)的波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形比較單一，如正弦波、方波、脈沖波、三角波等。隨著科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的需求的不斷發(fā)展，對(duì)波形種類的需求也 呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)。如電子設(shè)備的性能指針測(cè)試中就需要能提供一些非常規(guī)的測(cè)試信號(hào)的信號(hào)源，即能產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)所需要波形的任意波形發(fā)生器 (Arbitrary Waveform Generator, AWG)。 早期的任意波形發(fā)生器主要著重音頻等低頻頻段，現(xiàn)在的任意波形發(fā)生器已擴(kuò)展到射頻頻段，目前任意波形發(fā)生器的帶寬可以達(dá)到 2GHz，足夠仿真許多移動(dòng)通信、衛(wèi)星電視的復(fù)雜信號(hào)。任意波形發(fā)生器的典型代表為 Lecroy 公司生產(chǎn)的的 9100 任意波形發(fā)生器 [2]。 現(xiàn)今市場(chǎng)上技術(shù)比較成熟的波形發(fā)生器產(chǎn)品有：安捷倫公司生產(chǎn)的33250A 函數(shù)任意波形發(fā)生器，其輸出頻率寬度范圍為 1μHz80MHz，可應(yīng)用于各供不同頻段的設(shè)計(jì)。該公司生產(chǎn)的 8648D 射頻信號(hào)發(fā)生器大量應(yīng)用于超高頻的工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，頻率寬度范圍高達(dá) 9KHz4GHz[3]。 167。 選題意義 雖然我國(guó)對(duì)于波形發(fā)生器的研制起步較晚，但是通過(guò)幾年的努力也取得了一些可喜的成果。國(guó)產(chǎn) SG1060 數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器可以雙通道同時(shí)輸出高分辨率、高精度、高可靠性的各種波形，其頻率覆蓋范圍為 1μHz60MHz。國(guó)產(chǎn) S1000 數(shù)字合成掃頻信號(hào)發(fā)生器的頻率范圍為 1MHz1024MHz，可應(yīng)用于超高頻領(lǐng)域。但是總的來(lái)說(shuō)，這些設(shè)計(jì)產(chǎn)品價(jià)格昂貴主要應(yīng)用于航空、軍事等高端領(lǐng)域，在日常民用方面并沒(méi)有形成自己真正的產(chǎn)業(yè)。目前國(guó)內(nèi)成熟的產(chǎn)品多位一些 PC 儀器插卡，獨(dú)立儀器少之又少。并且我國(guó)現(xiàn)今的任意波形發(fā)生器的種類和性能與國(guó)外相比仍有很大差距，因此對(duì)此內(nèi)產(chǎn)品的研究設(shè)計(jì)仍具有重要意義。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 167。 本文研究的主要內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是運(yùn)用新一代高性能數(shù)字芯片設(shè)計(jì)一種使用方便，性能良好的獨(dú)立式波形發(fā)生器。該波形發(fā)生器系統(tǒng)采用 51 單片機(jī)進(jìn)行控制，DAC0832 芯片進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換。本次設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的基本功能如下： （ 1） 能夠產(chǎn)生正 弦波、三角波、鋸齒波和方波四種波形。 （ 2） 擴(kuò)展有鍵盤模塊用于對(duì)對(duì)波形類型、頻率和 峰峰值 進(jìn)行設(shè)定。 （ 3） 擴(kuò)展有顯示輸出模塊顯示當(dāng)前輸出波形的類型、頻率和 峰值 信息。 本篇論文主要討論的是波形發(fā)生器設(shè)計(jì)的方案選擇，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)問(wèn)題，單片機(jī)軟件和生成常用波形軟件編寫問(wèn)題，以及對(duì)本次設(shè)計(jì)中的主要芯片的介紹。另外，本文還 分散的 對(duì)本次設(shè)計(jì)所采用的兩種設(shè)計(jì)方案（ 程控波形發(fā)生器設(shè)計(jì) 和基于硬件的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)）的特點(diǎn)進(jìn)行比較說(shuō)明，并對(duì)兩種設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景進(jìn)行闡述。 167。 章節(jié)安排 本文對(duì)基于單片機(jī)的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，共分 六章。第一章主要介紹了課題的研究背景、發(fā)展、意義，設(shè)計(jì)的整體內(nèi)容以及任務(wù)安排。 第二章對(duì)設(shè)計(jì)前的系統(tǒng)方案以及各模塊的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行比對(duì)和選擇，從而確定出最終的兩種設(shè)計(jì)方案，即程控波形發(fā)生器設(shè)計(jì)方案和硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì)方案。第三章對(duì)本次設(shè)計(jì)所使用的主要芯片如 89C51 單片機(jī)、 8255A[3]、DAC0832 等進(jìn)行了介紹，并且對(duì)這些芯片在系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用的功能給予簡(jiǎn)要說(shuō)明，在本章最后對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用的開(kāi)發(fā)軟件予以介紹。第四章對(duì)系統(tǒng)兩種設(shè)計(jì)方案的硬件電路各模塊的設(shè)計(jì)及工作方法分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。 第五章對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案的各程序 模塊的設(shè)計(jì)及流程圖分別予以詳細(xì)的說(shuō)明。第六章主要分為 4 個(gè)部分，首先對(duì) PCB 設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，然后對(duì)系統(tǒng)仿真結(jié)果及誤差進(jìn)行分析，接著對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及不足進(jìn)行綜合說(shuō)明，組后對(duì)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析說(shuō)明。在文章的最后還附錄了軟件程序、硬件電路圖和 PCB圖。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2章 波形發(fā)生器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及選擇 167。 總體方案選擇 波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)可以通過(guò)多種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)之前需要對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和選擇： 方案一：采用分立元件構(gòu)成非穩(wěn)態(tài)的多諧振蕩器，然后根據(jù)所需波形的要求加入積分電路等構(gòu)成波形發(fā)生器，如圖 21 所示。 U0 輸出為正弦波、U1 輸出為方波、 U2 輸出為三角波，三種波形輸出頻率相同。通過(guò)調(diào)節(jié)第一級(jí)運(yùn)放的 RC 參數(shù)，可以改變頻率。 圖 21 采用分立元件構(gòu)成的簡(jiǎn)易波形發(fā)生器 方案二：采用單片機(jī)控制的單片函數(shù)發(fā)生器（如 8038 芯片）來(lái)進(jìn)行波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)。 8038 可以同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波和正弦波專用集成電路 [4]。 方案三：利用專用直接數(shù)字合成 DDS 芯片去實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)。例如 專門用于波形發(fā)生器 的集成微處理器 8XC196MC/MD單片機(jī)可以直接產(chǎn)生高頻率的各種常用信號(hào)波形 [5 ]。 方案四：對(duì) 51 單片機(jī)進(jìn)行編程，在單 片機(jī) ROM 中寫入各種波形子程序，使其根據(jù)按鍵設(shè)定產(chǎn)生相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)送入 D/A 轉(zhuǎn)換芯片DAC0832 從而輸出相應(yīng)的波形。我將此種方法稱作 ―程控波形發(fā)生器設(shè)計(jì) ‖[6]。 方案五：對(duì) 51 單片機(jī)進(jìn)行編程，在生成波形之前單片機(jī)將各波形的離散數(shù)據(jù)寫入 SRAM 中，隨后由外部時(shí)鐘控制 SRAM 將波形數(shù)據(jù)輸送給 D/A轉(zhuǎn)換器從而生成波形。我將此種方法稱作 ―硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì) ‖ [7]。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 對(duì)以上五個(gè)方案進(jìn)行比較，可以得出如下結(jié)論： 方案一由于采用分立元件， 模擬信號(hào)容易受到干擾 難以保證高的精度（如放大器有飽和失真、截止失真 、交越失真，集成電路難免有零點(diǎn)漂移），且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備體積較大，不便于波形參數(shù)的調(diào)節(jié)。 方案二簡(jiǎn)單易行，但是 8038 產(chǎn)生的波形容易寄生高次諧波分量，且頻率的穩(wěn)定性差。方案三雖然集成度高，生成的波形質(zhì)量高，但是硬件成本較高。方案四和方案五基于 51單片機(jī)設(shè)計(jì)軟硬件結(jié)合，硬件成本低，軟件起點(diǎn)低，優(yōu)化型相對(duì)比較好，設(shè)計(jì)時(shí)間短，成本低，可靠性高，且滿足設(shè)計(jì)要求。 方案四 ―程控波形發(fā)生器設(shè)計(jì) ‖[8]是運(yùn)用軟件編寫波形子程序，并通過(guò)單片機(jī)將數(shù)據(jù)向 D/A 轉(zhuǎn)換器的傳輸。這種方案如 節(jié)所說(shuō)只能產(chǎn)生不高于10KHz 的波形，因此 只可用于低頻波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)。但是此種方案所生成的波形完全由程序?qū)崿F(xiàn)，所以 峰峰值 和頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，而且可以添加鍵盤和顯示功能模塊來(lái)提高人機(jī)交互性，這使得此種方案設(shè)計(jì)更接近于一個(gè)完整的系統(tǒng)。基于這些考慮，此種設(shè)計(jì)產(chǎn)品仍有很大的應(yīng)用前途，例如，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信號(hào)源或低頻段的工業(yè)設(shè)計(jì)。 方案五 ―硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì) ‖[9]首先它運(yùn)用單片機(jī)將波形數(shù)據(jù)寫入SRAM 中，然后由外部時(shí)鐘源控制 SRAM 向 D/A 轉(zhuǎn)換器輸送數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種方案生在單片機(jī)寫入波形數(shù)據(jù)到 SRAM 后就解放了工作任務(wù)，剩下的波形輸出任務(wù)完全由 外部時(shí)鐘源控制，所以輸出波的頻率由外部時(shí)鐘決定。因此只要外部時(shí)鐘源允許就可以生成任意頻率的波形。但是這也就帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：如果要求對(duì)波的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)就需要更換外部時(shí)鐘源。由于這個(gè)問(wèn)題也就造成了此種方案無(wú)法像方案四中那樣實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)可調(diào)。但是考慮到在實(shí)際的工業(yè)設(shè)計(jì)中所需的波形頻率是有限的，針對(duì)特定的系統(tǒng)我們可以通過(guò)分頻得到多個(gè)頻率來(lái)滿足系統(tǒng)的要求。并且本方案中單片機(jī)在后期處于閑置狀態(tài)，這時(shí)單片機(jī)作為控制器可以去完成更多的功能，如時(shí)鐘顯示功能，可見(jiàn)此種方案具有很好的可擴(kuò)展性。基于這些考慮，本方案的設(shè)計(jì)適于作為一個(gè)大系統(tǒng)中的波形發(fā)生器子系統(tǒng)，如雷達(dá)系統(tǒng)的波形發(fā)生器。 綜上所述，本次設(shè)計(jì)采用方案四和方案五進(jìn)行兩種不同應(yīng)用領(lǐng)域的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)。兩種設(shè)計(jì) 方案 的具體實(shí)施在下文中將會(huì)分別予以介紹。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 167。 子系統(tǒng)模塊方案選擇 本節(jié)對(duì) 本次設(shè)計(jì)中起主要作用的控制器、調(diào)頻模塊、調(diào)幅模塊、按鍵模塊、顯示模塊、 D/A 轉(zhuǎn)換器和 SRAM 的設(shè)計(jì)方案和選型方法進(jìn)行了具體的闡述。下面分別予以介紹。 167。 控制器的選擇 本次設(shè)計(jì)中提供了三種控制器方案，具體闡述如下： 方案一：選用 89C51 單片機(jī)作為控制器。 方案二：選用 FPGA、 CPLD 等可編程器件組 合構(gòu)成控制模塊 [10]。 方案三：選用專用于波形發(fā)生器的集成微處理器 8XC196MC/MD 作為控制器。 對(duì)以上方案綜合比對(duì)，可以得出如下結(jié)論： 方案二中的 FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，且具有密度高、速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但是 FPGA 在掉電后會(huì)丟失當(dāng)前數(shù)據(jù)，需要增加額外的程序開(kāi)銷。并且 FPGA 具有數(shù)字邏輯器件所共有的問(wèn)題 ——競(jìng)爭(zhēng)和冒險(xiǎn)，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮抗干擾性。另外 FPGA 相對(duì)于單片機(jī)的編程起點(diǎn)較高，增加編程的難度。方案三中的專用處理器生成的波形頻段寬，穩(wěn)定性好，精度高，執(zhí)行速度快，且編程簡(jiǎn)單，不需 要外圍硬件電路，但是芯片價(jià)格昂貴。方案一中 51 單片機(jī)使用靈活，軟件起點(diǎn)低，功耗低，價(jià)格低廉，但是必須配合一定的外圍硬件電路才能實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器的功能（其實(shí)外圍電路并不復(fù)雜）。 從電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和成本角度及綜合性價(jià)比考慮，確定選擇方案一。 167。 調(diào)頻方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)提供了兩種調(diào)頻方案的構(gòu)思，具體闡述如下： 方案一：通過(guò)硬件電路控制離散波形數(shù)據(jù)的輸出速度從而實(shí)現(xiàn)頻率的改變。將外部時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的分頻作為儲(chǔ)存離散波形數(shù)據(jù)的 SRAM 的輸出譯碼地址，使 SRAM 按照一定的時(shí)間間隔輸出波形數(shù)據(jù)給 DAC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 通過(guò)外部 時(shí)鐘分頻器的設(shè)置來(lái)選擇波形的頻率檔位。（具體方法參見(jiàn)第四章 節(jié) ） 方案 二 ：通過(guò)對(duì)單片機(jī)的定時(shí)器（具體參見(jiàn)第三章 節(jié)第 3 部分 ）的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。將一個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)離散成 256 個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)（具體方法見(jiàn)第五章 節(jié) ），然后令微處理器的累加器 A 自身循環(huán)增加，沒(méi)增加一次即向 DAC 送出一個(gè)波形采樣數(shù)據(jù)，并啟用一次定時(shí)器延時(shí)。當(dāng) 8 位累加器 A 的內(nèi)容達(dá)到最大的計(jì)數(shù)值 255 時(shí)在自增一次就變成最小值零，然后可以繼續(xù)增加。如此，周而復(fù)始就可以從 DAC 得到要求的波形輸出。當(dāng)然通過(guò)對(duì)定時(shí)器初值的設(shè)定可以改變波形 的頻率。例如，單片機(jī)的晶振頻率fOSC=12MHz，定時(shí)器采用方式 1，若產(chǎn)生周期為 T 的波形，定時(shí)器初值的計(jì)算方法如下： 單片機(jī)機(jī)械周期 Tmec 為： 61 2 1 2 1012O S CT m e c sf M H z ?? ? ? (21) 定時(shí)器初值 TC 為： / 25 62 L TTC Tmec?? (22) 定時(shí)器初值高位 TCH 為： / 256TCH TC? (23) 定時(shí)器初值低位 TCL 為： 256T C L T C T C H? ? ? (24) 當(dāng)要獲得 1Hz 的波形時(shí)，按照上述方法可以算出： TC=61630, TCH=240, TCL=190 但是此種方案最大計(jì)數(shù)值為 65536，最小計(jì)數(shù)值為 1，所以決定了此種方法所能得到的波形的上限頻率 fMAX 為： 1 3906256M A Xf H zTm e c??? (25) 下限頻率 fMIN 為： 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 1 0 . 0 66 5 5 3 6 2 5 6M I Nf H zTm e c???? (26) 需要說(shuō)明的是以上上限下限頻率是對(duì)于將一周期波形離散成 256 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的正弦波和鋸齒波而言的。對(duì)于三角波本次設(shè)計(jì)是將一個(gè)周期的波形離散成 512 個(gè)波形數(shù)據(jù)，所以能得到的波形的上限頻率 fMAX 為： 1 1953512M A Xf H zTm e c??? (27) 下限頻率 fMIN 為： 1 0 . 0 36 5 5 3 6 5 1 2M I Nf H zT m e c???? (28) 對(duì)于方波本次設(shè)計(jì)是將一個(gè)周期的波形離散成 2 個(gè)波形數(shù)據(jù)（ 0 和 255），所以能得到的波形的上限頻率 fMAX 為： 1 5002M A Xf KH zTm e c??? (29) 下限頻率 fMIN 為： 1 7 . 6 36 5 5 3 6 2M I Nf H zTm e c???? (210) 可見(jiàn)方波輸出的下限頻率過(guò)高，所以進(jìn)行方波的低頻輸出時(shí)需要進(jìn)行特別的程序處理， 具體參見(jiàn)第五章 節(jié)方波子程序部分 。 對(duì)以上方案綜合比對(duì)，可以得出如下結(jié)論： 方案一主要是靠硬件實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，無(wú)上限頻率和下限頻率的限制，且頻率的誤差度可以忽略不計(jì)，但是頻率的選擇只可是外部時(shí)鐘源的整倍數(shù)分頻（如2 分頻、 4 分頻等），不可實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)可調(diào)。方案二是靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，綜合可以看出此種方案的有效頻段為 到 1953Hz，在此范圍內(nèi)輸出波形頻率連續(xù)可調(diào)。但是由于輸出高頻時(shí)受到軟件執(zhí)行（例如對(duì)定時(shí)器的重新賦值指令需