【導(dǎo)讀】隨著科技的發(fā)展，對(duì)信號(hào)發(fā)生器的各方面要求越來(lái)越高。而且市場(chǎng)上出售的多功能信號(hào)發(fā)生器價(jià)格昂貴，為了適應(yīng)實(shí)際。生遞增鋸齒波、遞減鋸齒波、三角波、階梯波、方波、正弦波共6種波形。換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。整個(gè)信號(hào)發(fā)生器以單片機(jī)為控制。生成模塊、濾波模塊等組成。另外為了更好的完成本次畢設(shè)，本次設(shè)計(jì)。CPLD選用Altera公司的EPM240CT100C5。

　　

【正文】 OUTU 2OUTU = N2 2數(shù)字輸入 1OUTU = N2 2數(shù)字輸入 N2 1數(shù)字輸入 10 （ 42） 其中數(shù)字輸入 2 為 CPLD 給 DAC0832 的數(shù)字量 ， 需要 注意的是單片機(jī) IO 為 5V電壓，而 CPLD 使用的是 電壓，兩者 IO 口直接相連，長(zhǎng)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 26 時(shí)間會(huì)損害 CPLD 的壽命，所以在單片機(jī)和 CPLD 的連接加上 510Ω的限流電阻，可以實(shí)現(xiàn) CPLD 和單片 機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。 其中 SEL SEL SEL0是單片機(jī)給 CPLD 中六選一數(shù)據(jù)選擇器的 3 個(gè) 信號(hào) 。 圖 48 CPLD接口電路 低通濾波模塊設(shè)計(jì) 采樣信號(hào)在一定條件下可以恢復(fù)到原始信號(hào)。只要用一截止頻率等于原始信號(hào)的頻譜中最高頻率的低通濾波器，濾除高頻分量，經(jīng)濾波 后得到的信號(hào)包含了原始信號(hào)頻譜的全部?jī)?nèi)容，故在低通濾波器輸出端可以得到恢復(fù)后的原始信號(hào)。 DDS 有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，輸出頻率越接近 Nyquist 帶寬的高端，采樣點(diǎn)數(shù)越少，其輸出的雜散干擾就越大。輸出波形具有大量的諧波分量和系統(tǒng)時(shí)鐘干擾。 為 了得到所需頻段內(nèi)的信號(hào)，需要在 DDS 輸出端加一濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而低通濾波器能較好的濾除雜波，平滑信號(hào)，所以低通濾波器的設(shè)計(jì)就尤為重要，濾波特性的優(yōu)劣對(duì)輸出信號(hào)的性能起重要的影響。 低通濾波器選擇 一般用一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的衰減特性來(lái)逼近理想特性，且使衰減的變化處在所規(guī)定的容限之內(nèi)，根據(jù)不同的逼近原則、不同的衰減特性，選擇不同響河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 27 應(yīng)的濾波器。 低通濾波器的頻率響應(yīng)主要有三種：巴特沃斯濾波器（最平坦響應(yīng)濾波器） 、契比雪夫?yàn)V波器、橢圓函數(shù)濾波器。 巴特沃斯濾波器的響應(yīng)最為平坦，它的通帶內(nèi)沒(méi)有波紋，在靠近零頻處，有最平坦通帶，趨向阻帶時(shí)衰減單調(diào)增大，缺點(diǎn)是從通帶到阻帶的過(guò)渡帶最寬，對(duì)于帶外干擾信號(hào)的衰減作用最弱，過(guò)渡帶不夠陡峭。契比雪夫?yàn)V波器在通帶內(nèi)衰減在零值和一個(gè)上限值之間做等起伏變化，阻帶內(nèi)衰減單調(diào)增大，帶內(nèi)有起伏，但過(guò)渡帶比較陡峭。橢圓函數(shù)濾波器不僅通帶內(nèi)有起伏，阻帶內(nèi)也有起伏，而且過(guò)渡帶陡峭。比較起來(lái)，橢圓函數(shù)濾波器性能更好。 幾種典型低通濾波器的頻率響應(yīng)分別如圖 49 所示。 圖 49 低通濾波器的頻率響應(yīng)圖 本設(shè)計(jì)采用了巴特沃思二階低通濾波器，如圖 410 所示， 圖中運(yùn)放采用低噪聲、高速精密運(yùn) 放 OP07。運(yùn)放構(gòu)成同相比例放大器，其輸出增益為 iVV0 =1+1RRf （ 43） 其中 0V 為輸出， iV 為輸入 ，若 fR = 1R ，則輸入信號(hào)被放大了一倍；若fR 1R ，則增益近似為 1。 圖中 fR =10kΩ， 1R =， 這樣信號(hào) iV 進(jìn)入下圖所示的濾波器，經(jīng)過(guò)濾波出來(lái)的信號(hào) 0V 幅度 基本與原 信號(hào)相同。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 28 圖 410二階巴特沃思濾波電路 下面是此次 濾波 電路設(shè)計(jì)，如圖 411， 圖 411 濾波電路 當(dāng) 連接 S2 的 1 和 8 時(shí)，同時(shí)插針 P1 的 1 和 5 得 連接 ，這樣選擇的是通道 1，同樣，當(dāng) 連接 S2 的 2 和 7 時(shí)，同時(shí) 連接插針 2 和 6， 這樣選擇通道 2。以此類推，可以選擇通道 3，通道 4。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 29 低通濾波器仿真設(shè)計(jì) 二階巴特沃思低通濾波器的截止頻率為 3dB 頻點(diǎn)（即半功率點(diǎn)） ，選取 C=10nF， R4=R3=R，將濾波截止頻率分為 200Hz、 1kHz、 30kHz、100kHz 四檔。 在 Multisim中搭建如圖 412 所示電路進(jìn)行仿真。 該電路為單通道的濾波器，只要改變電阻 R R4 的值，即可改變?yōu)V波器的截止頻率。用波特圖儀（ Bode Plotter）觀察濾波器的幅頻特性。將頻點(diǎn)置于 3dB 頻點(diǎn)附近，改變電阻的值，使頻點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)與四個(gè)截止頻率，如圖 413 所示。 圖 412 低通濾波器仿真電路 圖 413 截止頻率為 1kHz的波特圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 30 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電阻選取阻值相近的器件： fc=100kHz， R=200Ω； fc=30kHz， R=510Ω； fc=1kHz， R=33kΩ； fc=200Hz， R=270kΩ； 即通道 1 對(duì)應(yīng)的是 100kHz 的截止頻率，通道 2 對(duì)應(yīng)的是 30kHz 的截止頻率，通道 3 對(duì)應(yīng)的是 1kHz 的截止頻率，通道 4 對(duì)應(yīng)的是 200Hz 的截止頻率。 低通濾波可以平滑其臺(tái)階，根據(jù)實(shí)際輸出的頻率， 以正弦波為例，最高輸出 8kHz 左右，為了保證在此頻率帶內(nèi)輸出平坦，又要盡可能抑制諧波和高頻分量 ， 就可以選擇截止頻率在 30kHz 時(shí)的頻率。 實(shí)際用時(shí) 可根據(jù)實(shí)際波形頻率 選用以上 4 個(gè)通道， 由于自己 設(shè)計(jì)的 的波形 信號(hào) 最高 頻率除了階梯波外其他都小于 30kHz，所以 一般選擇在通道 2 或通道 1 即可。 CPLD最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)核心器件是 CPLD 部分，它負(fù)責(zé) 生成 波形數(shù)據(jù)， 波形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) DAC0832 然后再通過(guò) OP07 生成最后的模擬信號(hào)，所以它 設(shè)計(jì) 好壞關(guān)系整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗，也是這次設(shè)計(jì)最難的部分。 由于 CPLD 比較精密，引腳比較多， 不易自制， 所以直接購(gòu)買(mǎi) CPLD 最小系統(tǒng)板， 此次所選的器件是 Altera 公司的 MAX II 系列的 EPM240CT100C5。 此芯片有 240 個(gè)邏輯單元，等效宏單元 192 個(gè)，內(nèi)有 8Kbit Flash 的存儲(chǔ)空間。它共有 100 個(gè)引腳，其中 80 個(gè)可分配引腳都可以隨意引出，非常方便， 加快 了 開(kāi)發(fā)。 板載 50MHz 的晶振，速率高。 編程方式 基于 EEPROM編程 ， 編程次數(shù)可達(dá) 1 萬(wàn)次 。 圖 414 和圖 415 是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)所使用 CPLD 最小系統(tǒng)板 和 下載器實(shí)物圖，相應(yīng)的電路圖見(jiàn)附錄 A2。 由于實(shí)際需要， 需要在最小系統(tǒng) 板上外接撥碼開(kāi)關(guān)，見(jiàn)圖 416，來(lái)調(diào)節(jié)頻率和方波的占空比。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 31 圖 414 CPLD最小系統(tǒng)板 圖 415 USB Blaster 圖中為 8 位的 撥碼開(kāi)關(guān)，第 8 位（ FC）代表調(diào)頻，撥通即可調(diào)頻，第7 位（ ZANKONG）代表調(diào)整方波的占空比，撥通即可調(diào)占空比。開(kāi)關(guān)撥通即相應(yīng)的 CPLD 輸入口為高電平。撥碼開(kāi)關(guān)第 6 位到第 1 位分別表示SHURU[5]、 SHURU[4]、 SHURU[3]、 SHURU[2]、 SHURU[1]、 SHURU[0]。當(dāng) SHURU的不同組合代表不同的 功能，具體功能見(jiàn)表 41。 416 撥碼開(kāi)關(guān)電路 以正弦波為例，當(dāng) 100 分頻時(shí)，正弦波的頻率約為 8kHz。由于 DAC0832的電流建立時(shí)間為 1μ s，一個(gè)周期的正弦波采樣點(diǎn)為 64 個(gè)，相應(yīng)的正弦 波周期為 64μ s，最高頻率約為 16kHz。而 CPLD 理論上可以達(dá) 到 800kHz，由于 DAC0832 的速度的限制，所以得將 CPLD 時(shí)鐘進(jìn)行分頻。經(jīng)過(guò)測(cè)試，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 32 當(dāng) 100 分頻時(shí)，其它的各種波形沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重的波形失真，比較好在示波器上觀測(cè)，但是導(dǎo)致了整體波形的頻率不高。 表 41 分頻與占空比的調(diào)整 在 100 分頻下，遞增鋸齒波和遞減鋸齒波頻率約為 、三角波頻率約為 1kHz，方波頻率約為 2kHz，階梯波頻率約 為 31kHz。如果某種波形需要更高的頻率，只需將程序中的分頻數(shù)改小一點(diǎn)的數(shù)值即可，但是可能引起其它波形的失真，如階梯波，因?yàn)殡A梯波 1 周期采樣點(diǎn)少的緣故。 SHURU[5..0] FC=1 和 ZANKONG=0 ZANKONG=1 和 FC=0 00000 100（分頻） 5%（占空比） 00001 150 10% 00010 200 15% 00011 250 20% 00100 300 25% 00101 350 30% 00110 400 35% 00111 450 40% 01000 500 45% 01001 550 50% 01010 600 55% 01011 650 60% 01100 700 65% 01101 750 70% 01110 800 75% 01111 850 80% 10000 900 85% 10001 950 90% 10010 1000 95% 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 33 電源 模塊 設(shè)計(jì) 每一臺(tái)電子設(shè)備都需要有一個(gè)穩(wěn)定、可靠、高效的電源。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電源的設(shè)計(jì)是需要首先考慮的，這決定了系統(tǒng)是采用單電源方案還是多電源方案，系統(tǒng)的功耗有無(wú)特殊規(guī)定等。不同的電源方案決定了整個(gè)系統(tǒng)的方案選擇和器件選擇。 在本系統(tǒng)中要使用的直流穩(wěn)壓電源就分為三種：化學(xué)電源、線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源，它們又分別具有各種不同類型。由于 本系統(tǒng)是桌面式而非手持式的實(shí)驗(yàn)儀器，其中的 CPLD、液晶顯示器等部件都需要比較大的驅(qū)動(dòng)電流，系統(tǒng)的總功耗也較大，因此，不適宜采用電池等化學(xué)電源供電。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源體積小、重量輕、穩(wěn)定可靠，且功率可做得比較大，發(fā)熱量卻很小，在電子設(shè)備中被廣泛使用。但缺點(diǎn)是相對(duì)于線性電源來(lái)說(shuō)紋波較大，且價(jià)格較高。 對(duì)于像信號(hào)發(fā)生器這類對(duì)電源噪聲敏感， 而對(duì)功率要求不高的儀器而言，采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是不適合的。 因此，本系統(tǒng)最終采用線性直流穩(wěn)壓電源作為解決方案。由于 穩(wěn)壓管損耗大，因此需要安裝散熱器 ， 而且變壓器 個(gè)頭大 。但這些都掩蓋 不了它的優(yōu)勢(shì)：穩(wěn)定性高、紋波小、可靠性高、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易做成多路。這些特點(diǎn)對(duì)于本系統(tǒng)是非常重要的。 在確定了整機(jī)各模塊的設(shè)計(jì)方案后，可以得出結(jié)論：整個(gè)系統(tǒng)需要一個(gè)能夠提供 +5V、 +10V、 177。 12V電壓的電源！ 提到線性直流穩(wěn)壓電路，我們會(huì)先想到 78 和 79 系列的三端穩(wěn)壓集成電路，這種電路雖然簡(jiǎn)單，但其高頻段的內(nèi)阻偏大，瞬態(tài)特性不夠理想。為了克服這一缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了松下公司推出的伺服穩(wěn)壓電路，如圖417 所示。這種電路的紋波系數(shù)很小，據(jù)稱其速率、內(nèi)阻以及穩(wěn)定性可凌駕于蓄電池之上，因此在音頻功放中也被廣 泛使用。 該電路的設(shè)計(jì)意圖是采用高速率的運(yùn)算放大器伺服電路修正穩(wěn)壓塊的誤差，以進(jìn)一步加快響應(yīng)速率，降低高頻內(nèi)阻，提高動(dòng)態(tài)范圍。三端穩(wěn)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 34 壓器件還是采用常用的 781 7805 、 791 LM317，其中雙 12V的三端穩(wěn)壓器用一片雙運(yùn)放 NE5532 以反饋。 圖 417 電源電路 電路圖中各電容起著不同的作用：例如 C C12 為濾波電容； CC18 為取樣隔直電容； C C17 為相位補(bǔ)償電容， 作用是防止電路產(chǎn)生自激振蕩， 保證其穩(wěn)定性 ； C C1 C1 C16 為穩(wěn)定電容。二極管 D河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 35 D D D5 為了防止電源正負(fù)極接錯(cuò)而將電路燒壞而設(shè)置，電路中的發(fā)光二極管分別為指示燈，當(dāng)相應(yīng)的電源穩(wěn)定工作時(shí)，發(fā)光二極管正常工作，方便查看調(diào)試電路是否工作。由于調(diào)幅電路中的 DAC0832 的參考電壓源使用 +10V電壓，所以使用 LM317 產(chǎn)生一個(gè) +10V電壓， LM317 是可調(diào)節(jié)3 端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍 37V時(shí)能夠提供超過(guò) 的電流， 調(diào)節(jié) R7 即可將 +12V電壓降到 +10V。 進(jìn)入變壓器的 220V 前面加了一個(gè) 1A 的保險(xiǎn)絲，防止電路短路，造 成更大損害。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 36 5 多功能信號(hào)發(fā)生器軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)主要負(fù)責(zé)向 CPLD 輸入信號(hào)、鍵盤(pán)掃描、液晶顯示、波形幅度控制，整體框圖如 圖 51 所示。 圖 51 單片機(jī)整體框圖 單片機(jī)上電復(fù)位，然后進(jìn)行 LCD 和幅度的初始化，人為設(shè)定 LCD 初始化界面為“ Signal Generator Designed By Liu” ，見(jiàn)圖 52 圖（ a）， 初始化幅度設(shè)定為 5V，見(jiàn)圖 52（ h） 。然后進(jìn)入無(wú)限循環(huán)， 先 進(jìn)行按鍵 掃描 ，返回相應(yīng)的鍵值。單片機(jī)根據(jù) 不同的鍵值， 執(zhí)行 相應(yīng)的動(dòng)作。 相應(yīng)的液晶顯示界面如圖 52，（ b）、（ c）、（ d）、（ e）、（ f）、（ g）分別表示遞增鋸齒波、遞減鋸齒波、三角波、階梯波、方波、正弦波 選擇界面。 當(dāng)調(diào)整幅度大小時(shí)，每個(gè)液晶顯示器上的幅度信息也會(huì)相應(yīng)的 改變。 單片機(jī)流程圖如圖 53 所示， 首先單片機(jī)進(jìn)行 LCD 和幅度的初始化，STC 單片機(jī) 鍵盤(pán)電路 液晶顯示 電路 幅度控制 電路 CPLD 波形生成電路 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 37 然后進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，得到鍵值后進(jìn)入相應(yīng)的程 序，當(dāng)鍵值改變時(shí)，重新 進(jìn)行 鍵盤(pán)掃描，掃描到新鍵值，進(jìn)