【正文】 形的轉(zhuǎn)變、信號幅度的變化等等。 系統(tǒng)子模塊電路設(shè)計(jì) 主控系統(tǒng) 主控系統(tǒng)的主要作用： （ 1）感受人工界面系統(tǒng)的輸入信息 指令通過人工界面系統(tǒng)模塊輸入后，主控系統(tǒng)接到這一信息，通過分析運(yùn)算，進(jìn)行相應(yīng)的動作。 人工界面模塊包括 LED 數(shù)碼管顯示，按鍵和 LED 狀態(tài)指示燈。波形選擇模塊將被選波形信號輸入到放大器模塊。積分模塊將這個三角波信號輸入到波形選擇模塊。 積分參數(shù)選擇模塊在 Atmega128 控制器的控制下選擇對應(yīng)此時波形頻率的積分參數(shù)，即選擇對應(yīng)此時頻率的電阻，將這一電阻連接到電路中，并將比較器輸入的方波信號通過這一電阻輸入到后續(xù)積分器模塊中。另一路正弦波信號輸入到波形選擇模塊，作為整個系統(tǒng)的正弦波輸出。 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。通過比較三個方案的優(yōu)缺點(diǎn)，采用了第三種方案，用 DDS 來實(shí)現(xiàn)信號的產(chǎn)生。不但可以使得初學(xué)者學(xué)會如何產(chǎn)生信號，還可以練習(xí)程序的編寫，能夠使初學(xué)者很容易的了解 整個過程的來龍去脈。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。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，大大簡化了硬件電路，但這對軟件的編寫造成了麻煩，因?yàn)樾盘栆獣r時產(chǎn)生，那么控制器就必須時時 工作，這樣會使得控制器無暇處理其它事情。 基于難易度角度對系統(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)生器專用芯片直接產(chǎn)生波形，使得硬件電路比較簡單。第三種方案采用 DDS，頻率通過改變控制字來改變，在幾十兆晶振的時鐘頻率下，對頻率的控制可以達(dá)到很好的精確度。如果輸出一個頻率相對較高的正弦波，在控制器速度不是很高的情況下，波形會失真。 系統(tǒng)方案的選擇 基于精確度角度對系統(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來說比較差。將這三個波形輸入到模擬開關(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。 圖 25 DDS內(nèi)部原理 通過 控制器 控制它的控制端，可以得到所需頻率的正弦波。 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。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。典型的應(yīng)用電路（圖 24） [9]。輸入可以是 256個不同的 8位二進(jìn)制數(shù)，輸出也是 256 個可能值。運(yùn)算放大器輸出 Vo為： )2*2*2*(2 * 002211 DDDR RVV NNnnn fREFo ?????? ???? 可見，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 。大大簡化了硬件電路的復(fù)雜程度。 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。如將 R1與 R2 換作數(shù)字電位器，則對其輸出得波形頻率可以數(shù)字控制。 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。可以看出，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]。在 CV 到達(dá) ?V /3 時，比較器Ⅱ?qū)敵龈唠娖?，此時觸發(fā)器置將零，模擬開關(guān) SW將會斷開，此時恒流源 B將不再起作用，只有恒流源 A對電容 C 充電。這一時刻恒流源 A,B 都將起作用，但恒流源 A 對電容 C 正向充電，恒流源 B 對電容 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。在觸發(fā)器置零的時候，模擬開關(guān) SW 將會斷開，此時恒流源 B 將被斷開，僅有恒流源 A向電容 C 充電。 假如 A、 B的恒流值分別是 1I 、 2I 。它的頻率范圍較寬、頻率穩(wěn)定度很高、外圍電路比較簡單。這樣產(chǎn)生的波形相對來說比較穩(wěn)定，質(zhì)量比較高，使系統(tǒng)得穩(wěn)定度會有所提升。 10% ； (4)輸出波形頻率是 500Hz~3000Hz，步進(jìn) 100Hz，誤差為177。 具體 指標(biāo)要求： (1)雙通道同時輸出波形，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。 (4) 第四章的內(nèi)容概述。 (2) 第二章的內(nèi)容概述。這套儀器主要采用 AVR 單片機(jī)、 DDS 模塊、 LED、鍵盤產(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 。 本文主要研究的內(nèi)容及指標(biāo)要求 《電子測量原理》實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)，是實(shí)現(xiàn)和完成電子測量課程的最行之有效的手段和工具。 脈沖信號發(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發(fā)生器 [7]。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。 (3)按照 輸出 信號的波形 分類 信號發(fā)生器按照 輸出 信號的波形分類 可以分為函數(shù)信號、隨機(jī)信號和脈沖信號發(fā)生器等。掃頻信號發(fā)生器分為手控、自動掃頻、遠(yuǎn)控和程控等工作方式 [4]。 (2)按照頻率改變的方式 分類 信號發(fā)生器按照頻率 改變的方式 可分 為調(diào)掃頻式信號發(fā)生器、頻率合成式和程控式信號發(fā)生器信號發(fā)生器。 高頻信號發(fā)生器：頻率為 100KHz～ 30MHz 的高頻、 30MHz～ 300MHz 的甚高頻信號 發(fā)生器。 低頻信號發(fā)生器：包括視頻 （ 1Hz～ 10MHz）和音頻（ 200Hz～ 20210Hz）范圍的正弦波信號發(fā)生器。 本課題就是在上述背景下， 基于 AVR 單片機(jī)進(jìn)行信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)， 開發(fā)出適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的信號發(fā)生器設(shè)備，輔以 鍵盤控制 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)。 關(guān)鍵詞 信號發(fā)生器 AVR 單片機(jī) DDS 鍵盤控制 目 錄 1 緒論 課題研究的背景及意義 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 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)測試 系統(tǒng) 測試情況 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 信號發(fā)生器又稱 為 信號源或 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 ， 信號發(fā)生器作為一種基礎(chǔ)的儀器，市場上有很多成品 [1]。 該 儀器 通過鍵盤控制及 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)。 在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上， 通過對幾種常用設(shè)計(jì)方案的對比分析， 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)。基于 AVR 單片機(jī)的信號發(fā)生器設(shè)計(jì) The design of signal generato r based on AVR SCM 中文摘要 信號發(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。 在電子測量實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)中，為了使 學(xué)生 深入了解信號發(fā)生器的原理以及工作流程，開發(fā)一套簡易、實(shí)用的信號發(fā)生器 具有重要的意義。 本文 基于 AVR 單片機(jī)， 采用 DDS 設(shè)計(jì)方案， 對信號發(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 發(fā) 了 一套用于 實(shí)驗(yàn) 教學(xué)的 信號發(fā)生器 。通過研究與實(shí)踐，所研制的信號發(fā)生器已經(jīng)能夠滿足 實(shí)驗(yàn)室教學(xué) 需求。在電子測量實(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)者能夠參與到開發(fā)信號發(fā)生器的工程當(dāng)中，開發(fā)一套簡易的，實(shí)用的，容易上手的信號發(fā)生器是非常有必要的。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 信號發(fā)生器的分類 (1)按照頻率的范圍 分類 信號發(fā)生器按照測量得頻率范圍可 分為微波信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器和高頻信號發(fā)生器 。主振級一般采用 RC式振蕩器，或者用差頻振蕩器 [2]。一般為 LC 調(diào)諧式振蕩器 [3]。 掃頻、程控信號發(fā)生器：掃頻信號發(fā)生器能產(chǎn)生幅度恒定、頻率在限定的范圍內(nèi)作線性變化的信號發(fā)生器。 頻率合成式：頻率合成式發(fā)生器的信號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，這個信號擁有與標(biāo)準(zhǔn)的頻率源相 同的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度 [5]。 函數(shù)信號發(fā)生器：又稱為波形信號發(fā)生器。頻率范圍可從幾 uHz 的超低頻直到幾十 MHz[6]。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 國內(nèi)外對于信號發(fā)生器的研究主要經(jīng)歷了如下幾個階段： 1． 2． 3． 4． 。 國內(nèi)，某某或者哪個單位 ****基于什么方法研究了什么 信號發(fā)生器器，國外，哪個國家研究了什么 信號發(fā)生器 。 綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以看出信號發(fā)生器向著。趨勢發(fā)展。本課題主要對信號發(fā)生器的原理進(jìn)行學(xué)習(xí)，并開發(fā)一套用于教學(xué)的儀器設(shè)備。主要 研究 內(nèi)容 包括如下幾個方面 ： (1)第一章的內(nèi)容概述。 (3) 第三章的內(nèi)容概述。 (5) (6)進(jìn)行全文總結(jié)，并給出下一步研究建議。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； 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 利用專用的函數(shù)波形發(fā)生器芯片來產(chǎn)生所需要的波形。 圖 21 ICL8038內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ICL8038 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 21。芯片工作時能輸出 ～ 300KHz 的正弦波、三角波、矩形波等函數(shù)波形。并令 2I =2I=21I 。電容 C的電壓 Vc 上升，在 Vc 到達(dá) 2?V /3時，比較器Ⅰ將輸出高電平，此時觸發(fā)器將置一，模擬開關(guān) SW 將會接通。將會 CV 下降。如此循環(huán)下去。 三角波經(jīng)過正弦波變換器可產(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。圖中 R1 和 R2為可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)這兩個電阻的阻值，就可以改變輸出波形的頻率和矩形波的占空比。將其輸出的三路信號接至模擬開關(guān)，可以選擇接通其中一路，然后將這一接通的信號輸入到程控放大器，可對信號幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)。對信號的波形，頻率，幅度等等所有得參數(shù)，均可在程序當(dāng)中調(diào)整。 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、模擬開關(guān)和參考電壓四部分組成。 DAC9832 有 8 個數(shù)據(jù)輸入端，一個模擬輸出端。不會取到整個電壓范圍的任意值。 將不同的波形，不同的幅度所對應(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。雖然這種方法大大簡化了硬件電路，但是加大了軟件編寫的難度。 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)算器三個部分 [10]。然后將這一正弦波通過比較器，得到所需的方波，將方波進(jìn)行積分可得到三角波。這一方案所用的硬件電路較多，但對于軟件的編寫相對比較容 易。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。因此用這一方案實(shí)現(xiàn)的信號發(fā)生器的精確度相對來說也不是很好。因此這一方案是精確度最高的。而軟件編程只需控制數(shù)字電位器就可以調(diào)整信號的頻率和占空比，也比較方便，因此這種方案相對來說是比較簡單的。處理好所有的事物，包括顯示，輸出等工作，對軟件的編寫是一個挑戰(zhàn)。 基于實(shí)際需求對系統(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)者能夠參與到開發(fā)信號發(fā)生器的工程當(dāng)中，開發(fā)一套簡易的，實(shí)用的，容易上手的信號發(fā)生器的原則，第三種方案是最好的選擇。 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)。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發(fā)生器的原理。 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