【正文】 ............................................... 37 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 38 1 前 言 不論是在生產(chǎn)還是在科研與教學(xué)上，信號(hào)發(fā)生器都是電子工程師仿真實(shí)驗(yàn)的最佳工具。傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器采用專用芯片，成本高，控制方式不靈活。 2 第一章 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的介紹 第一節(jié) 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的定義 ●定義 數(shù)字信號(hào)指 幅度 的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。二進(jìn)制碼受 噪聲 的影響小，易于有數(shù)字電路進(jìn)行處理，所以得到了廣泛的應(yīng)用。在測(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)，以模擬在實(shí)際工作中使用的待測(cè)設(shè)備的 激勵(lì)信號(hào) 。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時(shí)，又需使用前沿時(shí)間、脈沖寬度和重復(fù) 周期 已知的矩形脈沖源。 ●應(yīng)用 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器是電子電路設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和儀表測(cè)量校正調(diào)試中應(yīng) 用很多的一種信號(hào)發(fā)生裝置和 信號(hào)源。 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。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、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。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，就需要能 夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。 ●數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)： （ 1） 抗干擾能力強(qiáng)、無噪聲積累。隨著傳輸距離的增加，噪聲累積越來越多，以致使傳輸質(zhì)量嚴(yán)重惡化。 （ 2） 便于加密處理。 （ 3） 便于存儲(chǔ)、處理和交換。 （ 4） 設(shè)備便于集成化、微型化。設(shè)備中大部分電路是數(shù)字電路，可用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，因此體積小、功耗低。采用數(shù)字傳輸方式，可以通過程控?cái)?shù)字交換設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交換，以實(shí)現(xiàn)傳輸和交換的綜合。 （ 6） 占用信道頻帶較寬。隨著寬頻帶信道（光 4 纜、 數(shù)字微波）的大量利用（一對(duì)光纜可開通幾千路電話）以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展（可將一路數(shù)字電話的數(shù)碼率由 64kb/s 壓縮到 32kb/s 甚至更低的數(shù)碼率），數(shù)字電話的帶寬問題已不是主要問題了。近年來，我國(guó)數(shù)字通信得到迅速發(fā)展，正朝著高速化、智能化、寬帶化和綜合化方向邁進(jìn)。主振級(jí)一般用 RC 式振蕩器，也可用差頻振蕩器。 2. 高頻信號(hào)發(fā)生器： 頻率為 100 千赫～ 30 兆赫的高頻、 30～ 300 兆赫的甚高頻信號(hào)發(fā)生器。主要用途是測(cè)量各種接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。輸出信號(hào)電平能準(zhǔn)確讀數(shù)，所加的調(diào)幅度或頻偏也能用電表讀出。 按輸出波 形分類： 1. 正弦信號(hào)發(fā)生器： 正弦信號(hào)主要用于測(cè)量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。正弦波信號(hào)發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成 DDS技術(shù)，在 CPLD 上實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)查找表和地址掃描，經(jīng) D/A 輸出可得到正弦信號(hào)。全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控。它能產(chǎn)生某些特定的周期性時(shí)間函數(shù)波形（主要是正弦波 、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號(hào)。除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于其他非電測(cè)量領(lǐng)域。施米特電路又能使三角波上升到某一閾值或下降到另一閾值時(shí)發(fā)生躍變而形成方波，頻率除能隨積分器中的 RC 值 的變化而改變外，還能用外加電壓控制兩個(gè)閾值而改變。 另一種構(gòu)成方式是用頻率合成器產(chǎn)生正弦波，再對(duì)它多次放大、削波而形成方波，再將方波積分成三角波和正、負(fù)斜率的鋸齒波等。 ： 產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測(cè)試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，或用模擬信號(hào)來測(cè)試?yán)走_(dá)、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。主控振蕩器通常為多諧振蕩器之類的電路，除 能自激振蕩外，主要按觸發(fā)方式工作。有的能輸出成對(duì)的主脈沖，有的能分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。常用的白噪聲發(fā)生器主要有：工作于 1000 兆赫以下同軸線系統(tǒng)的飽和二極管式白噪聲發(fā)生器；用于微波波導(dǎo)系統(tǒng)的氣體放電管式白噪聲發(fā)生器；利用晶體二極管反向電流中噪聲的固態(tài)噪聲源（可工作在 18 吉赫以下整個(gè)頻 段內(nèi)）等。噪聲信號(hào)發(fā)生器主要用途是： ① 在待測(cè)系統(tǒng)中引入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，以模擬實(shí)際工作條件中的噪聲而測(cè)定系統(tǒng)的性能； 6 ② 外加一個(gè)已知噪聲信號(hào)與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲相比較以測(cè)定噪聲系數(shù)； ③ 用隨機(jī)信號(hào)代替正弦或脈沖信號(hào)，以測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 按 頻率改變的方式 ： ：掃頻信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn) 生幅度恒定、頻率在限定范圍內(nèi)作線 性變化的信號(hào)。掃頻信號(hào)發(fā)生器有自動(dòng)掃頻、手控、程控和遠(yuǎn)控等工作方式。輸出信號(hào)頻率通?？砂词M(jìn)位數(shù)字選擇，最高能達(dá) 11 位數(shù)字的極高分辨率。 直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成，變換頻率迅速但電路復(fù)雜，最高輸出頻率只能達(dá) 1000 兆赫左右。這種合成器的最高頻率可達(dá) 吉 赫。 除了上述發(fā)生器外還有 偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器 ， 微波信號(hào)發(fā)生器 等 7 第二節(jié) 研究數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的目的及 其發(fā)展 信號(hào)發(fā)生器也稱信號(hào)源，是用來產(chǎn)生振蕩信號(hào)的一種儀器，為使用者提供需要的穩(wěn)定、可信的參考信號(hào)，并且信號(hào)的特征參數(shù)完全可控。隨著科技的發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用到的信號(hào)形式越來越多，越來越復(fù)雜，頻率也越來越高，所以信號(hào)發(fā)生器的種類也越來越多，同時(shí)信號(hào)發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)形式也不斷向著智能化、軟件化、可編程化發(fā)展。由于信號(hào)源信號(hào)的特征參數(shù)均可人為設(shè)定，所以可以方便地模擬各種情況下不同特性的信號(hào)，對(duì)于產(chǎn)品研發(fā)和電路實(shí)驗(yàn)特別有用。例如，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)頻率為 1kHz 的正弦波信號(hào) ,輸入到一個(gè)被測(cè)的信號(hào)處理電路 (功能為正弦波輸入、方波輸出 )，在被測(cè)電路輸出端可以用示波器檢驗(yàn)是否有符合設(shè)計(jì)要求的方波輸出。由此可看出，信號(hào)發(fā)生器可廣泛應(yīng)用在電子研發(fā)、維修、測(cè)量、校準(zhǔn)等領(lǐng)域 [5]。但總的來說，我國(guó)波形發(fā)生器還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)。函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快近幾年來，國(guó)際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1）過去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點(diǎn)、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。從而促進(jìn)了波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的飛速發(fā)展也對(duì)任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動(dòng)作用。 （ 2）與 VXI資源結(jié)合。由于 VXI總線的逐漸成熟和對(duì)測(cè)量?jī)x器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用 VXI系 統(tǒng)測(cè)量產(chǎn)生復(fù)雜的波形， VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā) VXI模塊的周期長(zhǎng)，而且需要專門的 VXI機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器 VXI模塊僅限于航空、軍事及國(guó)防等大型領(lǐng)域。 （ 3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺(tái)式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。這些新一代臺(tái)式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。 9 第二章 波形的概述 第一節(jié) 矩形波 矩形波被廣泛用于數(shù)字開 關(guān)電路， 矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間 [6]。 三角波波形如圖 ： 圖 三角波形 第三節(jié) 正弦波 正弦波即是頻率成分最為單一的一種信號(hào) ，因這種信號(hào)的波形是數(shù)學(xué)上的正弦曲線而得名。我們可以設(shè)一個(gè)函數(shù)為 y=sin X，當(dāng) X 分別取 0、 60、 90、 1 150、 180 時(shí)， Y 數(shù)值分別為 0、 、 、 、 0。該圖像有一個(gè)特點(diǎn)，就是周期性變化，例如 X = 0 時(shí)， Y = 0， X = 180 時(shí)， Y = 0；若 X 取值【 180~360】，則我們可以看到，圖像正好 與原來的相反（在第四象限）。正弦波是所有波中最普遍常見的波形，也是最容易生成的波形?？? 11 以說是所有波形的基礎(chǔ)。 正弦信號(hào)與余弦信號(hào)，兩者只是在相位上相差 2π，可以統(tǒng)稱為正弦信號(hào)。上述三量是正弦信號(hào)的三要素。正弦信號(hào)是周期信號(hào)，其周期 T 與頻率 f 及角頻率 ω 之間的關(guān)系為： (23) 正弦波形如圖 所示： 圖 第四節(jié) 波形的產(chǎn)生 波形發(fā)生器可以基于模擬技術(shù)，也可以基于數(shù)字技術(shù)。而數(shù)字函數(shù)發(fā)生器采用直接數(shù) 字綜合 DDS， DAC，數(shù)字信號(hào)處理，以及一個(gè)單周期存儲(chǔ)緩沖器來產(chǎn)生信號(hào)。 DDS能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高分辨率，高溫度穩(wěn)定度，高寬帶，以及隨機(jī)的和相位連續(xù)的頻率切換 [9]。 直接數(shù)字法是采用直接數(shù)字合成（ Direct Digital Synthesis）的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生。直接數(shù)字合成技術(shù)近年來發(fā)展得很快，而要產(chǎn)生任意波形就必須采用直接數(shù)字很成技術(shù)。這個(gè)詞一般在數(shù)字頻率合成器（ DDS）中出現(xiàn)，因?yàn)閿?shù)字頻率合成時(shí)，要想輸出一個(gè)波形（比如正弦波）的話，當(dāng)然應(yīng)該輸出一個(gè)周期內(nèi)的很多個(gè)點(diǎn)才能得到失真的很小的波形，所以時(shí)鐘 13 的頻率會(huì)是輸出波形頻率的 x 倍。當(dāng) x 個(gè)周期后，也就輸出得到一個(gè)完整的正弦波了。 14 第三章 方案的設(shè)計(jì) 第一節(jié) 信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì) 方案一：通過單片機(jī)控制 D/A，輸出三種波形。但此方案電路簡(jiǎn)單、成本低。通過芯片 IC145152，壓控振蕩器搭接的鎖相環(huán)電路輸出穩(wěn)定性極好的正弦波，再利用過零比較器轉(zhuǎn)換成方波，積分電路轉(zhuǎn)換成三角波。 方案三：利用 MAX038 芯片組成的電路輸出波形。但此方案成本高，程序復(fù)雜度高。 第二節(jié) 單片機(jī)的選擇 方案一： AT89S52 單片機(jī)是一種低功耗、高性能 8 位單片微型計(jì)算機(jī)。 方案二： C8051F005 單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與 8051兼容的微控制器內(nèi)核，與 MCS51 指令集完全兼容。但其價(jià)格較貴 15 以上兩種方案綜合考慮， 由于方案二中 C8051F005 單片機(jī)價(jià)格明顯高于AT89S52，所以 選擇方案一。 LED 數(shù)碼管由 8 個(gè)發(fā)光二極管組成，每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。使用數(shù)碼管顯示編程較易，但要顯示內(nèi)容多，而且數(shù)碼管不能顯示字母。其功率小，效果明顯，顯示編程容易控制，可以顯示字母。 第四節(jié) 輸入方案 主要用于控制波形的轉(zhuǎn)換，波形顯示的開始和結(jié)束。按鍵較開關(guān)而言，操作更加簡(jiǎn)便，故選按鍵控制。矩陣 式鍵盤的按鍵觸點(diǎn)接于由行、列母線構(gòu)成的矩陣電路的交叉處。當(dāng)某一個(gè)鍵閉合時(shí)，該鍵所對(duì)應(yīng)的行線和列線被短路。編碼式鍵盤的按鍵觸點(diǎn)接于 74LS148 芯片。 本次設(shè)計(jì)所需按鍵不多，不需要采用復(fù)雜編碼，考慮硬件條件、線路連接和經(jīng)濟(jì)性等方面，選擇方案一。使用 Atmel 公司高密度 非易失性存儲(chǔ)器 技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。另外， AT89S52 可降 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止 [13]。 ●引腳說明 P0 口： P0口是一個(gè) 8位漏極開路的雙向 I/O 口。對(duì) P0端口寫 “1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。在這種模式下， P0不具有內(nèi) 部上拉電阻。程序校驗(yàn) 時(shí)，需要外部上拉電阻 [14]。對(duì) P1 端口寫 “1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。 此外， /計(jì)數(shù)器 2的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ）。 引腳號(hào)第二功能： T2（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2的捕捉 /重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） MOSI（在系統(tǒng)編程用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口： P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在這種應(yīng)用