论文—王龙_25-gai

论文—王龙_25-gai 本科生毕业论文 (设计) 中文目 基于AVR单片机的信号发生器设计 英文题目 The design of signal generator based on AVR SCM 学生姓名 王龙 班级 650701 学号 65070102 学 院 仪器科学与电气工程学院 专 业 测控技术与仪器 指导教师 田宝凤 职称 副教授 中文摘要 信号发生器在科技领域和生产实践中有着非常广泛的应用。在电子测量实验课程建设中，为了使学生深入了解信号发生器的原理以及工作流程，开发一套简易、实用的信号发生器具有重要的意义。 在查阅大量文献资料的基础上，通过对几种常用设计方案的对比分析，得出直接数字频率合成(DDS)技术设计的信号发生器具有控制灵活、频率分辨率高、相位连续、切换速度快、输出相位噪声低和可以产生任意波形等优点。本文基于AVR单片机，采用DDS设计方案，对信号发生器的硬件设计和软件实现做了详细的分析,完成了软硬件的设计和调试，开发了一套用于实验教学的信号发生器。该仪器通过键盘控制及LED 显示，实现了方波、正弦波、三角波和扫频波的输出，并且输出幅度、频率在一定范围内可调。通过研究与实践，所研制的信号发生器已经能够满足实验室教学需求。 关键词 信号发生器 AVR单片机 DDS 键盘控制 Title The design of signal generator based on AVR SCM Abstract Keywords signal generator AVR SCM DDS 目 录 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.3 本文主要研究的及指标要求 2 系统方案设计与选择 2.1 系统方案的设计 2.2 系统方案的选择 2.3 本章小结 3 硬件系统的设计 3.1 系统原理总体设计 3.2 系统子模块电路设计 3.3 本章小结 4 软件系统的设计 4.1 软件系统总体流程的设计 4.2 软件系统子模块流的设计 4.3 本章小结 5 系统测试 5.1 系统测试情况 5.2 本章小结 参考文献 致谢 1 绪 论 1.1 课题研究的背景及意义 信号发生器又称为信号源或者振荡器，在科技领域和生产实践中有着十分广泛的应用，如熔炼、高频感应加热、超声诊断、淬火、核磁共振成像等，都需要频率或者高或者低、功率或者大或者小的振荡器，信号发生器作为一种基 [1]础的仪器，市场上有很多成品。在电子测量实验课程建设中，为了让初学者更好的深入了解它的原理，以及工作流程，使初学者能够参与到开发信号发生器的工程当中，开发一套简易的，实用的，容易上手的信号发生器是非常有必要的。 本课题就是在上述背景下，基于AVR单片机进行信号发生器的设计，开发出适合实验教学用的信号发生器设备，辅以键盘控制以及LED 显示，实现方波、正弦波、三角波和扫频波的输出，且输出幅度、频率在一定范围内可调。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 信号发生器的分类 (1)按照频率的范围分类 信号发生器按照测量得频率范围可分为微波信号发生器、低频信号发生器和高频信号发生器。 低频信号发生器:包括视频 (1Hz,10MHz)和音频(200Hz,20000Hz)范围的正弦波信号发生器。主振级一般采用RC式振荡器，或者用差频振 [2]荡器。 高频信号发生器:频率为 100KHz,30MHz的高频、30MHz,300MHz的 [3]甚高频信号发生器。一般为 LC调谐式振荡器。 (2)按照频率改变的方式分类 信号发生器按照频率改变的方式可分为调扫频式信号发生器、频率合成式和程控式信号发生器信号发生器。 扫频、程控信号发生器:扫频信号发生器能产生幅度恒定、频率在限定的范围内作线性变化的信号发生器。扫频信号发生器分为手控、自动扫 [4]频、远控和程控等工作方式。 频率合成式:频率合成式发生器的信号不是直接由振荡器产生的，而是用高稳定度的石英振荡器来作为标准的频率源，利用频率合成的技术形成所需的任意频率的信号，这个信号拥有与标准的频率源相同的频率稳定 [5]度和准确度。 (3)按照输出信号的波形分类 信号发生器按照输出信号的波形分类可以分为函数信号、随机信号和脉冲信号发生器等。 函数信号发生器:又称为波形信号发生器。它能够产生特定的函数波形(主要是三角波、正弦波、方波、脉冲波和锯齿波等)信号。频率范围 [6]可从几uHz的超低频直到几十MHz。 脉冲信号发生器:能够产生幅度、频率和宽度可调的矩形波脉冲的信 [7]号发生器。 1.2.2 国内外研究现状及发展趋势 国内外对于信号发生器的研究主要经历了如下几个阶段: 1( 2( 3( 4( 。。。。。 国内，某某或者哪个单位****基于什么方法研究了什么信号发生器器，国外，哪个国家研究了什么信号发生器，。。。。。。 综述国内外研究现状，可以看出信号发生器向着。。。。。趋势发展。 1.3本文主要研究的内容及指标要求 《电子测量原理》实验平台的开发，是实现和完成电子测量课程的最行之有效的手段和工具。本课题主要对信号发生器的原理进行学习，并开发一套用于教学的仪器设备。这套仪器主要采用AVR单片机、DDS模块、LED、键盘产生方波、正弦波、三角波和扫频波及实现输出幅度、频率在一定范围内可调及显示。主要研究内容包括如下几个方面: (1)第一章的内容概述。 (2) 第二章的内容概述。 (3) 第三章的内容概述。 (4) 第四章的内容概述。 (5) (6)进行全文总结，并给出下一步研究建议。 具体指标要求: (1)双通道同时输出波形，且互不影响; (2)输出波形为正弦波，三角波，方波; (3)输出波形振幅是500mV~3V，步进500mV。误差为?10% ; (4)输出波形频率是500Hz~3000Hz，步进100Hz，误差为?5% ; (5)方波占空比可调; (6)输出扫频波，扫频范围500Hz~10kHz; (7)李沙育图形的观测; 2 系统方案设计与选择 2.1 几种常用的系统设计方案 2.1.1 基于函数波形发生器的设计方案 利用专用的函数波形发生器芯片来产生所需要的波形。这样产生的波形相对来说比较稳定，质量比较高，使系统得稳定度会有所提升。 图2-1 ICL8038内部结构图 ICL8038的内部结构图如图2-1。它的频率范围较宽、频率稳定度很高、外围电路比较简单。芯片工作时能输出0.001Hz,300KHz的正弦波、三角波、矩形波等函数波形。 IIII假如A、B的恒流值分别是、。并令=2I=2。在触发器置零的时候，1221 模拟开关SW将会断开，此时恒流源B将被断开，仅有恒流源A向电容C充电。 V电容C的电压Vc上升，在Vc到达2/3时，比较器?将输出高电平，此时触， 发器将置一，模拟开关SW将会接通。这一时刻恒流源A,B都将起作用，但恒流源A对电容C正向充电，恒流源B对电容C反向充电，所以实际的电流为 IV=I-I=I，电流与正向电流在数值上是相等的，方向是相反的。将会下C反21 VV降。在到达/3时，比较器?将会输出高电平，此时触发器置将零，模拟C， 开关SW将会断开，此时恒流源B将不再起作用，只有恒流源A对电容C充电。如此循环下去。可以看出，电容器两端的波形即为三角波，并且经由缓冲器? [8]输出，触发器Q端的波形即为占空比为50%的方波，经由缓冲器?输出。 三角波经过正弦波变换器可产生出正弦波，正弦波变换器可使三角波尖端变得平滑，形成理想的正弦波。 图2-2 ICL8038构成的精密函数发生器 图2-2为8038构成的精密函数发生器电路。图中R1和R2为可调电阻，调节这两个电阻的阻值，就可以改变输出波形的频率和矩形波的占空比。如将R1与R2换作数字电位器，则对其输出得波形频率可以数字控制。将其输出的三路信号接至模拟开关，可以选择接通其中一路，然后将这一接通的信号输入到程控放大器，可对信号幅度进行调节。 2.1.2 采用D/A方式的设计方案 D/A方式，也就是采用DAC芯片，直接将数字量转化为模拟量。对信号的波形，频率，幅度等等所有得参数，均可在程序当中调整。大大简化了硬件电路的复杂程度。 图2-3 DAC0832内部结构 例如采用芯片DAC0832，如图2-3，它由倒T型R-2R电阻网络、运算放大器、模拟开关和参考电压四部分组成。运算放大器输出Vo为: V*RREFfn1,N2,0V,,(D*2，D*2，,，D*2) on1,N2,0n2R 可见，输入的数字量和输出的模拟量是成正比，从而实现了从数字量到模拟量的转换。DAC9832有8个数据输入端，一个模拟输出端。输入可以是256个不同的8位二进制数，输出也是256个可能值。不会取到整个电压范围的任 [9]意值。典型的应用电路(图2-4)。 将不同的波形，不同的幅度所对应的数据值存成数据，就可以输出所需的波形，频率，幅度，以及占空比。用这种方法产生的波形可控性及可操作行比较强，由于波形的产生与变换均依靠于软件，因此使得系统的稳定性要低一些。虽然这种方法大大简化了硬件电路，但是加大了软件编写的难度。 图2-4 DAC0832典型应用电路 2.1.3 采用DDS的设计方案 DDS是直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer)的英文缩写。如图2-5，一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器 [10]和正弦计算器三个部分。 图2-5 DDS内部原理 通过控制器控制它的控制端，可以得到所需频率的正弦波。然后将这一正弦波通过比较器，得到所需的方波，将方波进行积分可得到三角波。将这三个波形输入到模拟开关，有选择的导通其中一种波形，将其输出接至程控放大器，即可控制其幅度的大小。这一方案所用的硬件电路较多，但对于软件的编写相 对比较容易。 2.2 系统方案的选择 2.2.1 基于精确度角度对系统方案的选择 由精确度的角度出发，第一种方案采用函数波形发生器专用芯片直接产生波形，这样的波形比较稳定，但由于频率和占空比的调节需要数字电位器，因此它的精确度相对来说比较差。第二种方案采用D/A的方式产生各种不同频率不同幅度的波形，精确度主要取决于D/A的分辨率以及控制器和D/A的速度。如果输出一个频率相对较高的正弦波，在控制器速度不是很高的情况下，波形会失真。因此用这一方案实现的信号发生器的精确度相对来说也不是很好。第三种方案采用DDS，频率通过改变控制字来改变，在几十兆晶振的时钟频率下，对频率的控制可以达到很好的精确度。因此这一方案是精确度最高的。 2.2.2 基于难易度角度对系统方案的选择 由难易度的角度出发，第一种方案采用函数波形发生器专用芯片直接产生波形，使得硬件电路比较简单。而软件编程只需控制数字电位器就可以调整信号的频率和占空比，也比较方便，因此这种方案相对来说是比较简单的。第二种方案采用D/A的方式产生各种不同频率不同幅度的波形，大大简化了硬件电路，但这对软件的编写造成了麻烦，因为信号要时时产生，那么控制器就必须时时工作，这样会使得控制器无暇处理其它事情。处理好所有的事物，包括显示，输出等工作，对软件的编写是一个挑战。第三种方案采用DDS，硬件电路采用较多，但软件编程却并不复杂，这一方案的难度比较适中。 2.2.3 基于实际需求对系统方案的选择 由实际需求的角度出发，本着让初学者更好的深入了解它的原理，以及工作流程，使初学者能够参与到开发信号发生器的工程当中，开发一套简易的，实用的，容易上手的信号发生器的原则，第三种方案是最好的选择。不但可以 使得初学者学会如何产生信号，还可以练习程序的编写，能够使初学者很容易的了解整个过程的来龙去脉。 2.3 本章小结 本章主要讨论了实现要求的可能方案，以及它们的优缺点。通过比较三个方案的优缺点，采用了第三种方案，用DDS来实现信号的产生。这种方案精度较高，难度不大，而且能使初学者更好的深入了解信号发生器的原理。 3 硬件系统的设计 3.1 系统总体设计 系统总体设计框图如图3-1所示。 通道1 波形选择模比较器放大器模块DDS模块块模块 积分参数选择积分模块模块 人工界面Atmega128模块 积分参数选择积分模块模块 通道2 比较器波形选择模DDS模块放大器模块模块块 图3-1 系统原理框图 DDS模块在Atmega128的控制下输出正弦波信号，这一个正弦波信号分两路，一路正弦波信号输入到比较器模块，通过电压比较，比较器模块会输出一个同频率的方波信号。另一路正弦波信号输入到波形选择模块，作为整个系统的正弦波输出。 比较器模块输出的方波信号也分成两路，一路方波信号输入到波形选择模块，作为整个系统的方波信号输出，另一路输入到积分参数选择模块以备积分使用。 积分参数选择模块在Atmega128控制器的控制下选择对应此时波形频率的积分参数，即选择对应此时频率的电阻，将这一电阻连接到电路中，并将比较器输入的方波信号通过这一电阻输入到后续积分器模块中。 积分模块接收到积分参数选择模块的输入的方波信号后，对方波信号进行积分，将会得到三角波信号。积分模块将这个三角波信号输入到波形选择模块。 波形选择模块在Atmega128控制器的控制下，选择输出这三个波形的其中之一。波形选择模块将被选波形信号输入到放大器模块。 放大器模块在Atmega128控制器的控制下进行对信号放大参数进行调整。 人工界面模块包括LED数码管显示，按键和LED状态指示灯。人工界面模块是人与机器进行交流的一个通道，指令可以通过这个模块输入到整个系统，例如:波形频率的改变，波形幅度的改变，波形的转换等等。 3.2 系统子模块电路设计 3.2.1 主控系统 主控系统的主要作用: (1)感受人工界面系统的输入信息 指令通过人工界面系统模块输入后，主控系统接到这一信息，通过分析运算，进行相应的动作。按照事先设计好的程序，控制其它系统共同完成这一指令。例如:信号频率的更改、信号波形的转变、信号幅度的变化等等。只有系统能够感受到人工系统模块的输入信息，才能保证整个系统能够按照设计运行。 (2)信息处理中枢 当主控系统接收到外部指令时，需要将这一指令进行处理和分析。明确这一信号的意义所在。这一指令可能是改变信号频率，可能是改变信号幅度，也可能是改变信号波形。主控系统需要将这一指令分析清楚，然后将这一指令变换成其它系统需要的指令。如果这一指令是改变信号频率，那么主控系统要将这一指令转换成DDS系统模块能够识别的改变信号频率的指令，然后传送给DDS系统模块。 (3)控制中心 作为系统的核心子系统，主控系统需要完全掌控其它子系统。能够给其它各子系统发送命令，控制它们能够按照设计的程序有条不紊的运行。例如:控制DDS系统模块改变频率、控制积分模块改变积分参数、控制放大系统模块改变放大参数、控制波形选择系统模块改变输出的波形等等。有着这些控制能力，使它成为了整个系统的控制中心。 主控系统作为整个系统的核心，它的能力决定着整个系统功能的实现，看似简单的一条指令，都体现着它的信息感受能力、信息处理能力和控制能力。例如:输入的指令为信号频率增加100Hz。主控系统接收到这一指令后，将这一指令转换为DDS系统模块能够识别的指令控制其将信号频率增加100Hz，同时判断是否要改变积分系统模块的积分参数，如果需要改变，那么会控制积分系统模块进行参数调整。同样，也会判断是否要改变放大系统模块的放大参数是否需要改变。当这一系列的调整和控制都完成后，还需要将这一变化通过人工界面系统模块显示出来。主控系统采用。。。来实现，由于。。。。。。优点。如图3-2所示。 图3-2 主控系统(不要了) 3.2.2 DDS模块 AD9832是一款DDS芯片，它的最高时钟频率可达到25MHz。本次研究使用 f,f/2了8MHz时钟频率，最高输出频率。如果产生1KHz的正弦波，outclk ff=8MHz，=1KHz，相位累加器宽度N=32，则频率控制字为: clkout 3232 K,2，f/f,2，1/8000,536871outclk 3232频率分辨率为:Hz ,f,1/2*f,1/2*8000000,0.0018626clk 图3-4 AD9832时序图 图3-4为AD9832的操作时序图。 FSYNC变为低电平的时候，在SCLK的下降沿的时候SDATA的数据是有效的。就是说AD9832在SCLK的下降沿的时侯将会读取SDATA的电平状态。控制器可以先将SDATA置为所需的电平状态，然后再将SCLK拉到低电平，这样就完成了一位数据的发送。AD9832在串行通信时，首先移入的是高位数据，然后移入的 [11]是低位数据。 VCC AD98325U214SINE2 DDDD10FSELECTVVR251014ADIOUT12PSEL0 R43.9K111FSADJUSTPSEL1 3REFOUT9PE0FSYNC 28PE1REFINSDATA C14103167PE2VCCCMPSCLKU4634DDMCLKOUTVDDVCCNNGGAD12NCGND351有源晶振 图3-5 DDS模块电路 图3-5为DDS模块电路图。主控制器通过控制AD9832的频率控制字和相位控制字来改变DDS模块输出的正弦波的频率和相位。AD9832的IOUT R端通过一个电阻R2接地，，就是FSADJUST与地端I,12.5，V/Rsetmaxrefset [11]接的电阻，取3.9K，Imax=3.88mA，Vpp=Imax*R2，Vpp=1.98V。 3.2.3 比较器模块 比较器模块电路图如图3-6所示。 VCC VCC R15Res11K 821SQUERSINE3 PG3U8A4 5U7LM393AN7PA42VCC-5638VCCPA51 4X9C103 图3-6 比较器模块电路 X9C103是100阶数字电位器，它的电阻范围为40Ω到10KΩ。内部有99 个电阻阵列，每个电阻阵列都有抽头点用以被滑动单元访问。CS、UD、INC三 [12]个输入端控制滑动单元的位置。 X9C103操作时序图如图3-7: 图3-7 X9C103时序图 数字电位器X9C103与一个10K电阻串联后，电阻的另一端端接正5伏，电 位器的另一端接到地。组成一个分压器。通过调整电位器的阻值，可以得到不 同的电压值。将这一个电压值输入到比较器的反向输入端，将正弦波输入到同向输入端。正弦波与反向输入端的这一电压进行比较，如果大于这一电压，则比较器输出高电平(+5V)，如果小于这一电压，则比较器输出低电平(-5V)。当高电平与低电平的时间比为1:1时，比较器就输出一个与正弦波同频率的方波。通过调整电位器的阻值，可以调整分压的大小，这一电压的改变，可以改变高电平和低电平的时间，从而改变方波的占空比。 3.2.4 电压跟随器模块 电压跟随器模块电路如图3-8所示。 VCC12 U1257ADOP07AQ26SQUER381 4 VCC-12 图3-8 电压跟随器 电压跟随器采用了运放OP07，将运放的反向输入端与输出端连接到一起，信号从同向输入端输入,这样就形成了同向电压跟随器。加入电压跟随器后，使得前后级的阻抗得到较好的匹配。将前后两级隔离开，减少了干扰。 3.2.5 积分参数选择与积分模块 积分参数选择模块如图3-9所示。 图3-9 积分参数选择模块 74VHC4051是一个单8通道数控模拟电子开关，内部含有有三个控制端A、B、C和一个EN输入，当EN输入端为“0”时，三位二进制信号将选通8个通 [13]道中的一个通道。 对于频率不同的方波，对同一积分电路来说，积分出结果是不同的。对于频率正合适的方波，积分出的波形可以是很完美的三角波。而对于频率低的方波，积分出的效果是切顶、切底的三角波。对于频率高的方波，积分出的三角波的幅度会很小。这样就会得到不同频率的三角波信号参差不齐。 为了避免出现这种情况，那么就需要对积分电路的积分参数进行调整。根据Vout=-1,CR?Vindt，可知调整电容或者电阻的值就可以实现对积分电路得调整,根据实际情况，本课题采用改变电阻阻值的方法。 积分电路模块的电路图如图3-10所示。 C44 332VCC12 U1557ADOP07AQSQUER-F26381R494Res110K VCC-12 图3-10 积分电路 积分电路采用了运放OP07，积分电容选择了332。积分电容将反向输入端与输出端连接到一起。同向输入端经过一个10K电阻接地。 通过对信号频率得分析，以及用积分电路实验得到验证，将500Hz~3000Hz的信号分成了5个频段，每一个频段对应一个电阻的阻值。对应关系如表3-1所示。 表3-1 积分电路频率参数与匹配电阻对应表(重画) 经过这样对应之后，可以大大消弱三角波参差不齐的情况。由500Hz~3000Hz的方波信号积分得到的三角波的波形不会出现切顶或切底的情况，三角波信号的幅值也基本维持在了一个比较统一的电压段。这样后续电路对三角波信号的处理就明显简易了。 3.2.6 波形选择模块 波形选择模块电路图如图3-11所示。 VCC U17616ENVCCPC610APC79B SINE1213X0XTRIG14X1R51SQUER15X2Res111X31KR5350013OUT1Y0YR573305Y1R593302Y24Y3 87GNDVEE 74VHC4052NVCC-5 图3-11 波形选择模块 波形选择模块用了74VHC4052数控模拟开关。通过控制A,B两个端口，选择三个波形中的一个输出，这一输出通过电阻网络二次分压，最后输出到下一级电路。进行二次分压是因为三个波形的幅值大小不同一，经过二次分压后，三个波形的幅值基本保持了一致。这样，不管选择哪一种波形作为输出，后续电路都可以得到幅度一致的波形。 3.2.7 放大器模块 PG0VCC12 U2257PG12U2365C627R68ADOP07AQ3OUT2286C63105Res1PG21310K1058P44X9C1041R704Res1VCCBNC10K VCC-12 图3-12 放大器模块电路 如图3-12为放大器模块电路。放大器模块用了运放OP07，信号首先经过一个电容器隔直后，经过一个电阻输入到反向输入端。同向输入端通过一个10K电阻接地。反向输入端与输出端之间接入了数字电位器。通过调整数字电位器的电阻阻值，就可以调整整个放大器的放大倍数。数字电位器用了X9C104，最大阻值为100K欧姆。这样，这个简易的程控放大器的最大放大倍数为10倍， [14]最小放大倍数为0.1倍。 3.3 本章小结 本章主要介绍了整个系统的硬件结构。包括主控系统、DDS模块、积分器、放大器、选择器等部分。详细的讲述了各模块的工作原理、实现功能、以及模块之间的联系通信，使读者对整个系统有一个清晰的轮廓。 4 软件系统的设计 4.1 软件系统总体流程设计 系统软件总体设计流程如图4-1所示。进入主程序后，首先系统进行初始化。初始化包括系统各个参数的初始化，各个模块的初始化。初始化完毕后，信号发生器的两个通道将会输出频率为1KHz，振幅为1V的正弦波。这时，系统处于等待状态。 开始 初始化 是程序参数是否相应模块做出 有变动相应调整 否 人工界面显示 当前状态 图4-1 软件系统总体流程 结束 当有改变程序参数的指令输入时，系统将对信号输出做出调整。例如:改变通道1的频率为1100Hz。这时，系统的程序参数通道1的频率改变了，主控系统会按照程序控制通道1的DDS模块输出频率为1100Hz的信号。接着数码管会显示此时通道1的频率已经变为1100。 4.2 软件系统子模块流程设计 4.2.1 DDS模块控制程序流程 开始 初始化 是频率是否改变频率控制字需要改变 否否 相位是否 需要改变 是 改变相位控制字 结束 图4-2 DDS模块控制程序流程图 如图4-2，进入DDS控制模块后，首先会判断频率的参数值是否已经发生了变化，如果发生了变化，程序立刻会将此时频率的参数值转化为对应的频率控制字传送给DDS模块。如果没有改变，则维持原来状态。然后查看相位的参数值是否发生了变化。如果相位的参数值发生了变化，程序也立刻会将此时相位的参数值转化为对应的相位的控制字传送给DDS模块。然后返回主程序。如果没有发生变化，则维持原来状态返回主程序。 4.2.2 积分参数选择模块控制程序流程 开始 监测当前信号频率 否频率是否选择通道1大于700Hz 是 否频率是否选择通道2大于1000Hz 是 否频率是否选择通道3大于1500Hz 是 否频率是否选择通道4大于2100Hz 是 选择通道5 图4-3 积分参数选择模块程序控制流程图 如图4-3，积分电路的作用是将方波信号积分成三角波。对于不同频率的方波信号，选择不同阻值的电阻与之对应，这样得到的三角波信号会比较统一。返回 进入积分参数选择控制模块后，首先会查看频率的大小，当频率小于800Hz时，通道1的电阻会被接入电路中。当频率在800Hz~1000Hz之间时，通道2的电阻会被接入电路中。当频率在1100Hz~1400Hz之间时，通道3的电阻会被接入电路中。当频率在1500Hz~2100Hz之间时，通道4的电阻会被接入电路中。当频率在2200Hz~3000Hz之间时，通道5的电阻会被接入电路中。 4.2.3 波形选择模块控制程序流程 开始 监测输出波形的状态 是选择通道1是否为正弦波 否 是是否为三角波选择通道2 否 是否选择通道3是否为方波选择通道1 返回 图4-4波形选择模块控制程序流程图 如图4-4，波形选择模块用于同一个通道不同波形切换。波形的切换通过一个模拟开关来完成。当需要切换波形的时候，改变波形对应的参数。当进入波形选择控制模块时，会对波形参数进行监测。当选择正弦波时，通道1将会导通。当选择三角波时，通道2将会导通。当选择方波时，通道3将会导通。当选择扫频波时，因为用于扫频的波形也为正弦波，所以通道1将会导通。 4.2.4 放大器模块控制程序流程 开始 否否否是否为三角波是否为正弦波是否为方波 是是是 否频率是否改变是否改变幅度是否改变幅度是否改变幅度 是是是否 否 改变放大器的改变放大器的改变放大器的设置放大器为固定是 放大参数放大参数放大参数放大参数 否 返回 图4-5放大器模块控制程序流程图 如图4-5，放大器控制模块用于信号幅值的调整。当程序进入放大器控制模块时，程序首先会对波形进行判断。如果是正弦波，在观测其幅值对应的参数是否发生变化，如果发生了变化，则会控制放大器模块改变放大参数，使信号的幅度满足要求值。同样方波也是如此。而扫频波不具有调幅这一功能，它只有一个幅度值。同正弦波与方波比起来，三角波除了要看幅度对应的参数外，还要查看其频率对应的参数是否有变化。因为三角波是由方波积分而来，虽然有积分参数的选择，使得积分得到的三角波基本一致，但是仍然会有误差。在不同的频率下三角波的幅值仍然会有区别。所以在频率改变后，也要调整放大 器的放大参数。这样采能使得三角波输出所需的幅度值。 4.3 本章小结 本章主要介绍了整个系统的软件组织结构，论述了各个模块的工作流程。软件系统主要包括DDS控制模块、积分参数选择控制模块、波形选择控制模块、放大器参数控制模块。 5 系统测试 5.1 系统测试情况 5.1.1 正弦波测试情况 通道2为正弦波时，通道1分别为正弦波、三角波、方波时的测试图形如图5-1、图5-2、图5-3。黄色表示通道1，蓝色表示通道2。 图5-1 通道1为正弦波 图5-2 通道1为三角波 图5-3 通道1为方波 5.1.2 三角波测试情况 通道2为三角波时，通道1分别为正弦波、三角波、方波时的测试图形如图5-4、图5-5、图5-6。 图5-4 通道1为方波 图5-5 通道1为三角波 图5-6 通道1为正弦波 5.1.3 方波测试情况 通道2为方波时，通道1分别为正弦波、三角波、方波时的测试图形如图5-7、图5-8、图5-9。 图5-7 通道1为方波 图5-8 通道1为正弦波 图5-9 通道1为三角波 方波占空比测试，如图5-10、图5-11、图5-12、图5-13、图5-14所示。 图5-12 通道1占空比为50%，通道2占空比为30% 图5-14 通道1占空比为70%，通道2占空比为30% 5.1.4 李沙育图形观察情况 通道1与通道2相位差0?，如图5-10、图5-11所示。 图5-10 相位差为0时的李图形 图5-11 图名 通道2相位落后通道1相位90? (如图5-12、图5-13) 图5-12 图5-13 通道2相位落后通道1相位180? (如图5-14、图5-15) 图5-14 图5-15 通道2相位落后通道1相位270? (如图5-16、图5-17) 图5-16 图5-17 5.1.5 输出扫频波的图形没有给出。 5.2 测试误差分析 5.2(1输出波形幅度误差分析 5.2(2(输出波形频率误差分析 5.3 本章小结 本章主要为整个系统的测试结果。包括:正弦波测试、三角波测试、方波测试、占空比测试以及李沙育波形的观测。通过检测，这个系统性能良好，能够满足设计要求。 总 结 信号发生器作为一种基础仪器，在科技领域和生产实践中有着广泛的应用。本文通过对信号发生器的原理的研究，开发一套用于教学的仪器设备。主要采用AVR单片机、DDS模块、LED、键盘产生方波、正弦波、三角波和扫频波及实现输出幅度、频率在一定范围内可调及显示的功能。主要研究工作如下: (1)双通道同时输出波形，且互不影响; (2)输出波形为正弦波，三角波，方波; (3)输出波形振幅是500mV~3V，步进500mV。误差为?10% ; (4)输出波形频率是500Hz~3000Hz，步进100Hz，误差为?5% ; (4)方波占空比可调; (5)输出扫频波，扫频范围500Hz~10kHz; (5)李沙育图形的观测; 为了让学生了解信号发生器的原理和工作流程，本文设计的用于实验教学的信号发生器的性能指标并不高。这样可以使学生对仪器的功能实现更加关注，更有利于学生对原理及工作流程的掌握。 本文介绍的信号发生器在性能指标上留有很大的提升空间。主要表现在以下几个方面: (1)所用DDS模块最高输出频率可以达到3MHz，频率分辨率为0.0018626Hz。则对于信号频率的范围和精度的性能指标都有很大的提高空间。 (2)放大器模块的调整参数为数字电位器的阻值。采用的数字电位器X9C104的阻值范围是40欧姆到100K欧姆。内部含有99个电阻单元的电阻阵列。放大器的工作电压为土12V。根据理论分析，输出信号的幅度范围和精度指标都有很大的提升空间。 (3)比较器的基准电压是经过数字电位器与电阻分压得到，采用拥有更小滑 动增量的数字电位器，可以使方波信号占空比的精度有很大提升空间。 (4)系统在输出方波信号，调整占空比的时候，会有一个直流偏量。将这一直流偏量去除会更加完美。 随着高科技产品对人们生活影响力越来越大，作为基础仪器的信号发生器的地位也越来越高。具有更高制造水平、更高性能指标的信号发生器还需要我们去研究、去创造。 参考文献 [1] 林占江.电子测量技术[M]. 电子工业出版社，2003. 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