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任意波形发生器指导手册 摘要：系统综合了EDA技术和单片机技术，整个系统分为波形产生模块、单片机控制模块、LCD显示、键盘、幅度控制模块。采用直接数字频率合成（DDFS）技术，通过软件对其波形进行控制，实现多种波形的输出及组合。该系统可实现的频率范围宽、幅度和频率精度高，利用液晶显示屏中文人机交互界面。 一、方案论证与比较 1．波形产生及频率合成模块 方案1：采用传统的模拟振荡电路的方法。如产生正弦波可采用模拟分立元件RC 或LC 振荡器，但其产生的信号的频率精度低，稳定度和抗干扰能力差，成本也比较高，外围电路复杂，且易受外界干扰，硬件调试困难，不便程控。而且对于题目发挥部分所要求的最高频率200kHz的要求，不容易满足，实现的性能指标不理想。 方案2：采用专用集成芯片。专用集成波形发生芯片ICL8038能够产生方波、正弦波、三角波等多种常规波形，频率变化范围可达0.01Hz——300kHz，占空比达2%——98%，该芯片具有良好的性能，与外围电路配合调试后可以达到本题目的要求。但是采用该方法所需要的外围电路模块较多，且较为复杂，不利于控制和问题的检查。 方案3：采用纯单片机的方法。利用单片机编成的发式可以产生多种波形，开发简易。而且由于是数字量，容易受用户的控制。但是单片机速度有限，产生的波形频率较低，难以达到题目的要求。 方案4：利用FPGA采用直接数字式频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis，简称DDS或DDFS）的方式。在FPGA中定义Rom空间用来存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求以频率控制字为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内部的波形数据，经D/A转换和幅度控制，再滤波即可得到所需的波形（如图1-1-1所示）。DDFS具有相对带宽很宽，频率转换时间极短（可小于20nS），频率分辨率可以做到很高等优点；另外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，而且理论上可以实现任意波形，能够比较全面的满足题目的要求。 图1-1-1：波形产生原理 2．幅度控制模块 方案1：幅度控制有数控电位器组成的电阻分压网络组成，但是数控电位器的分档数目较少，难以满足题目 幅度0.1V步进的要求。同时电路连接比较复杂，电路庞大。 方案2：利用FPGA的高速计算功能，采用高效算法对波形进行全数字处理，但内部RAM有限字长效应，会造成波形具有一定的失真，不过经过滤波电路后会对波形进行一定的校正。 方案3：幅度由DAC0832控制，利用其内部的电阻分压网络，将其作为数控电位器使用（原理见图1-2-1）。系统板产生的波形作为DAC0832的参考电压源输入，其输出波形幅度将为V=（N/1024）×Vin，其中N为单片机输入的幅度控制字。 从方案的实现上来看，第二种方案和第三种方案都是不错的方法，但由于我们对该算法不是很熟悉，所以我们采用第三种方案。 3．显示模块 方案1：采用LED数码管方式。利用串转并芯片74LS164可将串行数据显示在数码管上，这种方式占用处理器端口资源少，可驱动多位显示，并且数码管易于控制，成本低廉。但数码管的缺点是显示不够直观，不能随心所欲的显示字符。 方案2：采用LCD液晶屏方式。利用液晶屏幕可以显示中文，这样方便实现直观的菜单功能，能够制作比较人性化的界面，并显示丰富多彩的内容。同时，利用液晶屏可以实现用键盘控制描点的方法绘制出任意波形，为完成本题目的发挥部分要求做准备。但是显示过程比较复杂，需要完成大量的显示编程工作。 我们采用第二种方案，使用YM12864C（128×64）点阵液晶显示模块（原理图如图1-3-1所示），制成友好的中文人机交互菜单。 图1-3-1：YM12864C液晶显示屏原理图 4．波形存储模块 方案1：采用非易失NVRAM或EEPROM对当前产生波形的数据值进行实时存储，掉电后上电从当前掉电时地址读取波形数据，这样即可实现波形的掉电存储。 方案2：受到掉电存储原理的启发，我们为FPGA（RAM定义在FPGA中）外接一锂电电池，这样即可保证掉电后RAM中的数据不丢失。 二、原理分析 1．DDS原理 我们在通过数字技术得到某一目标频率fd时,一般情况下是需要有一个基准频率源f0,一个分频系数为m0的分频器，分频器的分频系数和基准频率，目标频率有如下关系: m0=f0÷fd (1) 令人遗憾的是分频器的分频系数只能是整数,所以在一般情况下,实际分频系数m1,并不等于需要的分频器分频系数m0,他们有如下关系: m1=int(m0)≤m0 (2) 因此,我们只能通过分频器得到的实际频率fd1,也就有fd1≥fd为了得到准确的目标频率fd,我们希望分频器的