多功能信號源設(shè)計基于ARM的多功能信號源設(shè)計【摘要】本設(shè)計主要研究和設(shè)計基于ARM（LPC2138）嵌入式系統(tǒng)的多功能數(shù)字信號發(fā)生器，采用數(shù)值計算合成和D/A轉(zhuǎn)換模塊來完成，可產(chǎn)生輸出頻率及幅度可調(diào)，頻率范圍為1HZ50KHZ的正弦波、方波、三角波及其復(fù)合波信號，具有信號頻率、波形、幅度變化容易，硬件簡單可靠等特點。目錄引言11系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求11.1設(shè)計任務(wù)11.2設(shè)計要求12方案論證及選擇12.1信號產(chǎn)生部分12.2幅度調(diào)制(AM)信號的產(chǎn)生22.3頻率調(diào)制（FM）信號的產(chǎn)生22.4濾波電路23系統(tǒng)設(shè)計33.1系統(tǒng)框圖33.2各功能模塊33.2.1波形產(chǎn)生電路33.2.2鍵盤模塊33.2.3濾波器設(shè)計33.2.4顯示模塊33.3各個功能塊的實現(xiàn)原理及分析33.3.1正弦波的產(chǎn)生33.3.2三角波的產(chǎn)生43.3.3方波的產(chǎn)生43.3.4復(fù)合波形的產(chǎn)生43.3.5幅度的控制43.3.6頻率的控制43.3.7濾波器設(shè)計43.3.8鍵盤模塊44軟件設(shè)計55系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析75.1測試工具75.2測試數(shù)據(jù)及表格75.2.1頻率與間隔點數(shù)的計算75.2.2不同波的幅度與頻率的測試75.3調(diào)試結(jié)果圖95.3.1三角波95.3.2正弦波95.3.3方波105.3.4合成波106結(jié)論11致謝語11參考文獻(xiàn)11附錄13引言信號發(fā)生器是用來提供各種測量所需信號的儀器，它是一種常用的信號源，廣泛應(yīng)用于電子電路、自動控制和科學(xué)試驗等領(lǐng)域。在分析電子線路時，常常需要了解輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系，為此常信號發(fā)生器產(chǎn)生一個信號來激勵系統(tǒng)，以便觀察、分析它對激勵信號的反映。自十九世紀(jì)六十年代以來，信號發(fā)生器有了迅速的發(fā)展出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、合成信號發(fā)生器、程控信號發(fā)生器等新種類，各類信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)也都有了大幅度的提高，同時在簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)、小型化、多功能等各方面也有了顯著的進(jìn)展1。在實際應(yīng)用中，低頻信號發(fā)生器用來產(chǎn)生1HZ一1MHZ的低頻信號，這種信號發(fā)主器在電子線路與系統(tǒng)的設(shè)計、測試和維修中的應(yīng)用最為廣泛。本設(shè)計以LPC2138為控制芯片，探索研究了低頻信號發(fā)生器的原理和應(yīng)用，設(shè)計輸出頻率及幅度可調(diào)，頻率范圍為1HZ50KHZ的正弦波、方波、三角波、調(diào)幅波、調(diào)頻波及其復(fù)合波信號，具有信號頻率、波形、幅度變化容易，硬件簡單可靠等特點的多功能信號源。1系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求1.1任務(wù)設(shè)計一個多功能信號發(fā)生器1.2要求（1）能夠產(chǎn)生正弦波、方波和三角波（頻率范圍1HZ50KHZ）（2）能產(chǎn)生由以上波形整合成的復(fù)合波形（）實現(xiàn)波形間的切換2方案論證及選擇2.1信號產(chǎn)生部分方案一：使用集成函數(shù)發(fā)生器芯片ICL8038。芯片ICL8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波四種不同的波形，將他作為信號發(fā)生器。它是電壓控制頻率的集成芯片，失真度很低。可輸入不同的外部電壓來實現(xiàn)不同的頻率輸出。為了達(dá)到數(shù)控的目的，可用高精度DAC來輸出電壓以控制正弦波的頻率。方案二：鎖相環(huán)頻率合成器（PLL）2鎖相環(huán)頻率合成器（PLL）是常用的頻率合成方法。鎖相環(huán)由參考信號源、鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器幾個部分組成。通過鑒相器獲得輸出的信號FO與輸入信號Fi的相位差，經(jīng)低通濾波器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制電壓，控制VCO輸出的信號頻率，只有當(dāng)輸出信號與輸入信號的頻率于相位完全相等時，鎖相環(huán)才達(dá)到穩(wěn)定。如果在環(huán)路中加上分頻系數(shù)可程控的分頻器，即可獲得頻率程控的信號。由于輸出信號的頻率穩(wěn)定度取決于參考振蕩器信號fi，參考信號fi由晶振分頻得到，晶振的穩(wěn)定度相當(dāng)高，因而該方案能獲得頻率穩(wěn)定的信號。一般來說PLL的頻率輸出范圍相當(dāng)大，足以實現(xiàn)1kHz10MHZ的正弦輸出。如果fi100Hz只要分頻系數(shù)足夠精細(xì)（能夠以1步進(jìn)），頻率100Hz步進(jìn)就可以實現(xiàn)。方案三：直接數(shù)字頻率合成（DDS）3DDS是一種純數(shù)字化方法。它現(xiàn)將所需正弦波一個周期的離散樣點的幅值數(shù)字量存入ROM中，然后按一定的地址間隔（相位增量）讀出，并經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器形成模擬正弦信號，再經(jīng)低通濾波器得到質(zhì)量較好的信號。方案四:基于計算的數(shù)字頻率合成4利用函數(shù)將波形的點數(shù)保存在芯片的RAM中，根據(jù)所要的波形的頻率計算出它的周期,經(jīng)計算得到在定時器定時時間固定的前提下產(chǎn)生一個完整的波形所需要的輸出的點數(shù),這樣數(shù)據(jù)指針可以根據(jù)點數(shù)的數(shù)量來進(jìn)行移動,得到頻率準(zhǔn)確、切換快速的信號。方案一（VOC）不能實現(xiàn)穩(wěn)定頻率信號的輸出并且難于數(shù)字控制。并且電容、電阻參數(shù)隨溫度等其他因素的影響，頻率穩(wěn)定度以及電路的穩(wěn)定度都較低，實現(xiàn)也較復(fù)雜，不予采納。雖然ICL8038可很好的實現(xiàn)頻率輸出的控制，但查看ICL8038的設(shè)計資料4可知其頻率輸出范圍為0.01Hz300kHz，不能達(dá)到題目的要求，故不予選用。PLL方案和DDS方案都能實現(xiàn)1kHz10MHz的穩(wěn)定的信號輸出，且能達(dá)到100Hz頻率步進(jìn)，但是PLL的動態(tài)特性卻很差，在頻率改變時，環(huán)路從不穩(wěn)定到穩(wěn)定的過程有時間延遲。相比較而言，DDS的頻率輸出范圍一般低于PLL，且雜散也大于PLL方案，但DDS信號源具有輸出頻率穩(wěn)定度高、精度更高、分辨率更高且易于程控等優(yōu)點，且頻率改變不存在失調(diào)過程，盡管有雜散干擾，只需在輸出級加濾波器仍可以得到質(zhì)量很好的波形。而方案四集中了上述三個方案的各個優(yōu)點，因此采用方案四來實現(xiàn)波形信號的產(chǎn)生。2.2對幅度進(jìn)行調(diào)整方案一：用高速模擬乘法器實現(xiàn)采用AD835高速模擬乘法器，來實現(xiàn)模擬調(diào)制。模擬乘法器AD835的3dB截止頻率為250MHz，能夠滿足題目的要求。但是AD835的差分輸入范圍僅為1V，因此必須對輸入信號進(jìn)行預(yù)處理，這樣在增加硬件的同時，又加大了設(shè)計的難度。方案二：采用高速的D/A轉(zhuǎn)換器在LPC2138中集成著一個高速的D/A轉(zhuǎn)換器5，我們可以直接在軟件中設(shè)置一個幅度的參數(shù)來改變輸出波形的幅度大小。綜上所述，采用方案（二）雖然增加了軟件的難度，延遲了波形的輸出時間，但是可以不用外加硬件拓展，節(jié)省了成本。2.3對頻率進(jìn)行調(diào)整方案一：通過在存儲芯片ROM中保存不同頻率信號的信號發(fā)生點數(shù)，在頻率切換時調(diào)用ROM中所存儲的不同點數(shù)模塊來實現(xiàn)頻率的切換。方案二：在存儲芯片RAM中保存由軟件實時產(chǎn)生的波形點數(shù)，通過所取的點數(shù)的不同來決定發(fā)生的波形的頻率。由于設(shè)計中的信號要進(jìn)行不斷的改變，因此波形的數(shù)據(jù)不能存儲在ROM中，應(yīng)該存儲RAM中，因此采用方案二的設(shè)計方法。2.4濾波電路方案一：利用運(yùn)放芯片TL082構(gòu)成的有源二階巴爾沃基濾波器6，它的頻率范圍可以達(dá)到1MHZ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們所要的達(dá)到的最高頻率，而且可以同時提高輸出電壓的穩(wěn)定性即帶載能力。方案二：采用硬件構(gòu)建的模擬濾波器，通常這種濾波電路主要采用無源元件R，L和C組成的低通濾波電路6。其優(yōu)點是具有不用電感，體積小，重量輕等優(yōu)點；缺點是其集成運(yùn)放的帶寬有限，電路的工作頻率有限難以做得很高。由于所設(shè)計的信號源的頻率相對來說不是很高，采用RC濾波器已經(jīng)可以很好的完成設(shè)計的要求。因此采用方案二。3系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)框圖（如圖3-1）圖3-1系統(tǒng)方框圖3.2各功能模塊3.2.1波形產(chǎn)生電路通過軟件將波形數(shù)據(jù)存儲到RAM當(dāng)中去，再把這些數(shù)據(jù)輸送到D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到模擬波形。3.2.2鍵盤模塊用LPC2138開發(fā)板上自身帶有的鍵盤得到鍵值，通過中斷服務(wù)程序?qū)㈡I盤信息傳給控制芯片。3.2.3濾波器設(shè)計直接采用RC過程的簡單的濾波電路，此方法設(shè)計簡單，又完全滿足設(shè)計要求。3.2.4顯示模塊波形直接在示波器上顯示，波形的中間調(diào)試參數(shù)在上位機(jī)EasyARM2131上顯示，這樣節(jié)省了外部顯示模塊的擴(kuò)展，使得硬件電路更加的簡便。3.3各個功能塊的實現(xiàn)原理及分析3.3.1正弦波的產(chǎn)生本設(shè)計中信號的產(chǎn)生直接用LPC2138芯片上集成的D/A轉(zhuǎn)換器和軟件的結(jié)合來生成。波形的信號數(shù)據(jù)采用了函數(shù)計算的方法來取得：Y=sin(N)7（3-1）其中，N表示所要取得的點數(shù)的多少。在設(shè)計中我選擇N=1024，即一個完整的基本的正弦信號有1024個數(shù)據(jù)信號點組成。將數(shù)據(jù)存儲到控制芯片LPC2138的RAM當(dāng)中，根據(jù)所要的頻率來取得信號數(shù)據(jù)的多少，點數(shù)多少的計算如下：N=T/2t7（3-2）其中，N表示點數(shù)，T表示所要產(chǎn)生的波形信號的周期，t表示定時器的時間長短.從RAM中取得點數(shù)的間隔為:M=1023/N8（3-3）其中M表示在RAM中的表格取得點數(shù)的間隔.根據(jù)不同的間隔的大小決定產(chǎn)生一個完整的波形信號所要的數(shù)據(jù)多少不同.設(shè)計中要求信號的最高產(chǎn)生的頻率為50KHZ,根據(jù)奈奎斯特定理，采樣的頻率最少要為所要信號的頻率的兩倍，但是為了更好的保證信號的完整輸出，我們至少要讓它采樣10個點才能輸出完整波形，就要求采樣的頻率為他的10倍即500KHZ,采樣時間的大小為2us，這剛好滿足了LPC2138控制芯片上的集成D/A轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換時間為1us的限制。3.3.2三角波的產(chǎn)生在設(shè)計中，三角波的產(chǎn)生就直接利用定時器定時時間的長短來控制信號數(shù)據(jù)的輸出，信號數(shù)據(jù)從一個較低（或高）的位置開始按照一定的規(guī)律步進(jìn)9，當(dāng)其達(dá)到一個高度時再按照相同的步進(jìn)下降到原來的數(shù)據(jù)大小，如此反復(fù)的輸出就構(gòu)成了三角波模擬信號的輸出。3.3.3方波的產(chǎn)生在設(shè)計中，方波的產(chǎn)生由大小不同的兩個信號數(shù)據(jù)交替輸出形成，每個信號數(shù)據(jù)輸出的時間長短根據(jù)所要點信號頻率來決定。3.3.4復(fù)合波形的產(chǎn)生復(fù)合波形由正弦波、方波和三角波合成。V(wt)=A*Vsin(wt)+B*Vpul(wt)+C*Vtri(wt)10（3-4）其中：V(wt)為復(fù)合波形函數(shù)，Vsin(wt)為正弦，Vpul(wt)為方波，Vtri(wt)三角波，A、B、C為他們在復(fù)合波形中所占的比率系數(shù)，只要改變?nèi)齻€比例系數(shù)就可以得到不同的復(fù)合波形。根據(jù)波形合成的知識，要使多個波形合成必須保證子波形的頻率是一致的，因此，設(shè)計時三種波形的組成信號數(shù)據(jù)的多少是一樣的，這樣在定時時間一樣的情況下就保證了三個波形的頻率是一樣的。3.3.5幅度的控制在設(shè)計中，為了能使波形在示波器中顯示，這樣就要設(shè)定好波形的幅度，在設(shè)計時我把波形的幅度控制在1024之內(nèi)，才能很好的顯示波形。同時為了改變幅度的大小，我設(shè)置了一個參數(shù)直接與所取得的信號數(shù)據(jù)相乘，這就改變了信號數(shù)據(jù)的大小，也就使得D/A轉(zhuǎn)換時的數(shù)據(jù)大小產(chǎn)生變化，從而體現(xiàn)在輸出的信號波形在幅度上發(fā)生改變。3.3.6頻率的控制在輸出的信號數(shù)據(jù)的時間間隔一定時，當(dāng)產(chǎn)生一個完整波形時所需要的點數(shù)發(fā)生變化時信號的周期就發(fā)生變化，這樣它的頻率就相應(yīng)的變化。因此，在設(shè)計中，通過固定定時器的定時長短，改變波形數(shù)據(jù)的點數(shù)多少就改變了信號的頻率。3.3.7濾波器設(shè)計由于我所設(shè)計的信號源的輸出頻率還不是很高，所以可以用簡單的低通濾波器就可以完成濾波的功能，因此我選擇使用RC低通濾波器。參數(shù)為：R=100歐姆，C=0.1UF。具體結(jié)構(gòu)如下：3.3.8鍵盤模塊鍵盤是直接與ARM（LPC2138）芯片的P0口P0.16P0.21連接，通過ARM芯片對P0.16P0.21輸入數(shù)據(jù)，0表示有效，1表示無效11。鍵1用來選擇輸出波形，鍵2用來選擇所要改變的參數(shù)，鍵3和鍵4用來加/減鍵3所選的參數(shù)4軟件設(shè)計中斷0鍵2鍵1NY進(jìn)入中斷鍵盤掃盤判斷是否有鍵按下？正弦波三角波方波合成波幅度頻率正弦比例方波比例三角波比例參數(shù)加參數(shù)減中斷結(jié)束中斷1對波形進(jìn)行選擇4321NY進(jìn)入中斷CANSHU=?正弦波方波三角波合成波退出中斷5系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析5.1測試工具雙蹤示波器YB-4325（20MHZ）萬用表5.2測試數(shù)據(jù)及表格5.2.1頻率與間隔點數(shù)的計算由于正弦波總的波形長度分為1024個分點，即01023，因此在頻率為fKHz時，點數(shù)n=1000/2/f,所以間隔=1023*n，具體如下：頻率（KHz）間隔點數(shù)