低頻三相正弦信號(hào)發(fā)生器畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.doc

2012年“迅通杯”海南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題 參賽注意事項(xiàng)（1）2010年11月5日8:00競(jìng)賽正式開(kāi)始。本科組參賽隊(duì)只能在【本科組】題目中任選一題；高職高專(zhuān)組參賽隊(duì)在【高職高專(zhuān)組】題目中任選一題，也可以選擇【本科組】題目。（2）參賽隊(duì)認(rèn)真填寫(xiě)登記表內(nèi)容，填寫(xiě)好的登記表交賽場(chǎng)巡視員暫時(shí)保存。（3）參賽者必須是有正式學(xué)籍的全日制在校本、專(zhuān)科學(xué)生，應(yīng)出示能夠證明參賽者學(xué)生身份的有效證件（如學(xué)生證）隨時(shí)備查。（4）每隊(duì)嚴(yán)格限制3人，開(kāi)賽后不得中途更換隊(duì)員。（5）參賽隊(duì)必須在學(xué)校指定的競(jìng)賽場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和制作，不得以任何方式與他人交流，包括教師在內(nèi)的非參賽隊(duì)員必須迴避，對(duì)違紀(jì)參賽隊(duì)取消評(píng)審資格。（6）2010年11月7日20:00競(jìng)賽結(jié)束，上交設(shè)計(jì)報(bào)告、制作實(shí)物及登記表，由專(zhuān)人封存。低頻三相正弦信號(hào)發(fā)生器（C題）一、任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)低頻三相正弦信號(hào)發(fā)生器，能產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的三相正弦波，并具有數(shù)字顯示頻率、相位和電壓的功能。二、要求1、基本要求（1）三相正弦波輸出頻率范圍：10Hz100Hz，相位差120； （2）具有單相移相功能，移相步進(jìn)：1； （3）具有頻率設(shè)置功能，頻率步進(jìn)：1Hz； （4）輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-4；（5） 輸出電壓幅度：在負(fù)載電阻上的電壓峰-峰值Vopp3V；（6） 失真度：用示波器觀察時(shí)無(wú)明顯失真。（7） 數(shù)字顯示預(yù)置的頻率、相位差。 2、發(fā)揮部分在完成基本要求任務(wù)的基礎(chǔ)上，增加如下功能：（1）增加輸出電壓幅度可調(diào)功能，實(shí)現(xiàn)雙極性電壓輸出；（2）增加電壓峰峰值、有效值顯示功能；（3）增加改變相序功能；（4）設(shè)計(jì)TFT液晶顯示屏，實(shí)現(xiàn)輸出波形顯示；（5）其他。三、說(shuō)明1、不能使用微機(jī)虛擬儀器系統(tǒng)，可使用集成電路、嵌入式板、單片機(jī)等最小系統(tǒng)。2、設(shè)計(jì)報(bào)告正文應(yīng)包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原理圖、主要流程圖和主要的測(cè)試結(jié)果。完整的電路原理圖、重要的源程序和完整的測(cè)試結(jié)果可用附件給出。四、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目滿分設(shè)計(jì)報(bào)告系統(tǒng)方案3理論分析與計(jì)算8電路與程序設(shè)計(jì)8測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 8設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性3總分30基本要求完成第（1）項(xiàng)10完成第（2）項(xiàng)8完成第（3）項(xiàng)8完成第（4）項(xiàng)5完成第（5）項(xiàng)6完成第（6）項(xiàng)5完成第（7）項(xiàng)8總分50發(fā)揮部分完成第（1）項(xiàng)12完成第（2）項(xiàng)10完成第（3）項(xiàng)8完成第（4）項(xiàng)15其他5總分50低頻三相正弦信號(hào)發(fā)生器摘要：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是電子設(shè)計(jì)以及教學(xué)、科研中應(yīng)用最廣泛的儀器之一。如果能用相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式和較少的成本產(chǎn)生具有優(yōu)秀穩(wěn)定度和精確度的常用波形，無(wú)疑將會(huì)在這些領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)基于AT89S52單片機(jī)控制DDS系統(tǒng)產(chǎn)生正弦波形和矩形波，組成低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。通過(guò)鍵盤(pán)控制達(dá)到電壓預(yù)置、頻率預(yù)置和占空比預(yù)置等功能，電壓值、頻率值和占空比都可用LCD12864顯示，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī) DDS系統(tǒng) 函數(shù)信號(hào) LCD一、題目理解與分析題目要求設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)低頻三相函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)分析和理解，把題目功能要求及指標(biāo)要求以下表格形式列出。序號(hào)功能要求指標(biāo)要求1完成一路正弦波信號(hào)輸出頻率范圍20Hz20kHz，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-5，用示波器觀察無(wú)明顯失真2能夠頻率設(shè)置和頻率步進(jìn)頻率步進(jìn)10Hz3能夠輸出電壓幅度在10k負(fù)載電阻上的電壓峰-峰值Vopp20V4數(shù)字顯示正弦波的電壓有效值、頻率等電壓有效值精度5%，頻率精度0.1%5正弦波輸出信號(hào)擴(kuò)展到三相輸出波形無(wú)明顯失真，頻率可調(diào)范圍擴(kuò)展到1Hz30kHz，頻率步進(jìn)1Hz6在頻率范圍1Hz30kHz內(nèi)，任兩相間的相位差在0359范圍內(nèi)可任意預(yù)置相位差步進(jìn)17在1Hz30kHz頻率范圍內(nèi)，增加方波輸出信號(hào)，頻率可任意預(yù)置頻率步進(jìn)2Hz，頻率精度0.05%8矩形波信號(hào)的占空比可以預(yù)置占空比步進(jìn)1/360，并且當(dāng)占空比為1/4時(shí)，誤差2/3609能輸出載波頻率約為10kHz的調(diào)頻信號(hào)輸出調(diào)制信號(hào)頻率在100Hz1kHz范圍內(nèi)可變，觀察載波信號(hào)無(wú)明顯失真二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方案一：采用單片機(jī)控制由單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器及波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等組成系統(tǒng)，單片機(jī)控制正弦波波形的合成、相位的改變，以及所有的邏輯和時(shí)序控制等工作。此方案除了要求單片機(jī)完成基本的處理分析以外，還需要完成信號(hào)波數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、按鍵的處理、信號(hào)顯示等控制與變換工作。其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)規(guī)模小，有較大的靈活性，但單片機(jī)內(nèi)部資源和處理速度不容易滿足要求。系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。波形輸出單片機(jī)正弦波發(fā)生器/濾波正弦波形移位幅值放大模塊電壓有效值/頻率顯示DA0832控制模塊方波鍵盤(pán)/顯示模塊圖2.1 單片機(jī) 控制系統(tǒng)框圖方案二：基于IP核技術(shù)的FPGA 移相波形輸出由帶有IP核的FPGA來(lái)完成采集、存儲(chǔ)、顯示及D/A轉(zhuǎn)換等功能，由IP核實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及信號(hào)輸出分析等功能。FPGA內(nèi)部可以容納上百萬(wàn)個(gè)晶體管，其單片邏輯門(mén)數(shù)已達(dá)到上百萬(wàn)門(mén)，它所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便；缺點(diǎn)是調(diào)試過(guò)程繁瑣、難度大，難以在短時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)框圖如圖2.2所示。FPGADDS系統(tǒng)正弦波形移位幅值放大模塊電壓有效值/頻率顯示方波鍵盤(pán)/顯示模塊圖2.2 FPGA 控制系統(tǒng)框圖綜合分析以上兩種方案，并結(jié)合實(shí)際，采用方案一來(lái)完成低頻三相函數(shù)發(fā)生器的制作。三、模塊方案設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)的選擇方案一：采用凌陽(yáng)系列單片機(jī)凌陽(yáng)系列單片機(jī)指令系統(tǒng)的指令格式緊湊，執(zhí)行迅速，并且其指令結(jié)構(gòu)提供了對(duì)高級(jí)語(yǔ)言的支持。低功耗，低損耗。另外，它的工作電壓范圍大，能在低電壓供電時(shí)正常工作。采用32MHz的外部晶振，能滿足題目要求，但是操作處理比較慢且價(jià)格較貴。方案二：采用51系列單片機(jī)MCS-51系列單片機(jī)，具有的集成度高、處理功能強(qiáng)、可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。采用AT89S52單片機(jī)，外接12MHz晶振，勉強(qiáng)能夠滿足題目要求，但是它的缺點(diǎn)是處理速度較慢。綜合比較，考慮成本及功能采用方案二。3.2 正弦波發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案方案一：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成法直接合成利用混頻器、倍頻器、分頻器和帶通濾波器完成對(duì)頻率的算術(shù)運(yùn)算。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，成本高，而且容易產(chǎn)生過(guò)多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜精度。方案二：采用直接數(shù)字式頻率合成(簡(jiǎn)稱(chēng)DDS)用隨機(jī)讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM存儲(chǔ)所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求，以頻率控制字K為步進(jìn)對(duì)相對(duì)增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和幅度控制，再濾波即可得到所需波形。由于DDS具有相對(duì)帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短，頻率分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，以及輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控，因此可以完成題目要求。綜合比較選擇方案二。另外。DDS系統(tǒng)板中已含有四階巴特沃斯低通濾波電路，不需另外再設(shè)計(jì)濾波電路。3.3 電源設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)需要多個(gè)電源，DDS模塊和單片機(jī)的工作電壓為5V，DAC0832的工作電壓為15V，基準(zhǔn)電壓為-5V，提供給OP37的工作電壓為15V。因此，采用三端穩(wěn)壓器7815、7915、7805和7905制作穩(wěn)壓電源，提供各器件電壓。3.4 顯示模塊的設(shè)計(jì)方案方案一：采用LED數(shù)碼管顯示雖然功耗低，控制簡(jiǎn)單，但是只能顯示數(shù)字和一些簡(jiǎn)單的字符，沒(méi)有較好地人機(jī)界面。方案二：采用LCD液晶顯示LCD12864可以顯示所有字符和自定義字符，并能同時(shí) 顯示多組數(shù)據(jù)、漢字，字符清晰。自身具有控制器，不僅可以減輕主單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，而且可以實(shí)現(xiàn)菜單驅(qū)動(dòng)方式的顯示效果，達(dá)到友好人機(jī)界面。用LCD液晶顯示，能解決LED只能顯示數(shù)字等幾個(gè)簡(jiǎn)單字符的缺點(diǎn)，性能好，效果多，控制方便，顯示方式多。比較以上兩種方案，采用方案二。3.5 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)方案由于單片機(jī)I/O口足夠，因此采用矩陣44鍵盤(pán)即可。/html/de/20121114/8673.html 四、硬件電路設(shè)計(jì)4.1 DDS的基本原理DDS的基本原理是在高速存儲(chǔ)器中放入正弦函數(shù)相位數(shù)據(jù)表格，經(jīng)過(guò)查表操作，將讀出的數(shù)據(jù)送到高速DAC產(chǎn)生正弦波?？删幊藾DS系統(tǒng)原理圖如圖4.1.1所示。頻率控制字KN位相位累加器正弦查詢(xún)表ROM數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC低通濾波器FCW N位系統(tǒng)時(shí)鐘 fclkfoutM位圖4.1.1 DDS的基本原理圖 DDS系統(tǒng)由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢(xún)表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。參考時(shí)鐘為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步DDS各組成部分的工作。相位累加器是可編程DDS系統(tǒng)的核心，它由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成，N一般為2432。每來(lái)一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長(zhǎng)M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢(xún)表地址上。正弦查詢(xún)表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0360范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢(xún)表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)DAC以輸出模式量。系統(tǒng)采用專(zhuān)用美國(guó)AD公司推出的高集成度頻率合成器AD9850。AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。據(jù)圖4.1.1,相位寄存器每過(guò)2N/M個(gè)外部參考時(shí)鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相位地正弦查詢(xún)表每消費(fèi)品一個(gè)循環(huán)也回到初始位置，從而使整個(gè)DDS系統(tǒng)輸出一個(gè)正弦波。輸出的正弦波周期 To=Tc2N /M頻率 fout=Mfc/2NTc、fc分別為外部參考時(shí)鐘的周期和頻率。AD9850接上精密時(shí)鐘源和寫(xiě)入頻率相位控制字之間后就可產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號(hào)源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。在125MHz的時(shí)鐘下，32位的頻率控制字可使AD9850的輸出頻率分辨率達(dá)0.0291Hz；并具有5位相位控制位，而且允許相位按增量180、90、45、22.5、11.25或這些值的組合進(jìn)行調(diào)整。它的外圍電路連接如圖4.1.2所示。4.2 移位和調(diào)幅電路設(shè)計(jì)DDS系統(tǒng)輸出的正弦波并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波函數(shù)，它的幅值都大與零，因此要計(jì)算輸出電壓的有效值，需要先將波形整體向下移位，波形移位原理如圖4.2.1所示。圖4.2.1 移位（左）和調(diào)幅（右）電路其核心部分是一電壓跟隨器，電壓跟隨器的輸出Vo1=（Vin-Vp）所以輸出的Vo1就相當(dāng)于在輸入Vin的基礎(chǔ)上下移了Vp，而Vp又受電位器Rw1的控制，理論上可將Vin的波形向Y軸負(fù)方向下移012V。為了滿足外接10K輸出電壓峰峰值不小于20V，而波形移位后輸出電壓最大值為5V，因此需再連一電壓放大電路。其核心是OP37，由虛短虛段Vout=-Vin*Rw2/R3Rw2/R3的范圍是010，因此通過(guò)調(diào)節(jié)Rw2可以使輸出波形的峰峰值在010Vo1間變化，即輸出信號(hào)的峰峰值范圍為0-50V,足以滿足題目20V的要求。4.3 移相電路設(shè)計(jì)移相電路采用模擬方法實(shí)現(xiàn)，根據(jù)RC電路的相頻響應(yīng)，在RC低通電路中對(duì)于實(shí)際頻率，上限轉(zhuǎn)折頻率fH=1/（2RC）相角 H=-arctan(f/fH)實(shí)際輸入信號(hào)頻率為f：1）當(dāng)f0.1fH時(shí)，H0，相頻響應(yīng)的相角為零度，幅頻響應(yīng)可以忽略。2）當(dāng)ffH時(shí)，H-45，相角從0到45變化，幅頻響應(yīng)可以忽略。3）當(dāng)fHf10fH時(shí)，H90, 相角從45到90變化，幅頻響應(yīng)非常明顯，通過(guò)增益Av=1的反相比例放大器，把幅頻響應(yīng)抵消同時(shí)把相位差擴(kuò)大一倍。4）當(dāng)10fH Vref則通過(guò)比較器，輸出電壓Vout=1；輸入電壓Vin Vref則通過(guò)比較器，輸出電壓Vout=0。另外，由于DAC0832轉(zhuǎn)換出的是電流，所以需后接一運(yùn)放OP07進(jìn)一步將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量。電路設(shè)計(jì)如圖4.4.1所示。/html/_NETbiyesheji/20070925/493.html 圖4.4.1 DAC0832模塊電路4.5 鍵盤(pán)/顯示電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)采用矩陣44鍵盤(pán)，鍵盤(pán)和LCD12864與單片機(jī)接口電路如圖4.4.1所示。另外采用另一塊AT89S52單片機(jī)和LCD1602組成一個(gè)頻率計(jì)對(duì)頻率進(jìn)行顯示，方波脈沖從單片機(jī)P3.2口輸入。電路如圖4.4.2所示。五、程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的所有程序均采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。程序各部分分別做成模塊，主程序做成不同的界面，各模塊按主程序調(diào)用子程序的方式執(zhí)行。軟件的關(guān)鍵在于如何控制AT9850的工作方式和控制字，以及如何控制DAC0832改變波形的幅值，從而達(dá)到數(shù)控效果。軟件實(shí)現(xiàn)的功能有：（1）輸出一路正弦波信號(hào)；（2）步進(jìn)控制；（3）頻率設(shè)置；（4）輸出一路方波信號(hào)；（5）方波占空比預(yù)置。整個(gè)系統(tǒng)軟件由主程序和多個(gè)功能子程序構(gòu)成。軟件基本按照主程序調(diào)用子程序的方法執(zhí)行。系統(tǒng)程序流程圖如圖5.1.1所示。選擇界面開(kāi)始正弦波設(shè)置界面矩形波設(shè)置界面調(diào)頻波設(shè)置界面矩形波顯示界面正弦波顯示界面調(diào)頻波顯示界面結(jié)束圖5.1.1 系統(tǒng)程序流程圖六、系統(tǒng)測(cè)試6.1 測(cè)試儀器序號(hào)儀器名稱(chēng)儀器規(guī)格數(shù)量備注1數(shù)字示波器TDS2012 C0449551泰克科技（中國(guó)）有限公司2萬(wàn)用表DT9205A+1山創(chuàng)/H.NEYTEK6.2 系統(tǒng)測(cè)試 測(cè)試說(shuō)明：按鍵10：退步/頻率+；按鍵11：清零/頻率-；按鍵12：確定/重置；按鍵13：返回/返回。系統(tǒng)測(cè)試主要用示波器測(cè)試預(yù)置頻率，頻率步進(jìn)，接10K負(fù)載電壓峰峰值的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。正弦波測(cè)量結(jié)果如表6.2.1所示。表6.2.1 正弦波有關(guān)參數(shù)測(cè)量結(jié)果項(xiàng)目頻率預(yù)置頻率步進(jìn)波形峰峰值(10k電阻)設(shè)置頻率輸出頻率誤差/%步進(jìn)步進(jìn)頻率值150Hz50.02Hz0.210Hz50.01Hz20.02V21KHz1000.1Hz0.110Hz1010.1Hz20.01V315KHz15000.2Hz0.210Hz15010.1Hz20.02V方波的主要參數(shù)為頻率和占空比，均可調(diào)。頻率預(yù)置與顯示上表已測(cè)，這里不再測(cè)量。用示波器測(cè)試結(jié)果如表6.2.2所示。表6.2.2 方波占空比測(cè)量結(jié)果預(yù)置0/36060/360120/360180/360240/360300/360顯示11/43/81/25/83/4誤差分析：主要原因是DAC0832的基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定。七、總結(jié)通過(guò)將近一周的設(shè)計(jì)與制作，基本完成以下功能：（1）能夠完成一路正弦波，頻率在20Hz-20KHz范圍