1、<p>　　基于ARM的函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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，為此常用信號發(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

2、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，同時在簡化機械結(jié)構(gòu)、小型化、多功能等各方面也有了顯著的進展。</p><p>　　本設(shè)計以LPC2138為控制芯片，研究低頻信號產(chǎn)生原理和應(yīng)用，設(shè)計其輸出頻率及幅度可以調(diào)整的正弦波、方波、三角波，具有信號頻率、波形、幅度容易調(diào)整，硬件簡單可靠的多

3、功能信號發(fā)生器。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　信號發(fā)生器 ARM 數(shù)字頻率合成 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1. 緒言4</b></p><p>　　1.1 函數(shù)信

4、號發(fā)生器概述4</p><p>　　1.2 函數(shù)信號發(fā)生器的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢4</p><p>　　1.3 論文研究的內(nèi)容及安排5</p><p>　　2. 數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器工作原理介紹5</p><p>　　2.1 數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器基本原理5</p><p>　　2.2 直接數(shù)字頻率合成器原理簡介7&

5、lt;/p><p>　　3. 方案論證及選擇9</p><p>　　3.1 信號產(chǎn)生方案選擇9</p><p>　　3.2 主芯片設(shè)計方案選擇10</p><p>　　3.3 顯示設(shè)計方案選擇11</p><p>　　3.4 濾波電路設(shè)計方案選擇11</p><p>　　4. 系統(tǒng)設(shè)計1

6、2</p><p>　　4.1 系統(tǒng)框架設(shè)計12</p><p>　　4.2 各硬件模塊功能12</p><p>　　4.2.1 主芯片功能12</p><p>　　4.2.2 鍵盤功能12</p><p>　　4.2.3 顯示功能12</p><p>　　4.2.4 濾波功能13&

7、lt;/p><p>　　4.3 模塊功能原理詳細分析13</p><p>　　4.3.1 正弦波產(chǎn)生方法13</p><p>　　4.3.2 方波產(chǎn)生方法13</p><p>　　4.3.3 鋸齒波產(chǎn)生方法14</p><p>　　4.3.4 幅度控制方法14</p><p>　　4.3.

8、5 頻率控制方法14</p><p>　　4.3.6 濾波器設(shè)計方法14</p><p>　　4.3.7 鍵盤模塊設(shè)計方法14</p><p>　　5. 軟件設(shè)計分析15</p><p>　　5.1 軟件設(shè)計流程圖15</p><p>　　6. 理論計算與實測結(jié)果分析17</p><p&

9、gt;　　6.1 頻率與相位遞增量計算表格17</p><p>　　6.2 波形頻率、幅度理論值與實測值對比18</p><p>　　6.3 實驗調(diào)試圖19</p><p>　　6.3.1 正弦波 頻率100Hz 峰峰值 3.3V19</p><p>　　6.3.2 方波 頻率500Hz 峰峰值 1.5V19</

10、p><p>　　6.3.3 鋸齒波 頻率1000Hz 峰峰值0.3V20</p><p>　　6.3.4 正弦波 頻率1758Hz 峰峰值 0.3V20</p><p>　　6.3.5 方波 頻率2930Hz 峰峰值 3.3V21</p><p>　　6.3.6 鋸齒波 頻率3320Hz 峰峰值2.1V21

11、</p><p><b>　　致謝22</b></p><p>　　參考文獻錯誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄一 基于ARM函數(shù)信號發(fā)生器PCB錯誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄二 基于ARM函數(shù)信號發(fā)生器實物圖錯誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄三 基于

12、ARM函數(shù)信號發(fā)生器程序錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1. 緒言</b></p><p>　　信號發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測試信號的儀器。按信號波形可分為正弦信號、函數(shù)（波形）信號、脈沖信號和隨機信號發(fā)生器等四大類。信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三

13、角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。</p><p>　　1.1 函數(shù)信號發(fā)生器概述</p><p>　　當(dāng)我們想測試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應(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。傳統(tǒng)的函數(shù)信號發(fā)生器是使用運算放大器再加一些外圍電路組成，其信號產(chǎn)生信號頻率低，硬件設(shè)計繁瑣，波形及頻率的轉(zhuǎn)換困

14、難。同傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)具有極高的頻率分辨率，極快的變頻速度，變頻香味連續(xù)，相位噪聲低，易于功能擴展和便于全數(shù)字化集成，容易實現(xiàn)對輸出信號的多種調(diào)制。</p><p>　　1.2 函數(shù)信號發(fā)生器的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢</p><p>　　1，通常分類是按照產(chǎn)生信號產(chǎn)生的波形特征來劃分：</p><p>　　音頻信號源、函數(shù)信號源、功率函數(shù)

15、發(fā)生器、脈沖信號源、任意函數(shù)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)高頻信號源、射頻信號源、電視信號發(fā)生器、噪聲信號源、調(diào)制信號發(fā)生器、數(shù)字信號源 等。</p><p>　　這種分類基本覆蓋了航空航天、電子、電力等領(lǐng)域的每一個角落。</p><p>　　信號源按照應(yīng)用領(lǐng)域分類： 低頻信號發(fā)生器(音頻)，高頻信號發(fā)生器(射頻通信信號)，電視信號發(fā)生器(電視信

16、號)，電視掃頻信號發(fā)生器(電視信號)等?？v觀信號發(fā)生器的發(fā)展，直接合成數(shù)字信號發(fā)生器是近幾年的發(fā)展趨勢。</p><p>　　2，隨著智能電子技術(shù)的發(fā)展，未來的函數(shù)信號發(fā)生器將應(yīng)用在更多的領(lǐng)域。其性能要求也將不斷的提高。傳統(tǒng)的模擬函數(shù)信號發(fā)生器已經(jīng)遠遠滿足不了現(xiàn)代的要求。1971年3月美國學(xué)者J.Tierncy，C.M.Rader和B.Gold首次提出了直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthe

17、sis）技術(shù)。這是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需求的波形的新的全數(shù)字頻率合成技術(shù)。DDS技術(shù)具有極高的頻率分辨率，極快的變頻速度，變頻相位連續(xù)，相位噪聲低，易于功能擴展和便于全數(shù)字化集成，容易實現(xiàn)對輸出信號的多種調(diào)制。</p><p>　　1.3 論文研究的內(nèi)容及安排</p><p>　　本論文介紹了傳統(tǒng)信號發(fā)生器與現(xiàn)在函數(shù)信號發(fā)生器的區(qū)別與發(fā)展趨勢和對直接數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器的原理進行研究

18、。用32位ARM單片機實現(xiàn)數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器，使其實現(xiàn)正弦波，方波，鋸齒波的產(chǎn)生，并實現(xiàn)波形選擇、頻率與幅度可控制等功能。最后對實驗調(diào)試結(jié)果與理論分析結(jié)果進行對比，并得出結(jié)論。</p><p>　　2. 數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器工作原理介紹</p><p>　　2.1 數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器基本原理</p><p>　　無論是研制、生產(chǎn)還是使用維修各種電子元器件、電路部件及整

19、機設(shè)備，其性能特性只有在一定的電信號作用時，才能顯露出來。所以，幾乎在所有的電子測量中都是由信號源提供一系列的已校準(zhǔn)的信號，才能確保各種電子測量的順利進行。因此可以說信號源是電子測量系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的電子測量儀器。直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis 簡稱DDS或DFFS）是以全數(shù)字技術(shù)從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理。由于它區(qū)別與其他頻率合成方法的優(yōu)越性和特點，成

20、為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的一個重要組成部分。</p><p>　　70-80年代，信號源大都采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)實現(xiàn)，頻率范圍能從DC(mHz)-幾十GHZ，分辨率到達mHz，但轉(zhuǎn)換速度不夠高（數(shù)10us到ms量級）。到了90年代后，出現(xiàn)了頻率分辨率高（mHz量級）的DDS大規(guī)模芯片，輸出信號的頻率上限基本在HF或VHF頻段內(nèi)，比PLL合成技術(shù)以及直接模擬合成技術(shù)得到的信號頻率低，而且頻率轉(zhuǎn)換速度快（us到ns量級

21、），頻率精度高，頻率穩(wěn)定度取決于使用的參考頻率源晶體振蕩器的穩(wěn)定度，易于控制。由于DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當(dāng)靈活，因此性價比較高。DDS的主要性能指標(biāo)包括：</p><p>　　輸出頻率的范圍：指的是輸出的最小頻率和最大頻率之間的變化范圍。</p><p>　　頻率穩(wěn)定度：指的是輸出頻率在一定時間間隔內(nèi)和標(biāo)準(zhǔn)頻率偏差

22、的數(shù)值，它分長期、短期和瞬時穩(wěn)定度三種。</p><p>　　頻率分辨率：指的是輸出頻率的最小間隔。</p><p>　　頻率轉(zhuǎn)換時間：指的是輸出由一種頻率轉(zhuǎn)換成另一種頻率的時間。</p><p>　　頻譜純度：頻譜純度以雜散分量和相位噪聲來衡量，雜散分量分為諧波分量和非諧波分量兩種，主要由頻率合成過程中的非線性失真產(chǎn)生。相位噪聲是衡量輸出信號相位抖動大小的參數(shù)。&

23、lt;/p><p>　　調(diào)制性能：指的是頻率合成器是否具有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、調(diào)相（PM）等功能。</p><p>　　頻率合成器的實現(xiàn)方法大體可以分成三種:直接頻率合成、間接頻率合成、直接數(shù)字合成。下面對這三種方法進行一下簡單的介紹。</p><p>　　直接頻率合成是一種比較早期的頻率合成方法，這宗頻率合成方法使用一個和多個標(biāo)準(zhǔn)頻率源先經(jīng)過諧波發(fā)生器產(chǎn)生各次

24、諧波，然后經(jīng)過分頻、倍頻、混頻濾波等處理產(chǎn)生所需要的各個頻點。這種方法產(chǎn)生的波形，相噪小，頻率轉(zhuǎn)換時間短。但是直接頻率合成設(shè)備比較復(fù)雜笨重，并且容易產(chǎn)生雜散。</p><p>　　間接頻率合成又稱之為鎖相環(huán)頻率合成采用了鎖相環(huán)技術(shù)，對頻率進行加、減、乘、除，產(chǎn)生所需的頻率，由于鎖相環(huán)相當(dāng)于一個窄帶跟蹤濾波器，所以鎖相環(huán)頻率合成的方法對雜散有很好的抑制作用。鎖相式頻率合成器還易于集成化。但是鎖相式頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)

25、換時間比較長，而且在單環(huán)的情況下很難做到很小的頻率分辨率。</p><p>　　直接數(shù)字頻率合成是一種比較新穎的頻率合成方法。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展這種頻率合成方法也越來越體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成方法。在系統(tǒng)時鐘一定的情況下，輸出頻率決定于頻率寄存器中的頻率字。而相位累加器的字長決定了分辨率?；谶@樣的結(jié)構(gòu)DDS頻率合成器具有以下優(yōu)點：頻率分辨率高，輸出頻點多，可達2(N)個頻點（假設(shè)DD

26、S相位累加器的字長是N）；頻率切換速度快，可達us量級；頻率切換時相位連續(xù)；可以輸出帶寬正交信號；輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用；可以產(chǎn)生任意波形；全數(shù)字化實現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。</p><p>　　2.2 直接數(shù)字頻率合成器原理簡介</p><p>　　直接數(shù)字式頻率合成器DDS（Direct Digital Synthesizer），實際上是一種分頻器：通過

27、編程頻率控制字來分頻系統(tǒng)時鐘（SYSTEM CLOCK）以產(chǎn)生所需要的頻率。DDS有兩個突出的特點，一方面，DDS工作在頻字域，一旦更新頻率控制字，輸出的頻率就相應(yīng)改變，其跳頻速率高；另一方面，由于頻率控制字的寬度寬（48bit或者更高），頻率分辨率高。</p><p>　　圖1，是DDS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它主要分成3部分：相位累加器，相位幅度轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。</p><p>&l

28、t;b>　　圖1，DDS結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　一個正弦波，雖然它的幅度不是線性的，但是它的相位卻是線性增加的。DDS正是利用了這一特點來產(chǎn)生正弦信號。如圖2，根據(jù)DDS的頻率控制字的位數(shù)N，把360°平均分成了2的N次等份。</p><p>　　圖2，相位累加器原理</p><p>　　DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查

29、表法產(chǎn)生波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理如圖所示。</p><p><b>　　圖3，DDS原理</b></p><p>　　相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。每來一個時鐘脈沖fs，加法器將頻率控制字k與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到

30、加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字k相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位，相位累加器</p><p>　　的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器（ROM）的相位取樣地址，這樣就可把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣

31、值（二進制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲器的輸出送到D／A轉(zhuǎn)換器，D／A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。</p><p>　　假設(shè)系統(tǒng)時鐘為Fc，輸出頻率為Fout。每次轉(zhuǎn)動一個角度360°/2N，則可以產(chǎn)生一個頻率為Fc/2N的正弦波的相位遞增量。那么只要選擇恰當(dāng)?shù)念l率控制字M，使得F

32、out/Fc=M/2N，就可以得到所需要的輸出頻率Fout，F(xiàn)out=Fc*M/2N,相位幅度轉(zhuǎn)換通過相位累加器，我們已經(jīng)得到了合成Fout頻率所對應(yīng)的相位信息，然后相位幅度轉(zhuǎn)換把0°~360°的相位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的幅度值。這個相位到幅度的轉(zhuǎn)換時通過查表完成的，最后這個數(shù)值以二進制的形式被送入DAC。DAC輸出代表幅度的二進制數(shù)字信號被送入DAC中，并轉(zhuǎn)換成為模擬信號輸出。注意DAC的位數(shù)并不影響輸出頻率的分辨率。輸出頻

33、率的分辨率是由頻率控制字的位數(shù)決定的。</p><p>　　3. 方案論證及選擇</p><p>　　3.1 信號產(chǎn)生方案選擇</p><p>　　方案一：函數(shù)發(fā)生器集成芯片（如L8038）</p><p>　　利用專門的函數(shù)發(fā)生器集成芯片能產(chǎn)生多種波形，可達到較高的頻率，外圍電路簡單且易于調(diào)試。</p><p>　　

34、方案二：鎖相環(huán)頻率合成器（PLL）</p><p>　　PLL頻率合成器是由參考頻率源、參考分頻器、相位比較器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、可變分頻器構(gòu)成。參考分頻器對參考頻率源進行分頻，輸出信號作為相位比較器參考信號?？勺兎诸l器對壓控振蕩器的輸出信號進行分頻，分頻之后返回到相位比較器輸入端與參考信號進行比較。當(dāng)環(huán)路處于鎖定時，有f1=f2，因為f1=fr／M，f2=f0/N，所以有f0=Nfr/M。只要改變可變分頻

35、器的分頻系數(shù)N，就可以輸出不同頻率的信號。</p><p>　　由于鎖相環(huán)相當(dāng)于一個窄帶跟蹤濾波器，所以鎖相環(huán)頻率合成的方法對雜散有很好的抑制作用。鎖相式頻率合成器還易于集成化。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　利用單片機實現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器(DDS)原理，用定時器作為時鐘，將函數(shù)波形的點數(shù)保存在ram里，根

36、據(jù)所要的頻率計算出相位遞增量，再將輸出的二進制幅度進行DA轉(zhuǎn)換，從而得到完整的波形。</p><p>　　方案一功能少，精度不高，頻率上限只有300KHZ，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者相互影響。所以排除了此方案。方案二鎖相環(huán)雖帶有窄帶跟蹤濾波器，對雜散噪聲有抑制作用且易于集成化，但鎖相式頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)換時間比較長，而且在單環(huán)的情況下很難做到很小的頻率分辨率。方案三

37、利用單片機實現(xiàn)直接數(shù)字合成器原理，不只能實現(xiàn)波形頻率高、轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高，而且可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)方式靈活，硬件實現(xiàn)簡單，集成了上述方案的各種優(yōu)點。</p><p>　　3.2 主芯片設(shè)計方案選擇</p><p>　　方案一:選擇飛利浦LPC2131，小型LQFP64封裝32位ARM7TDMI-S微控制器，ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計算機（RISC）原理而設(shè)計的，指令集和相關(guān)的譯碼機制比復(fù)

38、雜指令集要簡單得多，由此可見使用一個小的、廉價的處理器核就非常容易實現(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應(yīng)。此此處理器的內(nèi)核運行速度最高可達60MHz。</p><p>　　方案二：選擇飛利浦LPC2138，32位ARM7TDMI-S微控制器，此芯片與LPC2138基本類似，唯一不同點是此芯片帶有一個10位的DA轉(zhuǎn)換器，并且該DA轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率可以調(diào)制，最快轉(zhuǎn)換速率可達1us,最大電流為700uA。</p&g

39、t;<p>　　若選擇方案一，那么外圍電路的設(shè)計除了主芯片LPC2131外，還需外加DA轉(zhuǎn)換芯片，才能實現(xiàn)DDS原理的函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計。而選擇方案二，則只需一塊主芯片就可實現(xiàn)DDS原理的信號發(fā)生器。為了使硬件電路設(shè)計更加簡單，所以選擇了方案二。</p><p>　　3.3 顯示設(shè)計方案選擇</p><p>　　方案一：通過兩個4位數(shù)碼管再加一些外圍的驅(qū)動實現(xiàn)顯示，可顯示頻率

40、、幅度，器件簡單，價格便宜。</p><p>　　方案二：使用NOKIA5110 LCD液晶屏來顯示，可實現(xiàn)波形，頻率，幅度，運行狀況的實時顯示。</p><p>　　方案一只能顯示頻率、幅度，而且顯示位數(shù)有限，這影響了顯示的精度，對于波形的顯示只能用簡單的數(shù)字來代替。對于單層板的設(shè)計，兩個4位數(shù)碼管難以完成簡單的單層板布線。方案二使用LCD液晶顯示，可實現(xiàn)對波形、頻率、幅度、運行狀態(tài)實現(xiàn)

41、中文顯示，接口簡單方便，電路設(shè)計簡單，實現(xiàn)效果比方案一優(yōu)秀，所以選擇方案二。</p><p>　　3.4 濾波電路設(shè)計方案選擇</p><p>　　方案一：使用橢圓型濾波器，它擁有比較平滑的幅頻響應(yīng)，頻率響應(yīng)單調(diào)下降，通帶內(nèi)比較平坦，并且它的過渡帶陡峭。</p><p>　　方案二：使用由R,C構(gòu)造而成的低通濾波器電路。其電路設(shè)計設(shè)計簡單。</p>&

42、lt;p>　　本信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率不高，并且使用模擬器件較少，數(shù)字器件對于波形信號影響較小，所以選擇R,C構(gòu)造的低通濾波器。</p><p><b>　　4. 系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)框架設(shè)計</p><p>　　4.2 各硬件模塊功能 </p><p>　　4.2.1 主芯片功能 <

43、;/p><p>　　根據(jù)DDS原理，軟件設(shè)計產(chǎn)生各種波形，并且為鍵盤，顯示提供接口，實現(xiàn)波形，頻率，幅度可調(diào)，運行波形，頻率，幅度，狀態(tài)實時顯示等功能。</p><p>　　4.2.2 鍵盤功能</p><p>　　鍵盤功能實現(xiàn)了信號的波形，頻率，幅度可調(diào)。</p><p>　　4.2.3 顯示功能 </p><p>　　

44、對函數(shù)信號發(fā)生器的實時狀態(tài)進行顯示，LCD屏幕上顯示波形、頻率、幅度和運行的狀態(tài)。</p><p>　　4.2.4 濾波功能 </p><p>　　用RC濾波電路對波形實現(xiàn)濾波，滿足該設(shè)計的要求，簡單又實用。</p><p>　　4.3 模塊功能原理詳細分析</p><p>　　4.3.1 正弦波產(chǎn)生方法</p><p&g

45、t;　　DDS原理實現(xiàn)波形信號需要相位累加器、波形存儲器、DA轉(zhuǎn)換器在時鐘的作用下協(xié)調(diào)運行。如何在單片機中運用DDS原理產(chǎn)生正弦波呢？首先運用函數(shù)Y=sinX，將波形的每一相位所對應(yīng)的幅度值存儲在ram里。其中X代表正弦波的相位，即角度。在本設(shè)計將一圓周（即360度）分成1024份，即相位的遞增最小值為360°/1024，這樣我們就可以把一圓周的每一相位值所對應(yīng)的幅值通過函數(shù)Y=sinX計算結(jié)果存儲在ram里，這也相當(dāng)于DDS

46、結(jié)構(gòu)里的波形存儲器。</p><p>　　單片機中使用定時器作為DDS的時鐘，每一次定時器中斷都產(chǎn)生相位的累加，在中斷程序中進行相位的累加，并根據(jù)當(dāng)前相位在ram中尋找所對應(yīng)的幅值進行DA轉(zhuǎn)換。如何改變波形的頻率呢？假設(shè)定時器的時鐘設(shè)定為50KHz，輸出波形的頻率為100Hz，根據(jù)DDS原理公式Fout=Fc*M/2(N)，則M=Fout*2(N)/Fc。可以算出M=2。式中Fc為定時器時鐘，F(xiàn)out為輸出波形頻

47、率，2(N)為相位的等分數(shù)(本設(shè)計中取1024)，M為每次定時中斷相位累加遞增量，此時一個完整的信號由512個點構(gòu)成。當(dāng)定時器時鐘為50KHz固定不變時，F(xiàn)out=Fc/1024為信號的最小輸出頻率，此時一個完整50Hz的信號有1024個點構(gòu)成。所以可以通過改變每次定時器中斷的相位累加遞增量來得到所需的信號頻率。信號每一周期的取點數(shù)不應(yīng)太少，定時器的定時時鐘應(yīng)該大于每次DA轉(zhuǎn)換所需的時間，提高相位的等分數(shù)可以提高頻率分辨率，得到更準(zhǔn)

48、確的頻率。</p><p>　　4.3.2 方波產(chǎn)生方法</p><p>　　方波的產(chǎn)生由兩個大小不同的信號交互替換，其頻率的改變同正弦波相似。假設(shè)需產(chǎn)生頻率50Hz,幅度3.3V的方波，則一個完整的波形有1024個點構(gòu)成，其中前512個點的幅值為3.3V，后512個點的幅值為0V，這樣就可以產(chǎn)生所需的方波頻率與幅值。</p><p>　　4.3.3 鋸齒波產(chǎn)生方法

49、</p><p>　　鋸齒波的產(chǎn)生方法是幅度線性遞增，直到幅值處銳減為最低值，如此重復(fù)即可產(chǎn)生連續(xù)的鋸齒波，其頻率的改變方法與正弦波，方波相似。</p><p>　　4.3.4 幅度控制方法</p><p>　　本設(shè)計中幅度的最大值為芯片的供電電壓值，即3.3V。在DA轉(zhuǎn)換前對幅值11等分，幅值的可調(diào)范圍為0.3V-3.3V。</p><p>

50、;　　4.3.5 頻率控制方法</p><p>　　在輸出信號數(shù)據(jù)時間間隔一定時，通過更改相位遞增量的值，使得不同頻率波形所需的點數(shù)也發(fā)生變化，這樣也就改變了信號的周期。因此，通過固定定時器定時長短，改變波形的相位遞增量，既而改變波形數(shù)據(jù)的點數(shù)多少來改變信號的頻率。</p><p>　　4.3.6 濾波器設(shè)計方法</p><p>　　由于本設(shè)計產(chǎn)生信號頻率不高，因此

51、采用簡單的RC低通濾波器即可滿足設(shè)計要求。</p><p>　　4.3.7 鍵盤模塊設(shè)計方法</p><p>　　主芯片定時器中斷對鍵盤掃描，以便及時響應(yīng)鍵盤輸入信息做出響應(yīng)的調(diào)整。鍵盤有六個按鍵功能，第一按鍵為停止功能，當(dāng)要對信號做調(diào)整時需停止信號輸出再做調(diào)整；第二按鍵為波形選擇功能，可選擇正弦波、方波、鋸齒波；第三按鍵為頻率選擇功能，可對不同頻率段中的頻率進行選擇；第四按鍵為幅度選擇功

52、能，可選擇用戶想要的幅度；第五按鍵為頻率段選擇，本設(shè)計有兩個頻段，頻段一是0~1KHz頻率范圍，頻率段二是1~5KHz頻率范圍；按鍵六為波形運行功能，當(dāng)選擇設(shè)置好自己的波形后，按此鍵即可輸出波形</p><p><b>　　5. 軟件設(shè)計分析</b></p><p>　　5.1 軟件設(shè)計流程圖</p><p>　　6. 理論計算與實測結(jié)果分析&

53、lt;/p><p>　　6.1 頻率與相位遞增量計算表格</p><p>　　正弦波被分為1024個點。假設(shè)系統(tǒng)時鐘Fc（即定時器0時鐘）為50KHz,則在所要產(chǎn)生頻率Fout確定的情況下，通過公式M=1024*Fout/Fc，可計算出相位遞增量。下面表格為上述條件下計算所得相位遞增量。</p><p>　　6.2 波形頻率、幅度理論值與實測值對比</p>

54、<p>　　在低頻時，從計算值與實測值可以看出頻率的精度很高。若要產(chǎn)生較高頻率的波形，可以通過提高頻率控制字來提高頻率分辨率。本設(shè)計把一周期波形分成1024份，即頻率分辨率為1/1024。</p><p><b>　　6.3 實驗調(diào)試圖</b></p><p>　　6.3.1 正弦波 頻率100Hz 峰峰值 3.3V</p><p

55、>　　6.3.2 方波 頻率500Hz 峰峰值 1.5V</p><p>　　6.3.3 鋸齒波 頻率1000Hz 峰峰值0.3V</p><p>　　6.3.4 正弦波 頻率1758Hz 峰峰值 0.3V</p><p>　　6.3.5 方波 頻率2930Hz 峰峰值 3.3V</p><p>　　6.

56、3.6 鋸齒波 頻率3320Hz 峰峰值2.1V</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本設(shè)計是在黃近秋老師的指導(dǎo)下完成的，黃近秋是一位極其負責(zé)任的指導(dǎo)老師。畢業(yè)設(shè)計初期時，就制定了詳細的工作時間表，對于各個階段要完成的設(shè)計任務(wù)都詳盡列出，而且按時要求完成。期間，多次集中開會，分析指導(dǎo)，提供修改意見。為此，對黃老師在畢業(yè)設(shè)計期間提供的悉