波形發生器實驗報告 陳雷 範廣騰 範曉雷

2022-06-23 03:45:29 字數 4385 閱讀 6260

學員:範廣騰200604013009

陳雷200604013012

範曉雷200604014027

摘要本系統主要以微控制器為控制核心,由fpga模組、鍵盤輸入模組、led顯示模組、da轉換輸出、巴特沃斯有源低通濾波器等部件組成。採用ddfs技術,該系統具有較寬頻率帶、步進值小和頻率精度高等特點。

設計製作一個波形發生器,該波形發生器能產生正弦波、方波、三角波和由使用者編輯的特定形狀波形。

方案1 :採用傳統的直接頗率合成ds技術。這種方法能實現快速頻率變換.

具有低相位嗓聲以及所有方法中最高的工作瀕率。但由於採用大量的倍頻,分頻、混頗和濾波環節。導致直接頻率合成器的結構複雜、體積龐大,成本高、而且容易產生過多的雜散分量。

難以達到較高的頻譜純度;更重要的是;這種方法只能實現正弦波,或者進而由積分、微分等方法實現方彼、三角波等標準波形、但卻無法實現題目所要求的任意波形。

方案2;採用鎖相環式頻率合成器。利用鎖相環,將壓控振盪器vco的輸出頻率鎖定在所需頻率上。這種頻率合成器具有很好的窄帶跟蹤特性,可以很好地選擇所需頻率訊號,抑制雜散分量,並且省去了大量的濾波器,有利於整合化和小型化。

但由於鎖相環本身是一個惰性環節,鎮定時間較長,故領率轉換時間較長。而且,由模擬方法合成的正弦波的引數,如幅度、頻率和相位都很難控制:除此之外,同方案1類似,此方案也無法實現任意波形的輸出。

方案3;採用直接數字式頻率合成器(direct digital frr-quency synthesis,簡稱ddb或ddb).用隨機讀寫儲存器ram儲存所需波形的盆化資料.按照不同頻率要求以頻率控制字k為步進對相位增量進行票加,以票加相位值作為地址碼讀取存放在儲存器內的波形資料.

經d/a轉換和幅度控制,再濾波即可得所需波形(如圖1)。由於dds具有相對頻寬很寬、頗率轉換時間極短(可小於20ns)、頻率解析度可以做得很高(典型值為0.001hz)等優點。

另外,全數字化結構便於整合.抽出相位連續.頻率、相位和幅度均可實現程控,而且理論上能夠實現任意波形,可以完全滿足本題目的要求。

於是我們採用了此種方案。

圖1 系統流程

方案1:採用雙數模轉換技術,由微控制器控制對dac0800置數.改變其輸出電流,經電流/電壓轉換後通過電阻以電流源的形式作為高速乘法型d/a轉換器dac0800的基準電流,由此即可控微控制器控制輸出波形的福度。

但此種方法不能準確實現步進0. i v的要求,且當基準電平為零時.其物出不一定為零。

方案2:採用數控電位器組成的電阻分壓網路,但由於數控電位器的分擋數(3擋)不能滿足題目的要求.而組合接法又比較複雜,故未採用此種方案。

方案3:幅度控制器由dac0800控制.利用其內部的電阻分壓網路,將其作為數控電位器使用。

將dac0800的輸出波形作為下一片dac0800的電壓基準源輸入,其輸出波形幅度將為v=(n/256)x vin,其中n為微控制器輸人的幅度控制字。我們採用了此種方法。通過一精密可調點壓源調整輸出為峰一峰值0—10v,再送入次片dac0800由微控制器控制其幅度。

從而實現峰一峰值 0.1v步進調整。

為了消除波形表生成時所帶來的毛刺及生成正弦波時進行數摸轉換所產生的高頻分量.我們在系統的後級設計了濾波器來提高產生的波形質量 。

方案1:採用二階切比雪夫低通濾波器。切比雪夫濾波器的幅度響應在通帶內是在兩個值之間波動,在通帶內的波動次數取決於濾波器的階數。

理想的切比雪夫濾波器在靠近截止頻率的部分有比巴特沃思濾波器更接近矩形的頻率響應。這一點是以通帶內允許彼動為代價而得到的。

方案2:採用二階巴特沃思低通濾波器。巴特沃思濾波器的幅度函式是單調下降的,由於n階低通巴特沃思濾波器的前(2n-1)階導數在w=0處為零、所以巴特沃思濾波器也稱為最大平坦幅度濾波器。

由於本題目中我們要濾除的頻率分量主要為d/a產生的高頻分量(1m和10m ),與我們所要保留的頻率(w<20khz)相差很遠、所以相對來說,濾波器在通帶內的平坦程度對我們而言.比其襲減陡度更為裡要,而且,巴特沃思濾波器的元件值也較合乎實際情況,不像絕大多數其他型別濾波器對元件值要求那麼苛刻:在截止頻率附近.

頻率響應鈍化可能使這些濾波器在要求銳截止的地方不合要求。基於上述考慮.我們決定採用第二種方案。

根據題目的要求,我們制定出了整體的設計方案:以兩片微控制器89s52小系統加xillix spartan-iii fpga為核心,完成四方面的功能:處理鍵盤資料.

生成波形表儲存於fpga開發板的ram中;控制液晶顯示;控制dac0800進行幅值轉換;傳送頻率控制字fre_word值給fpga處理。fpga主要用於實現dds技術中累加器的功能:一方面.

在很大程度上提高了系統的速度;另一方面,我們將微控制器的外圍晶片

74ls377, 74ls373 ,

圖2 系統框圖

74ls138、74ls02都整合在fpga內,既充分利用了fpga的資源,又減少了微控制器與外部裝置的介面,提高了系統的可靠性;由dac0800內部的電阻分壓網路實現幅度控制.繼而經過二階巴特沃思低通濾波器進行濾波,再經運放和三極體進行擴流。從而可以得到所需的任意一種具有一定帶負載能力的波形(系統框圖參見圖2)

根據題目的基本要求:

a.可產生正弦波、方波、三角波三種週期性波形;

b.鍵盤輸人編輯生成上述三種波形的線性組合波形.以及由基波及其5次以下諧波線性組合的波形。

我們設計了下述實現方案:將歸一化的正弦波、方波、三角波的5次諧波以下的波形儲存在e2prom中,每種波形儲存256個點。然後由微控制器根據鍵盤輸人的不同要求,令各點資料乘以相應的係數並盛加,再將所得到的新的256個位元組的資料送ram,此時我們便得到了所需要的波形資料表。

這一模組是由微控制器控制fpga實現的。fpga完成相位累加器(結構圖見圖3)的功能,而頻率控制字k是由微控制器給出的。

之所以使用fpga而不用微控制器實現累加器功能,是由於考慮到用微控制器上限頻率無法滿足擴充套件部分200 kh的要求。另外,使用fpga藉助硬體實現.還節省了微控制器的資源,使其有足夠的空間完成資料處理以及其它控制功能。

我們採用了xillix公司的xc3s200,這是xillix公司40 萬門系列產品,有較高的速度和較大規模的邏輯陣列,完全滿足我們的要求。

相位累加器(見圖3)是實現dds的核心,它由一個n位字長的二進位制加法器和一個固定時鐘脈衝取樣的n位相位暫存器組成。在每個時鐘脈衝到達時,相位暫存器取樣上卜時鐘週期內相位暫存器的值與頻率控制字吸之和,並作為相位累加器在這一時鐘週期的輸出。當相位累加器積滿量時就會產生一次溢位,從而完成一個週期性的動作,這個動作週期即是dds合成訊號的一個頻率週期。

於是,輸出訊號波形的頻率表示式為:fo=(fc×n)/2k。由該式可知,輸出訊號頻率主要取決於頻率控制字k,當k增大時,fn可以不斷地提高。

由抽樣定理。最高輸出頻率不得大於fc/2,而根據實驗驗證,實際工作額率小於fc/3時較為合適。 根據題目基本和擴充套件要求:

頻率範圍擴充套件至100hz-200khz,頻率步進間隔≤10ohz(實際以95hz步進),我們取fc =1omhz(fc的取值受到d/a轉換速率的限制,井非越高越好,因為數模轉換部分採用的是dac08,其轉換速度為85ns,約為11.7mhz,綜合考慮。我們選取晶振基準頻率為10mhz),n=24位.

這樣,理論上在200kh時,我們的設計所產生的波形在一個週期內仍然有50個點,經後級處理,效果仍然會不錯。而且頻率解析度fmin =fc/2h=107/224=0.6hz,可以實現1hz的步進。

1.數模轉換採用轉換速度為85 ns、頻寬10mhz的8位單調高速乘法器a/d dac08。dac08具有快速的穩定時間可完全滿足波形發生器的要求,輸出級接一運放作為電壓電流轉換器,可得到一5.000~+4.

960v雙極性電壓輸出:

2.幅度拉制使用頻寬1 mhz的dac0832實現。利用dac0800內部的電阻分壓網路,將經dac08產生的波形作為dac0800的電壓基準源,由微控制器控制輸人的數字量從而實現幅度(峰一峰值))o. 1 v步進的調整。

其接法如圖4所示。

對於階梯正弦波進行傅立葉分析,可以證明若一週期取樣點數為n,則其高次諧波能量主要集中在輸出頻率的n±1倍頻上,其幅值為基頻的1/ (n±1)。進行低通濾波,可以平滑其臺階。另外,我們還需要濾除由dac08產生的1mhz和10mhz的高頻分量。

由於領率覆蓋範圍較大(1hz - 200khz)。且需產生多種波形,為了使整個頻率範圍內都可以有較理想的濾波效果,我們採用了分段低通濾波的方式,在整個頻率範圍內將其分為三種情況:中心頻率為25khz的巴特沃思低通濾波器;中心頻率為250khz的巴特沃思低通濾波器;全通濾波器。

其中,頻率位於20khz以下的正弦波採用中心頻率為25khz的巴特沃思低通濾波器。頻率位於200khz以下的正弦波採用中心領率為250khz的巴特沃思低通濾波器,三角波及方波直接輸出,由此我們可以得到較好的波形輸出(見圖5)。

圖5穩幅濾波電路

採用tip122,tip127來進行v向擴流以提高其帶載能力,可以完全滿足發揮部分所要求的穩幅輸出能力,當負載變化時,其輸出電壓幅度變化小於3%.如圖6所示。

圖6 功率輸出

程式全部由c語言編寫,可實現波形選擇、頻率幅度輸入,波形編輯、頻譜和失真度計算等功能。採用液晶分屏顯示波形、頻率、幅度、失真度和前8次諧波分量。