题目 : 信号源的设计和制作

1. 题目:信号源的设计和制作 主讲：侯建军教授

2. 一、任务 在给定电源电压条件下，设计并制作一个正 弦波和脉冲波信号源。

3. 二、技术指标 1．基本要求 （1）正弦波信号源 1）信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz 2）频率稳定度：优于10-4 (2） 脉冲波信号源 1）信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz 2）上升和下降时间：≤1us 3）脉冲占空比：2%～98%步进可调，步长为2% （3）上述两个信号源公共要求 1）频率可预置 2）在负载为600Ω时输出幅度为3V 3）完成5位频率的数字显示

4. 2．发挥部分 （1）正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。 （2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围 100mV～3V，步长为100mV。 （3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为1Hz。

5. 三、总体方案 设计制作一个能产生正弦波和脉冲波信号源。要求信号频率在20Hz～20kHz范围内能程控步进调整，脉冲波的占空比在2%～98%之间能程控步进可调，且性能良好，满足指标。 1．方案比较 （1）正弦波产生 方案一：采用单片函数发生器（8038），8038可同时产生正弦波、脉冲波，方法简单，用D/A转换器的输出来改变调整电压，也可以实现数控调整频率，但步长难以满足要求，且频率稳定度不高。

6. 方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡 器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好， 但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂，不适于 产生低频信号。 方案三：采用直接数字频率合成器（DDS），可用硬件或软件 实现。即用累加器按频率要求对相应的相位增量进行累加， 再以累加相位值作为地址码，取存放于ROM中的波形数据， 经D/A转换、滤波即所得需要波形。方法简单，频率稳定度高， 易于控制。 方案四：采用单片机控制动态生成程序。该方法引入动态编程和吞时钟技术，使用8031便可产生50kHz的正弦波，能达到指标要求。单片机在此不仅是控制器，还是信号发生器，用软件产生正弦波，使硬件开销达到最省。

7. （2）方波的产生 方波可由正弦波整形得到，关键是如何控制占空比，对此有几种方案。 方案一：由D/A转换器产生占空比相应的电压，将之与正弦信号进行比较就可得到所需占空比方波。但这种方法精度较差，难以达到2%的步进要求。 方案二：先把正弦波变换为锯齿波或三角波，然后进行比较。这样一来虽然可以提高精度，但电路复杂，成本高，调试也困难。 方案三：采用计数定时方法，先将正弦波变换为方波，再用它的上升沿触发一计时电路，该电路在计时期间输出为高电平，计时终止后输出为低电平，该输出波形即为所需要波形。这种方法计时精度高，成本低。

8.  2．实施方案 根据以上分析，选用如下方案。 （1）正弦波产生 800Hz以下的正弦波产生采用软件相位累加DDS方案来实现。800Hz~50kHz的正弦波采用动态生成程序的方法来实现。 （2）方波的产生 方波由同频率的正弦波产生，采用计数定时方案来实现占空比的步进调整。为提高占空比的精度，采用预分频和择优技术。

9. （2）由RAM6264构成动态程序存储器，将80C32的/PSEN接6264的/RD，它既占据8K Byte的程序存储器空间，同时又占据8K Byte的数据存储器空间。 （3）由可编程键盘、显示接口芯片82C79构成的键盘显示电路，82C79用中断方式与80C32通信。 功能键：Enter、Stop、A、K、Auto+、Auto-，正弦波/脉冲波 数字键：0～9 系统复位键：Reset（不由82C79控制） （1）由单片机80C32（内部RAM为256Byte）、程序存储器EPROM27C128和地址锁存器373构成最小系统。 单片机系统 （4）由2-4译码器74LS139和GAL16V8组成译码电路。 动态程序存储器6264 单片机80C32 键盘显示82C79 吞脉冲GAL 模拟开关CD4051 单片机80C32 键盘显示82C79 吞脉冲GAL 动态程序存储器6264 程序存储器27C128 滤波器 方波82C53 DAC0808 输出驱动NE5532 幅度控制DAC0832 晶振36MHz 波形输出 四、硬件系统 信号源的硬件系统框图如图所示。下面将分别介绍各组成部分的功能和实现方法。 单片机系统是整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是波形数据的产生器。

10. 整机系统地址分配如下： 27C128： 0000H～3FFFH的程序存储空间 6264： 6000H～7FFFH的程序和数据空间 82C53： 4000H～5FFFH DAC0832： A000H～BFFFH 82C79： E000H～FFFFH

11. 正弦波形成电路: D/A转换器将80C32的P1口送来的数据，变换成阶梯正弦波，再经滤波器滤波后送入LM311和CD4051，经DAC0832进行幅度调整，NE5532驱动后输出。 D/A转换器由建立时间为150ns的DAC0808实现，DAC0808的基准电压由稳压块7805提供。 主振电路产生36MHz的时钟信号，吞时钟脉冲电路是可控分数维分频器，它为80C32提供时钟信号。用ABEL编程GAL，使完成3分频工作，当C36或C6端有跳变时，就在36个晶振时钟吞掉一个或6个时钟脉冲。其中C36、C6端由80C32的P3.5、P3.1控制。 方波82C53 键盘显示82C79 吞脉冲GAL 动态程序存储器6264 程序存储器27C128 晶振36MHz DAC0808 模拟开关CD4051 输出驱动NE5532 幅度控制DAC0832 单片机80C32 滤波器 波形输出 方波形成电路由比较器LM311和计数定时电路构成，计数定时电路采用程控计数器82C53实现。正弦波经LM311比较器后，变为方波，其上升沿触发82C53的GATE1，开始计数并输出低电平，82C53计满后输出高电平，改变80C32预置82C53的计数初值就可使输出方波的占空比改变。82C53输出经74HC14反相，进入DAC0832幅度控制。 这样方波输出就为0V或5V，进入DAC0832幅度控制，再经驱动后输出。同时考虑到占空比为2%和98%的方波波形正好反相，4%和96%的波形也正好反相，余此类推。为了减少计数的容量，故方波分为两路输出，占空比小于50%的方波在74HC14处只有一级反相器，而占空比大于50%的方波加有两级反相器。

12. 五、调试过程 • 1．使用的仪器与仪表 • PC机，386DX40，5M内存 • 数字频率计，8610A型 • MICE—51仿真器 • XD低频信号源 • 20MHz双踪示波器 • 真空管毫伏表，DYC—5 • BSIA失真度测量仪 • 890型数字万用表 • JWY—30F稳压电源

13. 2．调试经验 调试过程是发现错误、改正错误的过程。能够越早地发现错误，纠正它的代价就越小。错误可以分为：系统方案错误；系统设计错误；系统实现错误。 系统方案错误是致命的，如果在制作后期才发现它，几乎就没有挽救的办法。 为避免方案错误，在设计前要进行周密的方案论证。这时要查找大量的文献资料，必要时开发部分原型或进行计算机模拟。例如，这个系统在选择方案时，不知道动态编程能否满足频率要求。可以用穷举法结800Hz到50kHz逐个频率点进行验证，在得到可行的结论后才使用。

14. 系统设计错误通常意味要对物理线路作较大的改动。系统设计错误通常意味要对物理线路作较大的改动。 例如，器件选择错误，在高速应用中使用了低速器件；元件参数计算错误，以致达不到预定的指标。这些都是设计上的错误。在这里采用两种手段来减少设计错误，或减少设计错误造成的影响。 一是使用计算机对电路进行模拟，例如验证滤波器的特性，而且模拟的结果为物理线路的调试提供了参考依据。 另一个是使用可编程逻辑器件，如GAL，这样在发现错误时只要重新改变编程，不需要做大的改动。 系统实现错误主要是器件接线错误或工作点设置错误。查找实现错误时可以根据模拟的结果进行对照调试，或由电路的因果关系确定故障的位置。

15. 六、结束语 频率合成部分是信号源的关键。可以采用动态编程和吞时钟脉冲技术，提高了软件的处理效率，使正弦波频率的高端扩展到50kHz，步进1Hz。从实际制作的结果来看，各方面的指标可达到指标要求，可有不同程度的提高，也可证明该方案的正确性和可行性。 整个系统还会得益于可编程逻辑器件和计算机模拟等技术的应用，同时各种器件的灵活运用为最后的成功铺平了道路。

16. 设计、实施方案的主要特色： 采用单片机动态编程和吞时钟脉冲技术，现场生成正弦波的DDFS（数字直接频率合成）波形数据，并存入外部RAM，提高了正弦波的工作频率。采用计数定时法控制输出方波的占空比，可保证调整精度。

17. 七、参考文献 [1] 高吉祥。电子技术基础实验与课程设计。北京：电子工业出版社，2002 [2] 彭介华。电子技术课程设计指导。北京：高等教育出版社，1997 [3] 毕满清。电子技术实验与课程设计。北京：机械工业出版社，2001