1、電子電工課設(shè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 題 目：頻率步進(jìn)的數(shù)字正弦波信號(hào)源設(shè)計(jì) 姓 名： 羅望揚(yáng) 專業(yè)班級(jí)： 電子信息工程1201 學(xué) 號(hào)： 0909120922 指導(dǎo)老師： 陳明義 完成時(shí)間： 2014年7月15 日 目錄 前言3 設(shè)計(jì)概述6 概要設(shè)計(jì)6 各單元電路詳細(xì)設(shè)計(jì)8 電路安裝與調(diào)試14 心得體會(huì)16 附件：元器件清單16 參考文獻(xiàn)18 前言1.選題背景信號(hào)源是根據(jù)用戶對(duì)其波形的命令來產(chǎn)生信號(hào)的電子儀器。信號(hào)源主要給被測(cè)電路提供所需要的已知信號(hào)（各種波形），然后用其他儀表測(cè)量感興趣的參數(shù)。函數(shù)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制和科學(xué)試驗(yàn)等領(lǐng)域。1.信號(hào)發(fā)生器是一種悠久的測(cè)量?jī)x器，早

2、在20年代電子設(shè)備剛出現(xiàn)時(shí)它就產(chǎn)生了。隨著通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，40年代出現(xiàn)了主要用于測(cè)試各種接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器從定性分析的測(cè)試儀器發(fā)展成定量分析的測(cè)量?jī)x器。同時(shí)還出現(xiàn)了可用來測(cè)量脈沖電路或用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號(hào)發(fā)生器。由于早期的信號(hào)發(fā)生器機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，電路比較簡(jiǎn)單，但功耗比較大，因此發(fā)展速度比較慢。直到1964年才出現(xiàn)第一臺(tái)全晶體管的信號(hào)發(fā)生器。2.自60年代以來信號(hào)發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器，這個(gè)時(shí)期的信號(hào)發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且僅能產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡(jiǎn)單波形，由于模擬電路的漂移較大，

3、使其輸出的波形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)波形則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。3.自從70年代為處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，硬件和軟件使信號(hào)發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形。這時(shí)期的信號(hào)發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì)DAC的程序控制，就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。軟件控制波形的一個(gè)最大缺點(diǎn)就是輸出波形的頻率低，這主要是由CPU的工作速度決定的，如果想提高頻率可以改進(jìn)軟件程序減少其執(zhí)行周期時(shí)間或提高CPU的時(shí)鐘周期，但這些辦法是有限的，根本的辦法還是要改進(jìn)硬件電路15。到了二十一世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的

4、高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過GHz的DDS芯片，同時(shí)也推動(dòng)了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展。隨著現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理等技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了數(shù)字化技術(shù)在電子測(cè)量?jī)x器中的應(yīng)用，使原有的模擬信號(hào)處理逐步被數(shù)字信號(hào)處理所代替，從而擴(kuò)充了儀器信號(hào)的處理能力，提高了信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確度、精度和變換速度，克服了模擬信號(hào)處理的諸多缺點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器隨之發(fā)展起來。 信號(hào)發(fā)生器作為電子領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量工具，它必然將向更高性能，更高精確度，更高智能化方向發(fā)展，就象現(xiàn)在在數(shù)字化信號(hào)發(fā)生器的崛起一樣。但作為一種儀器，我們必然要考慮其所用領(lǐng)域，也就是說要因地制宜，綜合考慮性價(jià)比，用低成本制作的集成芯片信號(hào)發(fā)

5、生器短期內(nèi)還不會(huì)被完全取代，還會(huì)比較廣泛的用于理論實(shí)驗(yàn)以及精確度要求不是太高的實(shí)驗(yàn)。因此完整的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)具有非常重要的實(shí)踐意義和廣闊的應(yīng)用前景。2. 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的DDS正弦波信號(hào)發(fā)生器，由開關(guān)控制，每按一次開關(guān)，頻率增加100HZ，具體要求如下： 輸出信號(hào)的頻率范圍為100HZ-900HZ，步進(jìn)為100HZ。 要求輸出信號(hào)無明顯失真3. 可選方案 方案一：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成DS技術(shù)。這種方法能快速頻率變換，具有低相位噪聲等優(yōu)點(diǎn)。但分離元件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，成本高，產(chǎn)生過多的雜散分量，不易于控制。 方案二：采用鎖相環(huán)式頻率合成器。利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器

6、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，可以很好的選擇所需頻率信號(hào)，抑制雜散分量，并且省去大量的濾波器。但由于鎖相環(huán)本身是一個(gè)惰性環(huán)節(jié)，鎖定時(shí)間較長(zhǎng)，故頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，而且正弦波的幅度，頻率和相位都很難控制。 方案三：采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（Direct Digital Frequency Synthesis），相位累加器（PA），正弦波查找表（即存放在只讀存儲(chǔ)器（ROM）中的相位碼/幅度碼轉(zhuǎn)換表），數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），低通濾波器（LPF）組成。參考頻率源是一個(gè)高穩(wěn)定度的有源晶振，其輸出信號(hào)為DDS合成頻率的基

7、準(zhǔn)頻率，保證DDS中的各部件同步工作，用頻率控制字Fcw來控制相位累加器的累加次數(shù)，從而改變輸出頻率f0的高低。DDS具有相對(duì)頻帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨高（最小值為0.042Hz）等優(yōu)點(diǎn)，DDS系列芯片全數(shù)字化結(jié)構(gòu)高度集成，輸出頻率相位和頻率連續(xù)，頻率和相位及幅度均可實(shí)現(xiàn)程控，符合題目設(shè)計(jì)要求。 設(shè)計(jì)概述 1.DDS的基本原理 DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)合成技術(shù)。目前使用最廣泛的一種DDS方式是利用高速存儲(chǔ)器作查找表，然后通過高速DAC產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存入的正弦波。 DDS的理論基礎(chǔ)是Shannon抽樣定理。抽樣定理內(nèi)容是：當(dāng)抽樣頻率大

8、于等于模擬信號(hào)頻率的2倍時(shí)，可以由抽樣得到的離散信號(hào)無失真地恢復(fù)原始信號(hào)。在DDS中，這個(gè)過程被顛倒過來了。DDS不是對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，而是一個(gè)假定抽樣過程已經(jīng)發(fā)生且抽樣的值已經(jīng)量化完成，如何通過某種映射把已經(jīng)量化的數(shù)值送到D/A及后級(jí)的LPF重建原始信號(hào)的問題。 正弦輸出的DDS原理框圖如圖1所示。圖中的系統(tǒng)時(shí)鐘及參考頻率源為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于DDS中各器件同步工作。DDS 工作時(shí)，頻率控制字FCW在每一個(gè) 時(shí)鐘周期內(nèi)與相位累加器累加一次，得到的相位值（02）在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)以二進(jìn)制碼的形式去尋址正弦查詢表ROM，將相位信息轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)字化正弦幅度值，ROM輸出的數(shù)字

9、化波形序列再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）實(shí)現(xiàn)量化數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)變，最后DAC輸出的階梯序列波通過低通濾波器（LPF）平滑濾波后得到一個(gè)純凈的正弦信號(hào)。 輸出信號(hào)的最小頻率為F min=Fc/2nDDS的輸出頻率為F max=(F max×Fc)/2n故當(dāng)N很大時(shí)，對(duì)于很大范圍內(nèi)的M值，DDS系統(tǒng)都可以在一個(gè)周期內(nèi)輸出足夠的點(diǎn)，保證輸出波形失真很小。2.元器件選擇（1).相位累加器由加法器和寄存器構(gòu)成，用兩片74LS283級(jí)聯(lián)成八 位加法器，寄存器選用8位寄存器74HC574。（2).將正弦函數(shù)表存放在可電擦除的EPROM，用2864.（3) .D/A轉(zhuǎn)換器采用DAC0832。（4)

10、 .運(yùn)算放大器0P37。 各單元電路詳細(xì)設(shè)計(jì)1.555脈沖產(chǎn)生電路 由圖可知，振蕩周期T=T1+T2。T1為電容充電時(shí)間，T2為電容放電時(shí)間。 充電時(shí)間» 放電時(shí)間 矩形波的振蕩周期+=+»+ 因此改變1R、2R和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。 對(duì)于矩形波，除了用幅度，周期來衡量外，還有一個(gè)參數(shù)：占空比q，指輸出一個(gè)周期內(nèi)高電平所占的時(shí)間。設(shè)電容的初始電壓cU，t時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端THVTLV<13，比較器1輸出為高電平，A2輸出為低電平，（1表示高電位，0表示低電位），RS觸發(fā)器置，定時(shí)器輸出0

11、1u定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源ccV經(jīng)1R，2R向電容充電，cu逐漸升高。當(dāng)cu上升到13VCC時(shí)，2A輸出由翻轉(zhuǎn)為，RS-觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<t1期間，定時(shí)器輸出0u為高電平。T1時(shí)刻，cu上升到23VCC，比較器1A的輸出由變?yōu)椋琑S觸發(fā)器復(fù)，定時(shí)器輸出U0。T2期間，放電三極管導(dǎo)通，電容通過2R放電。cu按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)uc=23VCC時(shí)比較器1A輸出由變?yōu)椋|發(fā)器的_DR的狀態(tài)不變，u0的狀態(tài)仍為低電平。 T2時(shí)刻，cu下降到13VCC，比較器2A輸出由1變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的_DR=1，DS=0，觸發(fā)器處于1，定時(shí)器輸出01u=。此時(shí)電源再次向

12、電容C放電，重復(fù)上述過程。 通過上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出01u,電容放電時(shí),0u=0，電容不斷地進(jìn)行充、放電,輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號(hào)輸入,卻能輸出矩形波,其實(shí)質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?2. BCD數(shù)碼管譯碼電路共陰極數(shù)碼管使用538芯片實(shí)現(xiàn)譯碼，在八號(hào)窗口加一個(gè)500歐姆的電阻接地，防止數(shù)碼管被燒壞。3.相位累加器加法器是產(chǎn)生數(shù)的和的裝置。加數(shù)和被加數(shù)為輸入，和數(shù)與進(jìn)位為輸出的裝置為半加器。若加數(shù)、被加數(shù)與低位的進(jìn)位數(shù)為輸入，而和數(shù)與進(jìn)位為輸出則為全加器。常用作計(jì)算機(jī)算術(shù)邏輯部件，執(zhí)行邏輯操作、移位與指令調(diào)用。在電子學(xué)中，加法器是一種數(shù)

13、位電路，其可進(jìn)行數(shù)字的加法計(jì)算。在現(xiàn)代的電腦中，加法器存在于算術(shù)邏輯單元（ALU）之中。 加法器可以用來表示各種數(shù)值，如：BCD、加三碼，主要的加法器是以二進(jìn)制作運(yùn)算。 多位加法器的構(gòu)成有兩種方式：并行進(jìn)位和串行進(jìn)位方式。并行進(jìn)位加法器設(shè)有并行進(jìn)位產(chǎn)生邏輯，運(yùn)行速度快；串行進(jìn)位方式是將全加器級(jí)聯(lián)構(gòu)成多位加法器。通常，并行加法器比串行加法器的資源占用差距也會(huì)越來越大。 我們采用4位二進(jìn)制并行加法器作為折中選擇，所選加法器為4位二進(jìn)制先行進(jìn)位的74LS283，它從C0到C4輸出的傳輸延遲很短，只用了幾級(jí)邏輯來形成和及進(jìn)位輸出，由其構(gòu)成4位二進(jìn)制全加器，并用proteu

14、s進(jìn)行仿真。4. 正弦函數(shù)表存儲(chǔ)電路用EPROM存放正弦函數(shù)表，其存儲(chǔ)容量為512KB，共16位輸入，去其低八位作為相位尋址線，其他引腳接低電平。5. D/A轉(zhuǎn)換電路根據(jù)對(duì)DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。DAC0832引腳功能電路應(yīng)用原理圖DAC0832是采樣頻率為八位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，集成電路內(nèi)有兩級(jí)輸入寄存器，使DAC0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。若需要相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，可通過一個(gè)高輸

15、入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。dac0832應(yīng)用電路圖DAC0832引腳功能說明：DI0DI7：數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效。CS：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。WR1：為輸入寄存器的寫選通信號(hào)。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效。WR2：為DAC寄存器寫選通輸入線。Iout1:電流輸出線。當(dāng)輸入全為1時(shí)Iout1最大。Iout2: 電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。6. 低通濾波器利用電容同高頻阻低頻,電感通低頻阻高頻的原理.對(duì)于需要截止的高頻,利用電容吸收電感、阻礙的方法不使它通過,對(duì)于需要的低頻，利用電容高阻、電感低阻的特點(diǎn)是它通過

16、。容許低于截至頻率的信號(hào)通過， 但高于截止頻率的信號(hào)不能通過的電子濾波裝置。讓某一頻率以下的信號(hào)分量通過，而對(duì)該頻率以上的信號(hào)分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置。 電路安裝與調(diào)試1. 電路的焊接 第一天首先在一塊小板上用電烙鐵練習(xí)焊接，第二天領(lǐng)到實(shí)驗(yàn)所用電路板后，首先在電路板上確定芯片的大概位置，并將芯片底座焊接上去，我們兩人分工合作，我主要負(fù)責(zé)焊接電路，另一人主要在面包板上負(fù)責(zé)芯片的調(diào)試。2. 電路的調(diào)試首先確定每個(gè)芯片都是正常可用的，然后分模塊測(cè)試芯片。確保每個(gè)模塊都是正常工作的，再將各個(gè)模塊連接在一起。測(cè)試順序是：（1).555脈沖產(chǎn)生電路 （2).74LS192及譯碼器和數(shù)

17、碼管 （3).2864和DA0832問題一：555定時(shí)器輸出頻率不是理想頻率解決方法：改變555定時(shí)器中接入的電阻阻值，一點(diǎn)一點(diǎn)調(diào)節(jié)頻率，使得頻率漸漸逼近理想的頻率值，因?yàn)殡娙莸牟环€(wěn)定性，頻率不可能達(dá)到理想值，但是要盡可能的逼近。問題二：數(shù)碼管接上后數(shù)字不能顯示完全解決方法：經(jīng)過仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管有兩個(gè)管腳出現(xiàn)焊接錯(cuò)誤，將錯(cuò)的兩個(gè)管腳重新焊接，最終數(shù)碼管可以正常工作了。問題三：調(diào)試時(shí)，板子出現(xiàn)了短路解決方法：經(jīng)判斷，最有可能是電源線或者地線短路。用萬用表測(cè)量結(jié)點(diǎn)之間的電壓和電流，若電流的數(shù)值超出正常范圍，則為這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間可能出現(xiàn)焊接錯(cuò)誤。最終得到解決。問題四：寄存器輸出端有的有方波有的沒有

18、解決方法：檢查電路圖和焊接的管腳，看看是否是焊接時(shí)焊錯(cuò)了管腳，從而出現(xiàn)此類問題，需要一根根的排除連線，還應(yīng)該檢查是否有虛焊或者在焊接時(shí)由于錫的量過多將不相干的管腳焊到了一起，在不懈努力下，經(jīng)過三次重新焊接出現(xiàn)了方波。 心得體會(huì) 經(jīng)歷了五天艱難的實(shí)驗(yàn)，基本每晚都要在實(shí)驗(yàn)室加班，終于完成了此次課程設(shè)計(jì)，但也算不上真正完成，雖然每一個(gè)小的模塊功能基本都能實(shí)現(xiàn)，但卻沒能最后得出小誤差的正弦波來，算是一個(gè)小小的遺憾，但這次的收獲卻是無與倫比的雖然我們用焊接比起用面包板的同學(xué)的確有難度，但也正是多出的這些難度讓我們?cè)诿鎸?duì)一個(gè)新事物時(shí)有了戰(zhàn)勝困難的勇氣，人人都有第一次，下一次一定能做得更好。 在選完題后才得知一不小心選到了最難的第一題，但心里也充滿了成就感，焊的前一兩個(gè)不是很勻稱甚至虛焊，但稍微摸索幾次之后就能摸透它的規(guī)律，PS：（因?yàn)橐恢庇晌以诤附樱坨R光榮犧牲在炙熱的電烙鐵之下，手也燙傷了，但絕沒有變電懊悔哈哈哈，反而覺得是鍛煉的烙印）。 在焊接的走線問題上，為了使正面的線路看上去更加簡(jiǎn)潔也避免正面焊點(diǎn)過多而產(chǎn)生短路，除了將電源線和地線接在背面，在一些復(fù)雜的地方選擇將線鋪在反面，減緩正面的壓力。但也因?yàn)槿绱耍跈z查電路接線是否正確時(shí)麻煩了不少，雖然正面很簡(jiǎn)潔，但反面過于復(fù)雜。 在接線后的調(diào)試方面，克服了不少困難，首先是短路問題