【《基于单片机的函数信号发生器设计》11000字（论文）】.docx

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1、基于单片机的函数信号发生器设计摘要本文简要介绍了信号发生器的研究现状及发展状况,详细阐述了传统信号发生器和数字信号发生器的设计原理。从功能、成本、体积、重量上讲述了数字信号发生器的特点和优越性。在此基础上给出了系统设计的整体方案,包括硬件和软件设计方案并对这两部分做了进一步的阐述。系统硬件电路的设计主要包括系统电源电路的设计、CPU及其外围电路的设计、人机交互接口电路的设计、双口RAM电路的设计等。本系统采用双CPU结构，由ATMegal28单片机实现人机交互和TMS320F2812DSP实现波形发生这两部分构成。系统的软件设计主要包括三部分:外设模块驱动程序的设计、系统处理主程序设计、数字量

2、波形信号的算法设计。各模块驱动程序的设计为系统硬件提供了访问函数的接口，便于系统功能的实现;系统处理主程序设计主要包括双CPU之间的通信以及数字量波形信号的产生与显示。数字量波形信号的产生是由DSP的定时中断服务程序来实现的，定时器每隔ImS产生一次中断，定时输出阶跃、等速、正弦三种数字量波形信号，用于测试数字伺服系统及其它测量电路的各项性能指标。经过软、硬件的调试，数字信号发生器所产生的三种波形信号具有精度高，波形稳定，失真小的特点;并且系统工作可靠稳定，操作简单实用，具有很好的应用前景。关键词:ATMega128单片机，TMS320F2812DSP,双口RAM,数字信号发生器，人机交互目录

3、1绪论11.1 课题的应用背景11.2 信号发生器发展状况11.3 本课题的研究目的32数字信号发生器总体设计42.2信号发生器方案综述52. 2.1传统信号发生器的设计原理53. 2.2数字信号发生器的设计原理72. 3数字信号发生器的总体方案设计72.3.1数字信号发生器的性能指标723.2系统总体方案设1十83数字信号发生器的硬件设计103. 1系统的硬件总体设计103. 2系统各个模块的硬件设计113. 2.1控制板电源电路设计113. 2.2键盘、显ZK电路设计123. 3串口模块电路设计134数字信号发生器的软件设计144. 1系统处理主程序设计144.2系统功能实现的软件设计15

4、5Io17j181绪论1.1 课题的应用背景测量仪器从宏观上可分为两大类，即激励和检测仪器。激励仪器主要是信号发生器。信号发生器是一种常用的信号源，它是一种为电子测量和计量工作提供电信号的设备，它和示波器、电压表、计数器等仪器一样是应用最广泛的电子仪器之一。因此，几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器。在许多实际应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，根据使用者的要求仿真出各种测试信号，提供给测量电路，以满足测量或各种实际要求。在教学和科研中，通常选择几种典型信号（如阶跃、等速、正弦信号等）作为标准信号，用于电子电路和控制系统的性能测试或参数测量。信号发生器

5、也是控制系统的重要组成部分，是工业自动化中不可缺少的测量设备，因此在许多高科技领域都得到了非常广泛的应用，如设计与测试、汽车制造业、生物医学、传感器仿真、函数发生器等领域。因此通过借鉴国内外研究工作的先进经验，研制出高精度、可靠性、可调参数的数字量信号发生器，对于促进我国航空、航天、国防及工业自动化等领域的发展，跟随和赶超世界先进水平均有重要意义。本课题的目的是完成基于DSP的数字信号发生器系统的软、硬件设计，调试成功后使其产生三种精度高、波形稳定、失真小的波形信号，并要求数字信号发生器具有界面友好、操作方便、运行稳定、易维护的特点。1.2 信号发生器发展状况早在20世纪20年代电子设备刚出现

6、的时候，信号发生器便随之产生。随着通信和雷达技术的发展，40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使得信号发生器从定性分析的测量仪器发展成为定量分析的测量仪器。与此同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。直到1964年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器。利用单片机技术和精密函数发生电路构成的信号发生器，可实现信号的频率偏差的自动调整，可产生高精度、高稳定性的低频波形信号。有的甚至只需要利用函数发生器芯片，外接很少的电阻

7、、电容等元件，便可产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形。由于模拟电路的漂移大，使其输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构是非常复杂的。自70年代微处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，能够产生出比较复杂的波形。这时期的信号发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC（数模转换器）的程序控制，就可以得到各种简单的波形。软件控制波形的一个最大的缺点就是输出波形的频率低，这主要是由CPU的工作速度决定的，如果想提高频率可以通过改进软件程序减少其执行周期时

8、间或提高CPU的时钟周期来实现，但这些办法是有限度的，根本的方法还是要改进硬件电路。随着计算机技术和现代微电子技术的迅猛发展，一些新型的高速处理器如16位单片机、DSP被广泛地应用到控制系统中，这些器件的突出优点是集成度高、处理速度快、片上资源丰富、可靠性好;同时一些先进的智能控制算法也被应用到实际的系统中。随着控制理论和大规模集成电路的进一步发展，数字系统中更多的功能将由软件来实现，这将是数字量信号发生器的一个发展趋势。信号发生器的应用十分广泛，种类也非常繁多。首先，信号发生器可以分通用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视信号发生器、脉冲编码信号发生器等。其

9、次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲信号发生器、函数发生器和任意波形发生器等。再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。但也可以通过频率合成技术来获得所需频率。利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成信号发生器。所谓频率合成技术就是指从一个高稳定和准确的参考频率源，经过技术处理，生成大量离散的频率输出。技术处理方法可以是传统的硬件实现频率的加、减、乘、除基本运算，也可以是锁相环技术，也可以是各种数字技术和计算机技术。参考频率一般由高稳定的晶体振荡器产生，所生成的一系列离散

10、频率输出与晶体振荡器频率有严格的比例关系，并且具有同样的准确度和稳定度。在现代电子测量中，人们对于信号源频率准确度和稳定度的要求越来越高，要求能在较宽的频率范围内输出，并且要求输出的频率具有高稳定度和准确度。对于作为精密测量的信号发生器，其频率准确度一般达到IO6-IO-7O因此传统的信号发生器已经越来越不能满足现代电子测量的需要。而数字信号发生器则具有很高的频率稳定度，其频率准确度一般可达到10-9或更高的水平。它可以输出多种波形、并且可以有宽而准确的输出电平调节，有较宽的频率输出范围，较小的频率间隔。目前，国外一些生产厂家己经生产出功能丰富、频带宽、合成波形多、DAC位数高的数字信号发生器

11、。如:美国IFR公司的射频信号发生器IFR2031输出频率范围为IOKHZ2.7GHz,IFR2032输出频率范围为IOKHZ5.4GHz,拥有频率、相位、幅度和脉冲调制等任意组合的灵活性，广泛应用于RF器件和无线能信系统的测试;美国福禄克公司生产的频率合成信号发生器F-6060B,输出频率范围为0.25Hz1050MHz;德国R.S公司的射频信号发生器STM-03输出频率范围为5KHz3GHz;Tektronix公司的VX4790A采样率为25MSs和VX4792采样率为250MSs,AFG320采样率为16MSs有调频、调幅和移频键控等功能;HeWlettPackard公司的合成信号发生器

12、HP8672A采样率为18GSs和HP83620A采样率为20GSs,具有脉冲调制、扫描调制、幅度调制和频率调制等功能。随着通信、电子及微电子技术的快速发展，对各种高性能的测试仪器、高频段信号发生器的需求越来越多，我国数字合成信号发生器发展也较快，并广泛应用在通信、雷达、无线电导航、影视音响以及电测试仪器等领域。如香港创意公司的全数字化可编程信号发生器DSM-620V采样频率为UOMHz;北京科奇公司的数字频率合成信号发生器KH1460输出频率范围为5KHz50KHz,最小分辨率可达0.1Hz;南京新联电子设备有限公司EE141IC型合成(DDS)函数信号发生器输出频率范围为0.01Hz0MH

13、z;重庆前锋集团的DDS函数发生器QF1631A/B输出频率范围为0.1Hz15MHz;江苏洪泽瑞特电子设备有限公司生产的数字合成信号发生器SG1656输出频率范围为lHz30MHz等等。因此，数字信号发生器被越来越广泛的应用在生产和实践过程中，其前景十分广阔。1.3 本课题的研究目的本课题的研究目的是设计出一个基于单片机的数字量信号发生器;系统调试成功后使其产生三种精度高、波形稳定、失真小的波形信号。本系统采用双CPU结构，选用单片机作为波形发生的处理芯片，通过DSP的定时中断，每隔1ms,产生1个16位的二进制数值并从DSP自身的16个并行I/O端口输出。随着时间的推移，指定的端口上就可以

14、得到一个离散的二进制值序列，且该序列满足一定的规律，即用户所需要的阶跃、等速、正弦三种数字量信号。产生的等速信号设置了角速度、加速时间、起始位和终止位，可以适应不同需求的伺服系统;正弦波形信号的实现是根据用户输入的幅值和周期值，对正弦信号量只进行离散化处理，计算出1/4周期的正弦信号量的序列值，再根据波形的对称性，可求出其它3/4个周期的正弦离散序列值，这大大提高了算法的效率并且降低了算法实现的难度。数字量信号发生器具有良好的人机交互接口，选用单片机作为人机交互系统的主控芯片。人机交互模块主要由矩阵式小键盘和1.CD液晶显示屏构成。用户可以通过矩阵式键盘设定三种波形信号的参数，从而控制波形的形

15、状和大小等;DSP的输出数据通过双口RAM传送给单片机，单片机读取到数据并把数据写入到1.CD的显示RAM中，实现波形输出信号的显示。通过1.CD显示屏，用户可方便地观察到数字量波形以及波形参数。经过运行及系统调试，设计的数字信号发生器所产生的三种数字量波形具有精度高、波形失真小、抗干扰能力强的特点，具有良好的应用前景。2数字信号发生器总体设计2.1 概述现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大地促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用。一些新型的高速处理器如16位单片机、DSP等被广泛地应用到控制系统中，这些器件的突出优点是集成度高、处理速度快、片上资源丰富、可靠性好;同时一些先进的智能控制算法也被应用到实际的系统中，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点。因此,数字信号发生器随之逐渐发展起来，并开始逐步追求高精度、可靠性、参数可调性和高性价比，并且逐渐成为时代主流。而且随着控制理论和大规模集成电路的进一步发展，数字系统中更多的功能将由软件来实现，这将是数字量信号发生器的一个发展趋势。本课题的设计方案也正是根据以上这种方法来实现的。因此，采用高精度数字芯片作为数字信号发生器的主处理芯片是十分必要的。2.2