函数信号发生器设计（精选10篇）
⑴ 设计并制作能产生正弦波、矩形波（方波）和三角波（锯齿波）的函数发生器，本信号发生器可以考虑用专用集成芯片（如5G8038等）为核心实现。⑵ 信号频率范围： 1Hz∽100kHz；
⑶ 频率控制方式：
① 手控通过改变RC参数实现；
② 键控通过改变控制电压实现；
③ 为能方便地实现频率调节，建议将频率分档；
⑷ 输出波形要求
① 方波上升沿和下降沿时间不得超过200nS，占空比在48%∽50%之间；② 非线性误差≤2%；
③ 正弦波谐波失真度≤2%；
⑸ 输出信号幅度范围：0∽20V；
⑹ 信号源输出阻抗：≤1Ω；
⑺ 应具有输出过载保护功能；
关键词：函数信号发生器,LabVIEW
0引言
随着硬件技术已经发展到一个瓶颈, 硬件仪器仪器已经停滞不前了, 然而计算机技术的快速发展, 虚拟仪器越来越受人们的关注, 虚拟仪器在不同的应用工程和测量行业受到广泛应用, 这都归功于它的图形化编程语言。
“软件即是仪器”就是美国国家仪器NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。通过这一思想, 在基于PC机平台上NI公司推出了Lab VIEW这一图形化软件。Lab VIEW就是利用图标来选择功能块和连线将图标连起来的方法来代替复杂和繁琐的程序语言的这一编程思想。使得人们用Lab VIEW来编写程序就好像在画程序的流程框图一样。由此我们可以看出, Lab VIEW是针对的是那些的普通工程师, 正是因为这样, 它成为目前最流行的虚拟仪器开发平台。
信号发生器指的是能够产生固定参数的电信号的仪器。能够产生不同波形的电路称为函数信号发生器, 它能产生一些常见波形, 例如:正弦波, 三角波、锯齿波等。
2.1设计要求
(1) 能产生不同频率正弦波、矩形波、三角波、锯齿波。 (2) 可以像硬件示波器看到具体的波形 (3) 幅度、频率、偏移量和占空比等可以手动输入。 (4) 能实现保存各个参数。 (5) 在不同的参数情况下, 采样频率和采样点数能够实现自我调校。
2.2显示界面的设计
在函数信号发生器的显示界面设计中, 首先在控件选项开关中, 选出需要的各种控件, 并托拉出来。以下分成六个部分来介绍界面的设计。
(1) 开关:加入按钮控件来控制信号发生器的开与关。
(2) 显示:在显示控件选项板拖出波形图表这个控件, 它的作用是显示不同的波形。
(3) 信号选择:在信号选项板拖出任意波形控件, 它在信号发生器内部提供各种不同的波形, 当然它可以利用输入不同的数学表达式来控制波形的不同参数和波形形状。所以, 它是这次设计中最重要的一个控件。
(4) 频率大小的控制:在按钮控件选项板中拖出一转盘, 用于控制频率的大小, 然后, 添加一个数值输出选项控件来显示当前频率。
(5) 四个参数的调节:在按钮控件选项板中拖出四个转盘来控制四个参数数值的大小, 再拖出四个数值输出选项控件, 用于显示四个参数的数值大小。
(6) 保存:添加一个存盘控件和一个信号灯控件, 由于没有信号灯控件, 只能用布尔元件代替了, 信号灯的亮灭可以看出当前是否有数据在保存。我们可以对存盘控件设置一个连接, 当按下存盘按钮时, 将当前波形的数据保存电脑中的某个文件夹, 这个链接就像与这个文件夹进行数据传输的通道。前面板如图1所示:
2.3函数信号发生器的后面板程序设计
(1) 信号发生器开与关的实现:利用三种基本的程序结构中的while循环这一程序结构, 将开关按钮与while循环中红点相连, 这样我们就能实现程序的启动和关闭。
(2) 信号的生成:采用了由Lab VIEW自身所提供的信号产生的函数控件, 不需要我们手动输入数学公式来提供信号。这个函数控件有7个输入口, 2个输出口, 7个输入口其中的四个需要与上述中的四个参数的转盘相连和数值输出控件相连, 这样就可以控制四个参数的大小并显示了, 并将信号输出口与显示控件相连。
(3) 信号波形的显示:通过输出信号与显示控件相连, 这样就可以显示波形了。函数信号发生器程序框图如图2所示。
2结束语
通过这次设计, 我了解到了Lab VIEW的功能的强大, 和传统的硬件仪器设计相比, 虚拟仪器的软件具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等特点。
参考文献
随着生活水平的不断提高，人们越来越注重个人形象，如何找到适合自己的发型已经成为很多人关心的话题。都说不同脸型的人适合不同的发型，但每个人究竟是什么脸型呢？不同脸型又该配什么发型呢？李阳和李洁琼发现，人们其实很难分辨清自己的脸型。于是他们想到可以建立一些函数模型，使脸型分类量化，方便人们确认自己的脸型，找到适合的发型。
首先，他们从网上、图书等资料中收集了100张中国人的典型头像。根据人类头部骨骼分布，将头像分为头部和脸部两部分，并将人脸按照网络状划分，确定坐标点，然后根据函数分别建立模型进行运算。这样，由分析样本统计出的形状模型, 就可以代表一种脸型。最后，依据传统审美观念和理发师建议针对不同脸型进行发型设计。
为了找到适合的发型，李阳和李洁琼又走访了30家比较专业的理发店，对100位发型师和顾客进行问卷调查，得出了发型设计建议。
比如正三角脸型的发型，“刘海可削薄薄一层，垂下，最好剪成齐眉的长度，使它隐隐约约表现额头，用较多的头发修饰腮部。”圆脸的话，“头发要分成两边而且要有一些波浪，脸看起来才不会太圆。也可将头发侧分，短的一边向内略遮一颊，较长的一边可自额顶做外翘的波浪。这种脸型不宜留刘海，不宜做太短的发型。”而方脸则建议：“做发型时应注意柔和发型，可留长一点的发型，如：长穗发、长毛边或秀芝发型、长直披发，不宜留短发。”
获奖者：
高源清 彭程 北京市第十五中学
抽油烟机，是每个家庭的必备电器。当一番煎炒烹炸后，又热又腻的油烟被油烟机抽走，厨房又恢复了清凉，可很少有人关心，这些油烟到底去了哪里？其实，目前的抽油烟机直接将油烟与大量废热由室内抽到了室外，对空气造成了很大的污染，影响了居民的身体健康。所以为了解决这个问题，高源清和彭程设计出了一种减少污染的油烟机。它是一种能大量减少油烟排放与冷却尾气排放的抽油烟机。
为了解决废气排放，高源清和彭程想出了一个很巧妙的方法。通过在抽油烟机中安装含有循环水幕系统的吸油管道，将废气中的油、热量与大部分污染物吸收，实现减排、环保的设计要求。因为热传递作用，热会从油烟中传递到水中。同时水的热容较大，可吸收较多热量。同时在油烟机的水槽中还装有循环去油剂（自来水中加入一定比例的洗涤灵也可代替）对油发生乳化作用，增加吸油率。
而且在设计中，高源清和彭程还创新地在抽油烟机中采用后置风机产生负压，能有效减少油烟机上沾染油烟，同时风机前面的水幕除油系统已将油烟除去，所以这种抽油烟机的风机还能达到免拆洗的效果，更延长了它的使用寿命。
简易函数信号发生器
姓 名：李**，马** 班 级：********** 学 号：**********
**********
日 期：2016.12.28
简易信号发生器设计
摘要：
函数信号发生器是一种能能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。按照设计的方案选择具体的原件，焊接出具体的实物图，并在实验室对焊接好的实物图进行调试，观察效果并与课题要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。
关键字：
方案确定、参数计算、调试、误差分析。
一．设计目的：
设计构成正弦波、三角波、方波函数信号发生器
二．函数发生器总方案：
函数发生器的总方案 函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等 电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器 S101 全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块 8038)。为进一步掌握电路的基本理 论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与RC振荡电路的方式形成正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过比较器，整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生正弦波—方波—三角波，再调整方波的占空比进而实现产生锯齿波的电路设计方法，本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：
由比较器和积分器组成方波—三角波产转换电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到锯齿波的变换电路主要由调节占空比来完成。
三.设计任务与实验原理 实际任务：
所选为题目2：函数信号发生器
输出正弦波、占空比可调的矩形波（含方波）、锯齿波（含三角波）。
实验原理：
（一）RC振荡电路——正弦波发生电路
（二）滞回比较器——正弦波—矩形波转换电路
滞回比较器特性如图，实验中希望通过改变UT阈值改变比较器对于正弦波的运算过程，进而改变矩形波的占空比。
因此我们在滞回比较器的接地端接入一个电压可调电压源，反馈支路加入了一个可调电阻的电位器，进而达到可调同名端电位的目的。
实际电路图设计如下：
（三）积分电路——矩形波—锯齿波转换电路
积分电路定义
输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。
积分电路原理
从图中可以看出，Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RC≥Tk,充电很慢，所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故 Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫icdt 这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（∫icdt）RC电路的积分条件：RC≥Tk
电路结构如图J-1，积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里就不详细说了，这里要提的是电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。
积分电路特点1:积分电路可以使输入方波转换成三角波或者斜波 2:积分电路电阻串联在主电路中，电容在干路中
3：积分电路的时间常数t要大于或者等于10倍输入脉冲宽度
4：积分电路输入和输出成积分关系
积分电路的设计方法与步骤积分电路的设计可按以下几个步骤进行：
1． 选择电路形式积分电路的形式可以根据实际要求来确定。
若要进行两个信号的求和积分运算，应选择求和
积分电路。若只要求对某个信号进行一般的波形变换，可选用基本积分电路。基本积分电路如图1
所示：
2．确定时间常数τ=RC
τ的大小决定了积分速度的快慢。由于运算放大器的最大输出电压 Uomax为有限值（通
常 Uomax=±10V 左右），因此，若τ的值太小，则还未达到预定的积分时间 t 之前，运放已经
饱和，输出电压波形会严重失真。所以τ的值必须满足：
当 ui为阶跃信号时，τ的值必须满足：
因此，当输入信号为正弦波时，τ的值不仅受运算放大器最大输出电压的限制，而且与 输入信号的频率有关，对于一定幅度的正弦信号，频率越低τ的值应该越大。
3．选择电路元件
1）当时间常数τ=RC 确定后，就可以选择 R 和 C 的值，由于反相积分电路的输入电阻Ri=R，因此往往希望 R 的值大一些。在 R 的值满足输入电阻要求的条件下，一般选择较大的C 值，而且 C 的值不能大于 1μF。
2）确定 RP
RP 为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调，一般取 RP=R。
3）确定 Rf
在实际电路中，通常在积分电容的两端并联一个电阻 Rf。Rf 是积分漂移泄漏电阻，用来防止积分漂移所造成的饱和或截止现象。为了减小误差要求 Rf ≥ 10R。
4．选择运算放大器
为了减小运放参数对积分电路输出电压的影响，应选择：输入失调参数（UIO、IIO、IB）小，开环增益（Auo）和增益带宽积大，输入电阻高的集成运算放大器。
四.电路框图：
五.单元电路的计算
在习题中偶然见到改变UT的值，便设计了如是电路，通过叠加定理可算得 V=U*Rp2/(R4+Rp2)(+/-)Uz*R4/(R4+Rp2)六.问题及解决：
实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改
进，使装置达到预定的技术指标。因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。
1、调试前的检查
在电子元器件安装完毕后，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。其检查内容包括： *检查连线是否正确
检查的方法通常有两种方法：
（1）按照电路图检查安装的线路。这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。
（2）按照实际线路来对照原理图电路进行查线。这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。*检查元器件的安装情况
检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。2、调试方法与原则（1）通电观察
把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。（2）静态调试
交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作的基础。因此，电子电路的调试有静态和动态调试之分。静态调试过程：如，通过静态测试模拟电路的静态工作点，数字电路和各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。（3）动态调试
调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号流向来检测各有关点的波形，参数和性能指标。发现故障应采取各种方法来排除。通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求，如必要再进一步对电路参数提出合理的修正。
七．电路与实验结果图
八.误差分析：
a.测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差;b.电流表内阻串入回路造成的误差;c.测得纹波电压时示波器造成的误差;d.示波器, 万用表本身的准确度而造成的系统误差;
九．实验心得：
实验箱的接触不良，示波器的故障都是磨练我们心智的一道道门槛，跨过去，就像从幽寂的冷夜投入曜阳的拥抱。课程设计中的“命运多舛”从来都不曾组织我们的脚步，我们能做的就是迈向最终的清风与花香。对我来讲，这就是一步，而在这一步中，我们收获良多良多： 一个人做不到的，你还有队友；不懂的，你还有文献„„这个世界上有太多困难，也有太多克服困难的方法，关键在于是否有前进的心。
十.参考文献：
系别：电子工程系 专业：应用电子技术 届：XX届 姓名：XXX 摘 要
本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作成本较低。适合学生学习电子技术测量使用。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。
关键词 ICL8038，波形，原理图，常用接法
一、概述
在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。
二、方案论证与比较
2.1·系统功能分析
本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度的控制。在设计的过程中，我们综合考虑了以下三种实现方案：
2.2·方案论证
方案一∶采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。
方案二∶采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 相信都很难控制。
方案三：采用8038单片压控函数发生器，8038可同时产生正弦波、方波和三角波。改变8038的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为0.001Hz～300KHz。
三、系统工作原理与分析
3.1、ICL8038的应用
ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为：可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形；改变外接电阻、电容值可改变，输出信号的频率范围可为0.001Hz～300KHz；正弦信号输出失真度为1%；三角波输出的线性度小于0.1%；占空比变化范围为2%～98%；外接电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比（不对称度）；频率的温度稳定度（典型值）为120*10-6（ICL8038ACJD）～250*10-6（ICL8038CCPD）；对于电源，单电源（V+）：+10～+30V，双电源（+V）（V-）：±5V～±15V。图1-2是管脚排列图，图1-2是功能框图。8038采用DIP-14PIN封装，管脚功能如表1-1所示。
3.2、ICL8038内部框图介绍
函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示（图1-1），共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为IS1和IS2，且IS1=I，IS2=2I；两个电压比较器Ⅰ和Ⅱ的阈值电压分别为 和，它们的输入电压等于电容两端的电压uC，输出电压分别控制RS触发器的S端和 端；RS触发器的状态输出端Q和 用来控制开关S，实现对电容C的充、放电；充点电流Is1、Is2的大小由外接电阻决定。当Is1=Is2时，输出三角波，否则为矩尺波。两个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强带负载能力；三角波变正弦波电路用于获得正弦波电压。
3.3、内部框图工作原理
★当给函数发生器ICL8038合闸通电时，电容C的电压为0V，根据电压比较器的电压传输特性，电压比较器Ⅰ和Ⅱ的输出电压均为低电平；因而RS触发器的，输出Q=0，；
★使开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流为
IS1=I
因充电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性上升。
★当上升为VCC/3时，电压比较器Ⅱ输出为高电平，此时RS触发器的，S=0时，Q和 保持原状态不变。
★一直到上升到2VCC/3时，使电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，此时RS触发器的 时，Q=1时，导致开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2-IS1=I因放电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性下降。
起初，uC的下降虽然使RS触发的S端从高电平跃变为低电平，但，其输出不变。
★一直到uC下降到VCC/3时，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，此时，Q=0，使得开关S断开，电容C又开始充电，重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。
由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为三角波，Q和 为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。
结论：改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出也得不到正弦波了。
3.4、方案电路工作原理（见图1-7）
当外接电容C可由两个恒流源充电和放电，电压比较器Ⅰ、Ⅱ的阀值分别为总电源电压（指+Vcc、-VEE）的2/3和1/3。恒流源I2和I1的大小可通过外接电阻调节，但必须I2＞I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，恒流源I1给C充电，它的两端电压UC随时间线性上升，当达到电源电压的确2/3时，电压比较器I的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2＞I1（设 I2=2I1），I2将加到C上进行反充电，相当于C由一个净电流I放电，C两端的电压UC又转为直线下降。当它下降到电源电压的1/3时，电压比较器Ⅱ输出电压便发生跳变，使触发器输出为方波，经反相缓冲器由引脚9输出方波信号。C上的电压UC，上升与下降时间相等（呈三角形），经电压跟随器从引脚3输出三角波信号。将三角波变为正弦波是经过一个非线性网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波的两端变为平滑的正弦波，从2脚输出。
其中K1为输出频段选择波段开关，K2为输出信号选择开关，电位器W1为输出频率细调电位器，电位器W2调节方波占空比，电位器W3、W4调节正弦波的非线性失真。
图1-1
3.5、两个电压比较器的电压传输特性如图1-4所示。
图1-4
3.6、常用接法
如图（1-2）所示为ICL8038的引脚图，其中引脚8为频率调节（简称为调频）电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成正比。引脚7输出调频偏置电压，数值是引脚7与电源+VCC之差，它可作为引脚8的输入电压。如图（1-5）所示为ICL8038最常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL至+VCC。在图(a)所示电路中，RA和RB可分别独立调整。在图(b)所示电路中，通过改变电位器RW滑动的位置来调整RA和RB的数值。
图1-5
当RA=RB时，各输出端的波形如下图(a)所示，矩形波的占空比为50％，因而为方波。当RA≠RB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波了，图(b)所示为矩形波占空比是15%时各输出端的波形图。根据ICL8038内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为
故RA<2RB。
为了进一步减小正弦波的失真度，可采用如图（1-6）所示电路，电阻20K与电位器RW2用来确定8脚的直流电压V8，通常取V8≥2/3Vcc。V8越高，Ia、Ib越小，输出频率越低，反之亦然。RW2可调节的频率范围为20HZ20~KHZ。V8还可以由7脚提供固定电位，此时输出频率f0仅有Ra、Rb及10脚电容决定，Vcc采用双对电源供电时，输出波形的直流电平为零，采用单对电源供电时，输出波形的直流电平为Vcc/2。两个100kΩ的电位器和两个10kΩ电阻所组成的电路，调整它们可使正弦波失真度减小到0.5%。在RA和RB不变的情况下，调整RW2可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到100:1。在引脚8与引脚6之间直接加输入电压调节振荡频率，最高频率与最低频率之差可达1000:1。
3.7、实际线路分析
可在输出增加一块LF35双运放，作为波形放大与阻抗变换，根据所选择的电路元器件值，本电路的输出频率范围约10HZ～20KHZ；幅度调节范围：正弦波为0～12V，三角波为0～20V，方波为0～24V。若要得到更高的频率，还可改变三档电容的值。
图1-6
表 1-1 ISL8038管脚功能
管 脚 符 号 功 能
1，12 SINADJ1，SINADJ2 正弦波波形调整端。通常SINADJ1开路或接直流电压，SINADJ2接电阻REXT到V-，用以改善正弦波波形和减小失真。SINOUT 正弦波输出TRIOUT 三角波输出
4，5 DFADJ1，DFADJ2 输出信号重复频率和占空比（或波形不对称度）调节端。通常DFADJ1端接电阻RA到V+，DFADJ2端接RB到V+，改变阻值可调节频率和占空比。V+ 正电源 FMBIAS 调频工作的直流偏置电压FMIN 调频电压输入端SQOUT 方波输出 C 外接电容到V-端，用以调节输出信号的频率与占空比V-负电源端或地
13，14 NC 空脚
四、制作印刷电路板
首先，按图制作印刷电路板，注意不能有断线和短接，然后，对照原理图和印刷电路板的元件而进行元件的焊接。可根据自己的习惯并遵循合理的原则，将面板上的元器件安排好，尽量使连接线长度减少，变压器远离输出端。再通电源进行调试，调整分立元件振荡电路放大元件的工作点，使之处于放大状态，并满足振幅起振条件。仔细检查反馈条件，使之满足正反馈条件，从而满足相位起振条件。
制作完成后，应对整机进行调试。先测量电源支流电压，确保无误后，插上集成快，装好连接线。可以用示波器观察波形发出的相应变化，幅度的大小和频率可以通过示波器读出。
五、系统测试及误差分析
5.1、测试仪器
双踪示波器 YB4325(20MHz)、万用表。
5.2、测试数据
基本波形的频率测量结果
频率/KHz
正弦波 预置 0.01 0.02 2 20 50 100
实测 0.0095 0.0196 2.0003 20.0038 50.00096 100.193 方波 预置 0.01 0.02 2 20 50
实测 0.095 0.0197 1.0002 2.0004 20.0038 三角波 预置 0.01 0.02 1 2 20 100
实测 0.0095 0.0196 1.0002 2.0004 20.0038 100.0191 5.3、误差分析及改善措施
正弦波失真。调节R100K电位器RW4，可以将正弦波的失真减小到1%，若要求获得接近0.5%失真度的正弦波时，在6脚和11脚之间接两个100K电位器就可以了。
输出方波不对称，改变RW3阻值来调节频率与占空比，可获得占空比为50%的方波，电位器RW3与外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节RW3可使波形对称。
没有振荡。是10脚与11脚短接了，断开就可以了
产生波形失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此问题。也有可能是因为2030功率太大发热导致波形失真，加装上散热片就可以了。
5.4、调试结果分析
输出正弦波不失真频率。由于后级运放上升速率的限制，高频正弦波（f>70KHz）产生失真。输出可实现0.2V步进，峰-峰值扩展至0～26V。
图1-2
图 1−7
六、结论
通过本篇论文的设计，使我们对ICL8038的工作原理有了本质的理解，掌握了ICL8038的引脚功能、工作波形等内部构造及其工作原理。利用ICL8038制作出来的函数发生器具有线路简单，调试方便，功能完备。可输出正弦波、方波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高。系统输出频率范围较宽且经济实用。
七、参考文献
【1】谢自美《电子线路设计.实验.测试（第三版）》武汉：华中科技大学出版社。2000年7月
【2】杨帮文《新型集成器件家用电路》北京：电子工业出版社，2002.8
【3】第二届全国大学生电子设计竞赛组委会。全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编。北京：北京理工大学出版社，1997.【4】李炎清《毕业论文写作与范例》厦门：厦门大学出版社。2006.10
一、实验名称:典型电信号的观察与测量
二、实验任务及目的 1.基本实验任务
学习函数信号发生器、示波器和交流毫伏表的使用方法。2.实验目的
掌握函数信号发生器、示波器和交流毫伏表的使用方法。
三、实验原理
用函数信号发生器产生信号,然后用示波器观测信号。
四、实验仪器
函数信号发生器1台,使用正常;示波器1台,使用正常;交流毫伏表1台,使用正常。
五、实验方案与步骤 1.观测示波器自检信号。
2.结合使用交流毫伏表和函数信号发生器,用示波器观测正弦波信号。3.使用函数信号发生器,用示波器观测方波信号。
六、实验数据 1.观测示波器自检信号
示波器自检multism10仿真图
如上图所示,用通道1和通道2同时监测示波器自检信号,同样一个信号源,而两通道得到的波形却不同。这是由于通道1的耦合方式选择的是“DC”耦合(即直接耦合,通道2的耦合方式选择的是“AC”耦合(即交流耦合。通道2的波形是被滤除直流分量,加工处理过了的,因此,示波器的自检信号应为图2.3.2,是1kHz/5V的矩形脉冲信号,平均值为2.5V。
若耦合采用AC耦合,则图示如下
示波器自检波形
2.用示波器观察和测量交流电压
3.用示波器的游标测量方法测量交流信号
4.用示波器测量直流电压
Vx=偏移格数·(V/DIV=2.81·2=5.62V 5.观察频率为1kHz、幅值为0-3.5V、占空比(脉宽为30%的脉冲信号
七、测量数据的分析
仿真与实际测量有小误差,主要由人眼估算格数不准确,仪器本身存在误差等原因造成八、思考题
用示波器观察信号时,分析出现下列情况的主要原因,应如何调节? 1.波形不稳定:当输入信号为小信号时,波形极易受干扰,应调V/DIV和T/DIV至波形稳
定;心愿选择不合适,按触发键选择正确信源;三角标不在峰峰值之间,转动level键到合适位置
2.示波器屏幕上可视波形的周期太多:转动TIME/DIV,使每格代表的时间增大,减小周期
数
3.示波器屏幕上所示波形的幅度过小:转动VOLTS/DIV增大每格所代表电压 4.看不到信号的直流量:讲耦合方式改为直流耦合
九、心得体会
1 函数信号发生器的指标要求
函数信号发生器能输出正弦波、矩形波 (包括方波) 及三角波这三种波形, 它们输出的频率范围宽应该为1.6KHz~40MHz, 并且函数信号发生器可实现输出频率段的自动选择和具有输出频率反馈及输出频率反馈测量的这两个功能, 这样一来就使输出波形的频率精度得到了一定的提高, 而且输出波形的频率等参数是在上位机中进行设置和调整的, 这样我们就可以使当前的输出频率值可以实时显示。
2 系统的组成
本方案的系统设计主要由单片机MSP430F149、数模转换电路、波形发生电路、频率反馈测量电路、功率放大电路、通信接口电路和上位机 (PC机) 这七部分组成。
3 硬件电路设计
3.1 波形发生电路
集成化波形发生芯片MAX038是波形发生电路的核心部件。MAX038是美国MAXIM公司生产的一通用波形发生芯片, 它比起以前比较常用的函数信号发生器件如8038系列, 从频率范围、频率精确度、对芯片及波形的控制性能、用户的实验方便性等方面都有了很大的提高, 因此芯片MAX038只需连接少量的外部器件, 就可以产生0.1Hz~40MHz的三角波、正弦波和方波。MAX038的内部主要由振荡器、参考电压源、恒流源发生电路、多路选择开关、相位检测器和输出缓冲器等电路组成。
MAX038是单片精密函数信号产生器, 它能精密地产生三角波、方波和正弦波信号, 它的频率范围为0.1Hz~40MHz, 最高可达到40MHz, 各种波形的占空比最大调节范围为10%~90%。它采用-+5v双电源工作供电, 允许有5%的变化范围, 电源电流为80m A。本系统的设计中通过采用倍频方式可以使MAX038的最大输出频率可以扩展到40MHz, 并且通过改变COSC引脚的外接电容和流入引脚IIN的充电电流的大小来控制输出信号的频率。
根据参考资料可以得出:MAX038输出波形的频率F0可用下面的公式表示
IIN——MAX038IIN引脚的频率控制电流;
Ci (i=1~8) ——为连接在MAX038的COSC引脚和地线之间的一组外部电容。
系统中MAX038 IIN引脚的电流IIN由单片机和D/A转换器对其进行控制, 电流IIN的调节范围为80~400 A。由单片机的P2口控制8组干簧管继电器来进行选择电容Ci的值。本波形发生器通过选定Ci后, 对各个频段内IIN的大小进行调节来达到控制输出频率的目的, 所以本系统设计中波形发生器的输出频率分为8个频段, 其中Ci的取值分别为:ÁC 20 p F, ÁC 0.1n F, CÁ0.47n F, CÁ1n F, ÁC 4.7n F, ÁC 0.01 F, CÁ0.047 F, ÁC 0.1 F因此根据式 (1) 计算得出各个频段范围, 如表1所示。
选定Ci后, 可在对应的频段内通过对电流IIN的大小进行调节来达到控制输出频率的目的。
系统中由单片机P1.1和P1.2口来控制A0、A1两个引脚的逻辑电平来选择波形, 当A0=x, A1=时, 输出正弦波;当A0=0, A0=时, 输出矩形波;当A0=1, A0=时, 输出三角波。
3.2 数模转换电路
由于大于1Msps同样速度的并行DAC比串行DAC在价格上要昂贵很多, 因此基于性能及经济性两方面的考虑, 本设计中使用TI公司的TLC5616芯片来设计系统中的D/A转换器。
TLC5616是带有缓冲基准输入 (高阻抗) 的10位电压输出数字-模拟转换器 (DAC) 。TLC5616具有基准电压两倍的输出电压范围, 且DAC是单调变换的, 器件使用简单, 5V电源工作, 具有上位复位功能以确保可重复启动。
TLC5615的数字控制通过3线 (three-wire) 串行总线, 它是CMOS兼容的且易于和工业标准微处理器和微控制器接口, 适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。器件接收16位数据字以产生模拟输出。数字输入端的特点包括带有斯密脱触发器, 它具有高噪声抑制能力。数字通信协议包括SPI、QSPI、Microwire标准。
D/A转换模块中TLC5615芯片的四个引脚:即串行数据输入端DIN、串行时钟输入端SCLK、片选输入端CS、用于缓联时的串行数据输出端DOUT分别与单片机MSP430F149的P6.4、P6.5、P6.6、P6.7四个端口相连;正电源VDD引脚与模拟地AGND引脚通过0.1μF的旁路电容滤除输入电源中的高频噪声;将基准输入REFIN引脚连接一个滑动变阻器, 通过调节滑动变阻器的滑动头来改变W3的阻值, 进而我们将参考电压VREFIN的值改变了, 这样一来转换后的输出电压也将发生改变, 并且在设计中我们使输出电压的范围控制在0.8~4v, 并且通过一个的电阻形成80~400μA的频率控制电流IIN输入到MAX038的IIN引脚。因此在选定了频段后, 改变电流IIN即可控制波形发生器的输出频率。频率测量电路10K
3.3 频率测量电路
在系统的设计和调试中, 我们首先单纯的采用了单片机-数模转换-波形发生这一环节进行控制, 结果发现D/A转换精度、各种元器件参数的精度、电路中各种干扰和温度等外界因素的影响会使输出频率存在很大的误差。为了改善和解决这一问题, 我们采用了闭环系统的控制方法, 即通过使当前输出频率分频后反馈回单片机以实现输出频率的精确控制。
因为本系统设计的输出频率最高可达到40MHz, 为了满足单片机计时器的计数范围, 我们必须在频率测量时进行分频。因此本系统采用了分频器和数据选择器来实现系统中分频和频率测量的两个功能, 这里分频器的型号我们选择的是TC74HC4040A, 数据选择器的型号我们选择的是8选1数据选择器SN74LS356。由于MAX038的SYNC引脚输出Y与输出波形同频率的方波信号符合TTL电平标准, 所以我们将SYNC引脚的信号送入TC74HC4040A分频器进行分频。对不同的频段, 系统通过程序控制将采用不同级数进行分频, 具体如表1所示。通过8选1数据选择器SN74LS35将分频后的方波信号选通后送至单片机的P1.0口, 由内部定时器TA进行计数。这样就可测出分频后方波信号的半周期, 经过与上位机传来的基准半周期比较后, 来实现输出频率的调节。
3.4 通信接口电路
本系统中串口通信模块使用的是SIPEX公司生产的RS-23收发器SP3223, 实现单片机与上位机 (PC机) 之间的通信MSP430F149单片机的串行通信引脚UTXD0、URXD0、UTXD1、URXD1分别通过跳线连接到SP3223的T1IN、R1OUT、T2IN、R2OUT。SP3223通过串口线连接到PC机的两个串口, 实现单片机与PC机之间的串行通信。
3.5 功率放大电路
在波形发生器的设计与应用中, 通常会对输出的波形有一定的功率要求。在本设计中选用MAX477芯片对输出信号进行功率放大。MAX477是一种噪声低、精度高、输出电流高的高频运算放大器, 其-3d B带宽可达到300MHz, 电流的最小输出值为100m A。MAX477以负反馈放大器的方式进行工作, 即MAX038的输出端OUT通过一个电容20 p F和一个电阻50连接到MAX的IN端, 以一个500的可变电阻作为反馈电阻。通过调节反馈电阻的阻值可以改变输出电压放大倍数, 电压最大可放大10倍。这样一来整个系统的输出功率可达到数瓦。
4 软件设计
单片机控制程序包括主程序、串口中断子程序和TA中断子程序。主程序流程图如图1所示。在主程序初始化完成后, 进行D/A转换。当有中断请求时, 就转向相应的中断处理程序。
在D/A进行转换后, 在P1.0引脚上测量频率反馈信号的周期。P1.0电平两次翻转的时间间隔为分频后方波信号的半周期长度, 然后将得到的半周期长度与设定的基准半周期值进行比较, 如果比较误差超出了允许范围, 则通过改变频率控制电流IIN的值, 等待下一次D/A转换来减小误差, 从而达到闭环控制输出频率的目的。测得的半周期值通过串口送回上位机来实时显示。
串行口中断子程序流程框图如图2所示。
结束语
在超声测量技术中, 超声换能器是超声检测的核心部件, 能否得到一个好的信号发生源对于超声换能器和超声检测系统性能的提高起着至关重要的作用, 该波形发生器具有频率精度高、输出范围大和调控简单等特点已经运用于超声波换能器中, 而且它还可以应用于其他的需要高频率的场合中。
参考文献
[1]蒋金弟, 朱永辉, 毛培法.MAX038高频精密函数发生器原理及应用[J].山西电子技术, 2001 (2) :39-43
[2]MAXIM公司.MAX038 High2Frequency Waveform Generator Rev4[Z].2003.
[3]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社.2004
[4]同济大学声学研究所.超声工业测量技术[M].上海:上海人民出版社, 1977, 9.
一、实验目的1．熟悉利用QuartusII及其LPM_ROM与FPGA硬件资源的使用方法；
2．掌握LPM模块的重要功能；
3．熟悉MegaWizard Plug-In Manager的使用方法。
二、实验设备
计算机，QuartusII 6.0 版软件，JTAG下载线，EDA实验挂箱（EP1C6Q240C8）。
三、实验原理
设计一8位宽、1024点的正弦信号发生器。
正弦信号发生器的结构由四个部分组成：
1.计数器或地址发生器（10位地址线）；
2.正弦信号数据ROM（存放正弦波的采样数据，采样频率20MHz：8位数据线、10位地址线）；
3.VHDL顶层设计；
4.D/A转换器（8位）。
四、实验步骤和内容
1．在QuartusII上利用MegaWizard Plug-In Manager功能，调用LPM_ROM函数定制8位宽、1024点ROM，并进行初始化。然后对设计实体进行编辑、编译、综合、适配、仿真。
2.利用QuartusII文本编辑器设计10位二进制计数器，做为地址发生器，对设计实体进行编辑、编译、综合、适配、仿真。
3.利用层次化设计方法设计一8位宽、1024点的正弦信号发生器。
4.D/A转换器采用试验箱配备的DAC0832。
5.引脚锁定和硬件下载测试。引脚锁定后进行编译、下载和硬件测试实验。将实验过程和实验结果写进实验报告。
6.使用SignalTap II对设计的正弦信号发生器进行实测。采样时钟使用系统时钟20MHz。
7.使用在系统存储器数据读写编辑器对设计的正弦信号发生器进行实测，观测结果；
8．实验报告。将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试实验结果写进实验报告。
五、思考题
两角和与差的 余弦函数、正弦函数
【问题情境】
1.求cos150=＿＿＿,cos750=＿＿＿。（提示：150=450-300，750=450+300）
思考：已知角，的正余弦函数值，如何求-，+的正余弦函数值？ 【新知探究】
1.已知0<<<，则角的终边与单位圆的交点P1的坐标为＿＿＿＿,向量OP1的坐标为＿＿＿＿；角的终边与单位圆的交点p2的坐标为＿＿＿＿, 向量OP2的坐标为＿＿＿＿，根据
①平面向量的数量积公式
OP1·OP2=＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿？ 2②平面向量的数量积的坐标表示公式
OP1·OP2=＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿？
求cos(-)=＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿？ 应用：求cos150=＿＿＿。
2.当角，为任意角时，求cos(-)=＿＿＿＿＿＿＿＿＿？ 【合作探究】 试根据cos(-)，求
① cos(+)=＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿？(提示：cos(+)=cos[-(-)])② sin(-)=＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿？（提示：sin(-)=cos[-(+)]）③ sin(+)=＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿？
说明：cos(-)常记作C，cos(+)常记作C sin(+)常记作S，sin(-)常记作S 【知识应用】
1.求cos750，sin750，cos150的值。
变式练习： 求值：（1）cos 530 cos230+ sin 530 sin 230；
（2）cos(+)cos+ sin(+)sin。
2442.已知sin=，(,), cos=-的值。
DDS (direct digital synthesizer) 技术是一种从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的全数字频率合成技术。具有较高的频率分辨率, 可以实现快速的频率切换, 并且在频率改变时能够保持相位的连续, 很容易实现频率、相位及幅度的数控调制。目前, 各大芯片制造厂商都相继推出了高性能、多功能DDS芯片, 为电路设计提供了多种选择。专用DDS芯片固定的控制方式使其在工作方式、频率控制等方面与实际系统的要求差距较大, 针对这种情况, 可以采用FPGA来设计符合用户系统需要的DDS, 较好的解决了专用DDS灵活性较差的问题。通常, DDS的FPGA实现是用VHDL或Verilog HDL等硬件描述语言通过编写底层代码来实现, 这种方式效率低、难度大。利用Allera公司FPGA的DSP开发工具DSPBuildcr设计DDS, 比基于硬件描述语言的设计周期更短、更容易。
现以基于现场可编程逻辑门阵列FPGA器件EP2C20Q240C8, Cygnal公司高性能C8051F340单片机和超高速数模转换器THS5651A为硬件平台, 基于模块化设计思想, 设计了能实现两路频率输出, 相位差、频率和幅度精确可调的任意信号输出的DDS函数发生器, DDS函数发生器的系统结构如图1所示, 主要由单片机、DDS模型、信号放大和程控滤波电路构成。由FPGA和D/A实现的DDS模型是整个DDS函数发生器的核心。DDS模型中的FPGA部分主要采用DSPBuilder实现, 转换成VHDL后, 采用软件Quartusll对其进行仿真并完成硬件验证。
1 DDS函数发生器原理
DDS是一种新型的频率合成技术, 基本原理是用全数字技术, 从相位概念产生频率、相位和幅度可以控制的信号。DDS模型主要由相位累加器、相位调制器、幅度调制器、锁相环倍频、ROM和D/A转换器构成。
1.1 相位累加器的设计
相位累加器的输入称为频率控制字输入。由于相位累加器字长的限制, 相位累加器累加到一定数值后, 其输出将会溢出, 波形数据地址就会循环一次, 这意味着输出波形完成了一个周期。在时钟频率不变的情况下, 改变频率控制字就可以改变输出频率fOUT。设计中32位频率控制字可以通过外部微处理器C8051F340来获得。累加器的位数决定了频率最小分辨率[1]。设计中相位累加器由一个32位加法器和一个同步寄存器组成。相位累加器的输入是相位增量Fword。用于累加的相位增量值Fword决定了信号的输出频率fOUT:
undefined
并呈线性关系, N是相位累加器的数据宽度, fCLK是系统基准时钟的频率值;频率分辨率Δf由下式给出:
undefined。
1.2 相位调制器的设计
相位调制器由一个10位加法器和10位同步寄存器组成。相位调制器接收相位累加器的相位输出, 加上一个相位偏移量形成正弦查询表地址, 取出表中与该相位对应的单元中的幅度量化正弦函数值, 用于信号的相位调制。这种处理方式的实质是将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值。两路信号的相位差用相位控制字来控制, 只要相位控制字不同, 就可得到两路不同相位的移相信号, 设计中10位相位控制字可以通过外部微处理器C8051F340来获得。移相最大精度与波形表地址精度有关, 其算法由下面公式给出:
undefined
B为ROM波形表地址位数, 当波形表地址为10位时, 相位精度为0.35°。如果增加波形表中每周期点数可以提高移相的精度, 但会增加硬件开销, 在设计中可以根据需要来配置[2]。ROM查找表完成相位到幅度的转换, 它的输入是相位调制器的输出, 就是ROM的地址, 输出送往D/A转化成模拟信号[3]。
1.3 幅度调制器的设计
幅度调制器主要由一个10位乘法器和一个同步寄存器组成。幅度调制器接收ROM的输出, 乘上一个幅度控制量, 用于信号的幅度调制, 其输入称为幅度控制字。设计中10位幅度控制字可以通过外部微处理器C8051F340来获得。幅度调制器的输出只取乘法器的高10位输出, 故幅度控制的最大精度ΔA与D/A转换器的位数有关, 其算法由下面公式给出:
undefined,
式中:D——D/A转换器的位数;
V——输出信号的最大峰值电压。
本设计中D/A转换器为10位, V等于10V, 故ΔA=9.76mV。
D/A转换器使用TI公司10位器件THS5651A, 限于篇幅单片机、放大和程控滤波部分在此不做介绍。
2FPGA设计
本设计选用的FPGA是Altera公司Cyclonell系列的EP2C20Q240C8, 系统编译环境采用Quartusll, 顶层设计为图形化方式, 易实现模块化。Altera开发工具QuartusII提供了强大的IP内核, DDS模型中的模拟锁相环通过调用LPM宏模块实现, 模拟锁相环的输入时钟是20MHz, 考虑到THS5651A最高工作频率是100MHz, 将模拟锁相环的倍频系数设置为5倍频, 系统的工作时钟则为100MHz。使用片内模拟式锁相环实现系统工作时钟, 在减少片外干扰的同时, 还可以改善时钟的建立时间和保持时间, 是系统稳定工作的保证。DDS模型中用到多个加法、乘法运算, 比较复杂, 计算量大, 因此DDS模型中的剩余部分用FPGA的系统级设计工具DSPBullder实现[4]。
2.1DSPBuilder简介
DSPBuilder是Altera公司推出的FPGA系统级设计工具。它将Matlab和Simulink系统级设计工具的算法开发、仿真和验证功能与Qualtusll的基于VerilogHDL及VHDI语言的设计流程整合在一起, 实现了这些工具的集成, 为用户提供了一个从软件到硬件的完整DSP开发平台。这种设计方式实现了软件设计与硬件验证的直接握手, 大大简化了设计过程, 提高了设计效率。它的出现进一步推动了FPGA在数字信号处理领域的应用[4]。
2.2 基于DSP Builder 的DDS模型的建立
在Matlab/Simulink中建立一个*.mdl模型文件, 根据DDS模型的基本原理, 利用DSPBullder库和Simulink库中的图形模块进行设计。本设计采用层次化设计, 依据图1中的DDS模型, 利用DSPBullder库中的加减乘除模块以及端口模块来实现建模。建立的顶层系统模型如图2所示。图2中电路模块全部采用无符号数, 频率控制字为32 位, 相位控制字为10位, 幅度控制字为10位, 分别控制输出正弦波的频率、相位和幅度。由AltBus, Parallel Adder Subtractor, Delay构成的相位累加器是DDS模型工作的关键部分, 加法器的工作速度决定了输出信号的频率精度, 图2中加法器直接从Altera DSP Bullder库调入, 并采用四级流水线设计, 所谓流水线累加器, 就是将加法运算分解成几部分, 各个部分可以并行运算, 大大缩短了运算时间。相位调制器和幅度调制器中用到的加法器和乘法器, 也是从Altera DSP Bullder库中直接调用, 并都采用四级流水线设计。函数发生器查找表模块LUT1和LUT中存储的是相同的正弦波形数据, 计算式为:
511×sin ([0:2×pi/ (2^10) :2×pi]) +512
采用FPGA设计双路可移相DDS函数发生器可以方便地实现两路频率输出, 相位差、频率和幅度精确可调的任意信号输出, 而不必增加硬件成本。图2中, Fout信号和FRout信号为DDS模型的两路输出信号, Fout为移相后输出信号。FRout为参考信号, FRout信号与Fout信号的相位差φ由相位控制字Pword决定, undefined·Pword。用DSPBuilder设计的DDS模型是整个系统的一个子模块, 把DDS模型转化后的VHDL文件生成图元文件, 以便在整个系统设计中调用[5]。
3 仿真结果分析及实验验证
3.1 Simulink仿真结果
Simulink仿真参数设置:Stop time为100, Type为Fixed-step, 步进为1e-1。运行仿真结果如图3和图4所示。由仿真结果分析知, 其频率能够受频率控制字的控制, 其相位能够受相位控制字的控制, 其幅度能够受幅度控制字的控制。仿真正确后, 用SingalCompiler工具将此模型转换成VHDL语言源程序, 经过分析转换后的VHDL程序并将其转换为ATOM netlist, 最后编译ATOM netlist, 至此建模完成[6]。
图3中的两个波形是在频率控制字等于9F5E100H, 相位控制字等于200H, 幅度控制字等于3FFH时得到的仿真波形。其中上面波形是FRout信号输出, 下面波形是FRout信号经移相180°后的Fout信号输出。图4中的两个波形是在频率控制字等于9F5E100H, 相位控制字等于200H, 幅度控制字等于200H时得到的仿真波形。其中上面波形是FRout信号输出, 下面波形是FRout信号经移相180°后的Fout信号输出。
3.2 SignalTapⅡ测试结果
嵌入式逻辑分析仪SignalTapⅡ可以随设计文件一并下载于目标芯片中, 用于捕捉目标芯片内部系统信号节点处的信息或总线上的数据流, 而又不影响原硬件系统的正常工作。相比Quartus11的时序仿真, 嵌入式逻辑分析仪的测试结果更贴近实际[7]。以下波形是SignalTapⅡ的采样时钟为50MHz、深度为512字节下得到的。图5是频率控制字等于4000000H, 相位控制字等于200H, 幅度控制字等于3FFH时得到的SignalTapⅡ测试图形。图6是频率控制字等于4000000H, 相位控制字等于200H, 幅度控制字等于200H时得到的SignalTapⅡ测试图形。由图5和图6可以看出, 其输出波形为两路正弦波数据, 与图3和图4相比较, 其Simulink仿真与SignalTapⅡ测试结果一致。
3.3 实验验证
实测的正弦波输出频率和频率控制字关系见表1。测量结果表明正弦波的频率输出范围可达1Hz～10MHz, 步进可达1Hz, 误差为±0.3%, 稳定度通过频率稳定度计算公式:
undefined
式中:undefined——平均频率;
f0 ——标称频率。
本系统最终实现主要功能和参数如下:1) 输出波形类型:正弦波, 可通过改变ROM查找表波形数据实现任意波形的输出;2) 频率范围:1Hz～10MHz, 误差:±0.3%;3) 相位调整范围:0°～180°, 精度:0.35°;4) 幅度调整范围:0V～10V, 精度9.7mV, 误差:±1%。
实际中通过示波器可以看到清晰的输出波形。将DDS技术与FPGA相结合, 实现了各种波形的输出, 并且其生成的波形具有波形平滑、无毛刺、稳定度高、频率稳定度和分辨率高、相位可移等优点。
4 结论
基于DSP Builder的FPGA开发工具对函数信号发生器进行建模设计, 充分利用DSP Builder的建模方便快捷, 提高开发效率, 缩短研发周期, 而且系统设计调试方便, 容易修改, 可根据需要改变ROM查找表波形数据即可方便地实现任意波形的输出。结果表明该函数发生器频率、相位和幅度可灵活调整, 具有较高的频率分辨率, 能够实现频率、相位及幅度的快速切换。若要改变输出波形的步进精度, 只需在函数信号发生器设计模型中, 将频率控制字、相位控制字的宽度改变即可。因此采用基于FPGA的DSP Builder设计函数信号发生器简单快捷且方便可调。实验表明系统产生的波形稳定, 抗干扰能力强, 频率、相位和幅度调节方便, 精度高, 而且又便于修改和扩充其功能, 有很高的开发及生产价值, 基于FPGA的双路可移相DDS函数发生器已成功应用于本校教学实验室中。
参考文献
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[3]赖昭胜, 管立新.基于Dsp Builder的DDS实现及其应用[J].微计算机信息, 2006, 22 (11-2) :186-188.
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[5]潘松, 黄继业.EDA技术与VHDL[M].2版.北京:清华大学出版社, 2007:339-343.
[6]Alter Corporation.Altera digital library[Z].Altera.2007.
【函数信号发生器设计】推荐阅读：
函数信号发生器的使用12-27
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