波形发生器设计报告

波形发生器设计报告

作者：唐吉卓 蒲文 朱煜鹏

2008年11月12日

波形发生器设计报告

作者：唐吉卓 蒲文 朱煜鹏

摘要：本系统由开关电源、单片机控制模块、键盘、显示屏、波形转换模块、缓冲电路和其他相关部分组成。我们采用单片机经过DA产生频率、幅度、占空比均可变的方波信号，经波形转换电路形成三角波和正弦波。该系统可达到三种波形的程序控制，控制灵活性高，可用性强。

一、方案论证与比较 1.常用信号源制作方法 方案一：采用模拟分立元件和单片函数发生器可以产生频率范围足够宽的正弦波、方波和三角波，该种方式受外部电路影响较大，更为重要的是，这种方式被本次竞赛明文禁止。

方案二：采用锁相式频率合成方案。该种方式需要一个高精度和高稳定度的标准频率，经过信号运算可以产生大量离散的频率。但是频率受VCO可变频率的影响较大。

方案三：采用FPGA和DAC，使用直接数字频率合成技术可合成任意波形，但这种方式和本次比赛要求不太相符，且成本较高。

方案四：采用纯模拟元件搭建信号源，该种方式受模拟器件影响较大，设计和调试难度较大，且灵活性和可扩展性不强。

方案五：使用单片机辅助波形产生方式，产生要求频率范围内的而且幅度和占空比可变的方波，再经过波形转换电路转换成需要的波形。

2.方案论证

结合本次比赛实际情况和各种方案的特点，我们决定采用第四种方案。 (1)方波产生

该部分采用MSP430F247微控制器和DAC2900作为主要器件，MSP430F247是TI公司的新型高性能微控制器，DAC2900是TI公司的双通道10位高速DAC。使用微控制器内部DCO作为时钟源，可以产生大约20M的主系统频率，考虑单片机内部资源开销和相关指令的CPU占用情况，结合实际实验结果，我们发现在可以接受的步进范围内，这种方式能产生够达到设计要求的100k方波，结合高性能DAC，我们可以获得频率、幅度、占空比在要求范围内可以调节的方波。

(2)波形变换

设计要求同时产生正弦波和三角波，因此我们要对波形进行变换。方波变三角波部分，我们采用常用的运放积分电路，运放采用高速运放LF256，积分电容采用103的涤纶电容，经过另外一块电容耦合输出到正弦波变换部分。

正弦波变换部分我们采用对带宽不太敏感的“折线法”将三角波逐次逼近为正弦波，经过变换的正弦波峰峰值比输入的三角波小，还考虑到其他因素影响，我们在最后的缓冲电路处还设置了低增益的放大电路。

(3)程控方案

用户接口部分我们采用常见的行列键盘和LCD液晶显示器，MSP430F247作为主控芯片负责整个系统的计算和控制工作。 除此之外，单片机的接口部分还包括DAC的控制部分和模拟部分的控制。

二、系统设计 1.总体设计

本系统总体设计框图如下，各模块设计参见下文。

2.各模块设计 （1）电源模块

为了简化设计，我们采用带正负12V和正5V的开关电源从市电获取整个系统所需要的电压，板上部分，我们采用2块800mA线性稳压器LM1117-3.3，其产生的2路3.3V稳定电压经电容滤波后作为模拟主电压和数字电压；开关电源的正负12V电压经过电容滤波后作为运放的工作电压；开关电源的5V电压经过电容滤波后作为数字门电路的电压。

（2）数字控制模块

单片机的P1口连接行列键盘的8条扫描线；P2.0到P3.1的十条线连接DAC2900的通道二并行数据输入，P3.6到P4.7连接DAC2900的通道一，P3.3连接DAC2900的PowerDown接口控制DAC的工作状态，为了减小控制指令的CPU占用时间，我们将DAC2900的时钟输出连接至单片机的SMCLK输出口P5.5，从

而获取经过8分频的MCLK作为工作频率，大约为2.5M；P5.0到P5.3连接LCD12864，作为状态控制和串行数据通信；单片机54到58脚连接JTAG接口，用于程序调试；另外，我们使用A1、A2、A3三路内部ADC实时监控输出信号和个部分电压，采样电路我们采用简单的电阻分压电路。

（3）方波产生电路

该功能主要又DAC2900在单片机的控制下产生，DAC2900属于电流输出型DAC，FSA处接2k电阻，REFin处接0.1uF，经过公式IOUTFS=32*IREF=32*VREF/RSET，计算得到输出总电流为20mA，我们在2个电流输出端接有2个20欧姆的电阻，则得到V1+V2=400mV的电压值，输入高速运放LF256，接入方式为差分输入方式，电压增益约为1，所以LF256输出电压范围为-400mV到400mV。该电压信号再经过一个LF256同相放大器输出最终的方波。

(4)波形变换电路

之前得到的方波首先会经过方波转三角波电路，该部分电路为运放积分电路，运放选用LF256，考虑到我们的频率范围，积分电容定为103的涤纶电容，