题目：信号源的设计和制作 主讲：侯建军教授
题目:信号源的设计和制作 主讲：侯建军教授
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
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
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104 (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6002时输出幅度为3V 3)完成5位频率的数字显示
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
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
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
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
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
方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡 器(VC0)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50kz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
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。 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
(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DA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
（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
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。800HZ50kHz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
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
(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 龙最小 波/脉冲波 数字键：0~9 系统复位键：Reset（不由82C79控制) 储器6264 吞脉冲GAL 单片机80C32 键盘显示82C79 方波82C53 DAC0808 幅度控制 DAC0832 模拟开关CD4051 滤波器 波形输出 输出驱动NE5532
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。 吞脉冲GAL 单片机80C32 键盘显示82C79 晶振36MHz 程序存储器27C128 动态程序存储器6264 方波82C53 DAC0808 模拟开关CD4051 滤波器 输出驱动NE5532 幅度控制 DAC0832 波形输出 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。 单片机系统 吞脉冲GAL （4）由2-4译码 器74LS139和 GAL16V8组成译码 电路。 （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80C32 （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。 动态程序存储器6264 （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） 键盘显示82C79
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: 4000H5FFFH DAC0832:A000HBFFFH 82C79: EOOOHFFFFH
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