毕业设计169邵阳学院基于模拟电路的波形发生器设计

前言

波形发生器是一种常用的信号源，广泛用于科学研究、生产实践和教学实践等领域。如设计和测试、汽车制造、生物医药、传感器仿真、制造模型等。

传统的信号发生器采用模拟电子技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形。它在电子信息、通信、工业等领域曾发挥了很大的作用。但是采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、稳定度和准确度较差，而且仅能产生正弦波、方波、三角波等几种简单波形，难以产生较为复杂的波形信号。随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D/A以及相关硬件、软件构成的波形发生器。它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比以往复杂。实质上它采用了软件控制，利用微处理器控制D/A,就可以得到各种简单波形。但由于微处理器的速度限制，这种方式的波形发生器分辨率较低，频率切换速度较慢。

从2007年2月到2007年4月，在系统研究国内外波形发生器的基础上提出了基于Matlab和FPGA技术的波形发生器，在FPGA内开辟高速存储器ROM做查询表，通过Matlab获得波形数据存入ROM中，波形数据不断地，有序地从ROM 中送到高速D/A转换器对存储器的波形数据进行转换。因此只要改变FPGA中查找表数据就可以产生任意波形，因此该研究方法可以产生任意波形。

随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，同时这也对相应的测试仪器和测试手段提出了更高的要求，而波形发生器已成为测试仪器中至关重要的一类，因此在国内发展波形发生器具有重大意义和实际价值。例如，它能模拟编码雷达信号、潜水艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电视信号以及神经脉冲之类的波形，也能重演由数字示波器捕获的波形等。

在本次设计中，我通过Matlab获取了波形数据，在FPGA中开辟了ROM区域，在MaxplusⅡ开发平台上，实现了电路的VHDL硬件描述和仿真，电路功能在EDA平台上得到了验证，但由于我的能力和水平有限，论文中肯定会有不妥之处和错误，恳请老师和同学提出批评和改进意见，在此表示由衷的感谢。

1 波形发生器

1.1 基于模拟电路的波形发生器设计方案

正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的正弦波信号。如图1.1所示为利用集成运放构成的RC 桥式正弦波振荡器的电路原理图。

图1.1 RC 桥式正弦波振荡器

适当调整反馈电阻3R 值，使电路产生振荡，输出波形为稳定的不失真的正弦波。 (1)电路的正振荡频率和起振条件

在图1.1中，令12R =R =R ，12C =C =C 则该电路的振荡频率由式(1.1)决定。

01

f =2πRC

(1.1)

起振条件由式(1.2)决定：F 4R 2R (1.2) 在电路图1.1中， F 35d R =R +R //r ，d r 表示限幅二极管导通时的动态电阻。 (2)选择RC 参数的主要依据和条件

①因为RC 桥式振荡器的振荡频率是由RC 网络决定的，所以选择RC 的值时应该把已知振荡频率0f 作为主要依据。

②为了使选频网络的特性不受集成运算放大器输入和输出的电阻的影响，选择R 时还应该考虑下列条件：i

o r R

r 式中，i r 是集成运算放大器同相端输入电阻；o r 是

集成运算放大器的输出电阻。

(3)计算R 和C 的值

由式(1.1)可计算出电容值，初选R 的值由式(1.3)算出C 的值再复算R 值。

Vo

01

C=

2πf R

(1.3) 实际应用中，要注意选用稳定性好的电阻和电容。

(4)选择电阻4R 和5R 电阻4R 和5R 可根据式(1.2)来确定，通常取5R =2.14R ，这样既能保证起振，又不致引起严重的波形失真。为了减小运算放大器输入失调电流及其漂移的影响，应尽量满足45R=R //R 的条件。注意，4R 和5R 的最佳数值还是要通过实验调整来确定。

(5)稳幅电路的作用及参数选择 由于元件误差，温度等外界因数的影响，振荡器往往达不到理论设计的效果。因此，一般在振荡器的负反馈支路中加入自动稳幅电路，根据振荡幅度的变化自动改变负反馈的强弱，达到稳幅效果。图1.1中的二极管1D 和

2D 在振荡过程中总有一个二极管处于正向导通状态，正向导通电阻d r 与3R 并联。当振幅大时，d r 减小，负反馈增强，限制振幅继续增长；反之振幅减小时d r 加大，负反馈减弱，防止振幅继续减小，从而达到稳幅的目的。稳幅二极管的选择应注意以下两点：

①为了提高电路的温度稳定性，应尽量选用硅管。

②为了保证上下振幅对称，两个稳幅二极管特性参数必须匹配。 (6)电阻3R 、5R 值的确定

二极管的正向电阻与并联电阻值差不多时，稳幅特性和改善波形失真都有较好的效果。通常5R 选几千欧，5R 选定后3R 的阻值便可以初步确定，3R 的调节范围应保证达到F R 所需的值。

因为：F 35d R =R +R //r (1.4) 取5R =d r

所以：3F 5d F 5R =R -R //r =R 0.5R -⨯ (1.5) 但是，3R 与5R 的最佳数值仍要通过实验调整来确定。 (7)集成运算放大器的选择

集成运算放大器作为振荡电路的放大器，起放大作用，它是整个振荡电路的基础。选择集成运算放大器时，除希望输入电阻较高和输出电阻较低，最主要的是要选择其增益带宽积满足下列关系：

od BW 0A f >3f (1.6)

1.2 基于MCU 的波形发生器设计方案

波形的生成及对频率和相位的控制均由单片机编程实现。波形生成程序生成正弦波信号在一个周期内的波形数据，这些数据循环输出至D/A 转换器，通过在输出数据指令之间插入NOP 指令实现对频率的控制，原理框图如图1.2所示。

图1.2 以MCU 为核心的设计方案原理框图

此方法产生的信号频率范围、步进值取决于所采用的每个周期的输出点数及单片机执行指令的时间（与单片机的结构及选用的晶体振荡器等有关）。

此方案的优点是硬件电路简单，所用器件少，可相对容易地产生各种波形，在低频区基本上能实现所要求的功能；缺点是控制较复杂，精度不易满足，生成波形的频率范围小，特别是难以生成高频波形。

例如，对输出信号频率max f =20kHz 而言，因为移相分辨率为o 1，则一个周期至少要采样360个点，即MCU 发送波形幅度数据的速度，cp max f 360f ≥即cp f 7.2MHz ≥则前后发送2个波形幅度数据的时间间隔max T 0.1388μs ≤，但是MCU 的指令执行周期一般有几个μs ，从而MCU 发送信号一个周期的波形数据一般要几十个μs 。故以

MCU 为核心的实现方案难以产生高频波形。

1.3 基于MCU 与FPGA 相结合的波形发生器设计方案

该方案采用DDS （Direct Digital Synthesis ，直接数字频率合成）技术产生数字式移相正弦波信号。信号生成主要由FPGA 部分实现，FPGA 部分主要包括相位累加器和波形查找表（波形查找表由FPGA 外部的存储器实现）。DDS 技术将输出波形的一个完整周期的幅度值都顺序地存放在波形存储器中，通过控制相位增量产生频率、相位可控的波形。一个数字频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储ROM 、