波形发生器论文

2012山东省大学生电子设计竞赛

设计报告

题目: 波形发生器

论文编号：第六组

参赛学校：xxxxx

参赛学生：xxxxxxx

指导教师：xxxxx

二○一二年八月

波形发生器

摘要：本设计给出了以通宇达32位单片机ARM（LM3S1138）为核心的波形发生器的基本原理与实现方案。该系统由波形发生、D/A转换、低通滤波、键盘控制和LCD显示五个模块构成，采用数值计算的方法由单片机实现波形发生和波形控制，通过D/A转换和低通滤波电路模块完成波形输出。可通过键盘选择波的类型、控制幅度和频率。本系统可产生输出频率及幅度可调，频率范围为100Hz~10kHz的方波、三角波、正弦波及三种波形的线性组合波形，以及由基波及其谐波的线性组合波形，波形信号的频率、波形与幅度值送至LCD进行显示。本系统具有波形信号频率、波形、幅度变化容易，硬件电路简单可靠，成本低，稳定性高等特点。

关键词：ARM LM3S1138 基波与谐波复合波数值计算D/A转换

目录

1方案论证与设计 (1)

1.1波形产生方案 (1)

1.2幅度调整方案 (1)

1.3频率调整方案 (2)

1.4显示部分设计方案 (2)

1.5滤波电路 (2)

1.6波形存储方案 (2)

2系统硬件原理分析与设计 (3)

2.1波形发生原理 (3)

2.2D/A转换模块器模块 (5)

2.3低通滤波电路模块 (7)

3系统软件设计 (8)

3.1系统软件介绍 (8)

3.2程序流程图 (8)

4系统测试与误差分析 (10)

4.1测试环境 (10)

4.2测试仪器 (11)

4.3测试方法 (11)

4.4测试数据 (11)

4.5误差分析 (12)

5总结 (13)

参考文献 (13)

附录 (13)

波形发生器

1方案论证与设计

1.1波形产生方案

方案一：采用模拟分立元件或单片压控函数发生器MAX038。此方案可产生正弦波、方波、三角波，通过调整外部元件可改变输出频率。

方案二：：程控数字锁相环频率合成。这种技术已经很成熟，也已经有各种成品集成电路可供使用，并且可以实现三种基本波形。具体方案如下：首先通过频率合成技术产生所需要频率的方波，通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波器就可以得到正弦波。

方案三：基于计算的数字频率合成。利用函数将组成波的点保存在单片机的RAM中，根据波形的频率计算出送点的时间间隔，将定时器设为周期定时器，定时时间设为送点的时间间隔，定时时间到了就产生中断，然后送点到D/A进行转换，这样就得到了连续的波形。

对以上三种方案进行比较，方案一采用模拟器件，分散性太大，而采用单片压控函数发生器，参数与外部元件有关，外接的电阻电容对参数影响很大，因而成本高、精度低、频率稳定性较差、抗干扰能力低，而且不能实现任意波形以及波形运算输出等智能化的功能；方案二可达到很高的工作频率和频率分辨率，但使用的滤波器要求通带可变，实现起来困难，而且不能实现任意波形功能；方案三采用数值计算的方法通过单片机产生各种波形，虽然增加了软件难度，但却减小了硬件复杂度，而且成本低、精度高、频率稳定性高、抗干扰能力强。因此采用方案三来实现波形发生。

1.2幅度调整方案

方案一：用高速模拟乘法器实现。采用AD835 模拟乘法器，来实现模拟调制。模拟乘法器AD835的-3dB截止频率为250MHz，能够满足题目的要求。

方案二：采用D/A转换器。可以通过在软件中设置一个幅度的参数来改变送往D/A转换的值的大小，从而改变输出波形的幅度大小。

对以上方案进行比较，方案一利用模拟乘法器来实现幅度调整，AD835的差分输入范围仅为 1V，因此必须对多输入信号进行预处理，这样既增加了硬件，又加大了软件设计的难度；而采用方案二，虽然增加了软件的难度，延迟了波形的输出时间，但是可以不用外加硬件拓展，节省了成本。综合考虑，采用方案二来实现幅

度调整。

1.3频率调整方案

方案一：通过在存储芯片ROM中保存不同频率信号的信号发生点数，在频率切换时调用ROM中所存储的不同点数模块来实现频率的切换。

方案二：重新设定定时器的装载值，改变送点的时间间隔，从而改变发生的波形的频率。

对以上方案进行比较，方案一占用存储空间较多，实现起来困难；方案二占用存储少，且实现起来简单。因此采用方案二的设计方法。

1.4显示部分设计方案

方案一：采用八位共阴极LED数码管进行显示，利用单片机串行口的移位寄存器工作方式，外接MAX7219串行输入共阴极显示驱动器，每片可驱动8个LED数码管。

方案二：采用中文点阵LCD液晶显示，可以显示数字、中文与阿拉伯字母等，随着半导体技术的发展，LCD的液晶显示越来越广泛的应用于各种显示场合。

比较以上两种方案，数码管显示驱动简单，但显示信息量少，功耗大；利用液晶显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选用LCD来实现显示功能。

1.5滤波电路

方案一：利用运放芯片TL082构成的有源二阶巴尔沃基滤波器，它的频率范围可以达到1MHz，远高于最高频率200KHz，而且可以提高输出电压的稳定性。

方案二：采用硬件构建的有源滤波器，通常这种滤波电路主要采用运放、电阻电容组成。其优点是具有不用电感，体积小，重量轻等；缺点是其集成运放的带宽有限，电路的工作频率有限难以做得很高。

由于所设计的信号源的频率相对来说不是很高，采用普通有源滤波器已经可以完成设计的要求，因此选择方案二。

1.6波形存储方案

方案一：采用蓄电池对存有波形数据的SRAM进行持续供电。此方案实现简单，用于保护直接存放波形数据的SRAM，使其在关机或意外掉电后能够马上恢复上次输出的波形。

方案二：使用E2PROM来存储所产生的波形表使我们能够同时实现基本要求里的波形存储和发挥部分的掉电存储功能，而无须外加其他设备。采用2K的E2PROM，