信号发生器设计报告
摘要: 基于单片机的信号发生器，由Tiva-C单片机、R-2R电阻树模块、直流偏置模块、乘法型DA模块、BOOST型DC-DC升压模块、功率放大模块和输出短路保护及报警模块组成，运用DDS技术，可输出正弦波、方波和三角波信号，并且信号电压幅度和频率均可程控调整。该系统具有自动短路保护及报警功能。经验证，该系统工作稳定，能够完全达到题目要求的基本功能和扩展功能。 关键词： BOOST型DC-DC 功率放大器 DDS 短路保护
一、系统方案论证
1.1方案比较与选择
1.1.1 波形产生方案比较与选择
方案一：采用专用DDS信号发生芯片。
该方案的优点是DDS芯片集成度好且精度高，缺点是价格较为昂贵并且不能直接产生三角波。
方案二：基于单片机产生DDS信号。
该方案的优点是产生波形易于控制，幅度和频率都可精确控制，缺点是需要单片机速度较快。
方案三：文氏桥振荡器。
该方案结构简单、成本低，但是难以实现幅度和频率可控。 综上所述，这里选择方案二。 1.1.2 单片机外接DA的选择 方案一：使用TLV5618的串行DA。
该方案精度好、电路简单，缺点是虽然Tiva-C的SPI有40MHz，每一个数据有16位，在生成10kHz的正弦波时，每周期最多有250个点，但由于Tiva-C
进出中断时的固有时间，导致输出正弦在10kHz时波形非常不理想，无法使用。
方案二：使用自行搭建的R-2R电阻树。
该方案虽然精度较方案一差，但是由于它相当于并行的DA，因此转换速度优于串行DA，易于实现，可以满足题目的要求。
综上所述，考虑到本题对波形形状要求对比精度要求高，故选择方案二。 1.1.3 信号幅度可控方案比较与选择 方案一：使用压控增益放大器。
该方案可实现精准幅度控制，但缺点是要求增益控制端电压非常精确，而本题中有开关电源，对精度有极大影响，故该方案实现难度较大。
方案二：使用乘法型DA进行衰减。
使用乘法型DA LTC1595对信号幅度进行衰减来实现幅度可控，该方案控制简单、精度高且功耗较小。
综上所述，我们选择方案二。 1.1.4 电源升压方案比较与选择
这里由于题目的要求，选择TI公司的开关电源芯片TPS61175将+5V电压升压为+21V。
1.1.5 输出缓冲器选择
由于题目要求，选择TI公司的高压功率运放，OPA551其200毫安的持续驱动能力能满足设计需要。
1.1.6 短路保护功能
方案一：使用继电器关断开关电源的输入。
该方案电路简单，但关断时需要继电器上一直有电流，功耗大并且速度不理想。
方案二：直接切断单片机的DDS输出。
用单片机检测到过流后直接终止信号产生，功率运放将不会再有输出信号，起到了短路保护的功能，该方案没有额外电路，所有功能均在程序中实现，具有
精度高、速度快的特点。
综上所述，我们选择方案二来实现短路保护功能。
1.2系统整体框图
系统整体框图如图1所示，开关电源芯片TPS61175将电源电压升压后给运放OPA551供电。Tiva-C控制R-2R电阻树，产生正弦波、方波和三角波信号，三种信号由运放OPA2350进行偏置和幅度的调整，再通过乘法型DA LTC1595完成幅度的程控。最后经过高压功率运放OPA551对三种信号进行输出缓冲，以达到题目要求。 BOOST型DC-DCOPA2350Tiva-C 单片机R-2R电阻树调节偏置和幅度LTC1595DA升压功率放大器放大信号输出INA228短路保护采集短路信号输出端短路声光报警 图1 系统整体框图
二、理论分析与计算
2.1程控增益参数计算
使用了乘法型DA作为衰减器，将LTC1595与一个6.8 kΩ的电阻串联分压，得到的电阻分压公式是
Uout?Us*6.8
R0*655356.8?N其中R0是乘法型DA的最小电阻即N=65535时，先用65535作为基准值，通过示波器计算R0和Us的值，实测当N=65535时，Uout=1.65V，Us=3.38V,所以
R0=7.13kΩ。借由此式，即可推出输出与衰减系数的关系，乘上后级增益后，即可得到所需要的电压。
2.2 升压电路理论分析
升压电路如图2所示，TPS61175基准源为1.229V，由R2，R3阻值关系可以得到输出电压为
Vout?1.229*(R2?1) R3
图2 升压电路
2.3 信号放大电路理论分析
单片机输出信号经调理后，输出最大电压峰峰值约为3.3V，将放大器设置为4倍增益同相放大，可以得到峰峰值大于12V的输出信号，满足题目要求。
三、电路与程序设计
3.1 升压电路设计
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