波形发生器baogao

波形发生器

摘要：

本系统以低功耗单片机stm32为主控器件，分为微控制器、FPGA、DA转换

器、功率放大等模块,实现了一个能产生任意波形的波形发生器。本设计利用单片机生成各种波形的数据，将数据传输给FPGA的RAM存储器，通过后级的DA转换器(TLV5639)实现波形的产生,输出电路采用LT1210实现功率放大，驱动100欧的负载电阻，输出电压峰-峰值可达10V。系统采用触摸屏方式输入波形参数和手绘波形，频率1HZ步进可调，峰-峰值可在0到10V之间任意调节。电路设计条理清晰，人机交互界面友好，控制方便，很好地完成了题目的所有基本和发挥要求。

关键字：

LT1210 TLV5639 波形发生器 功率放大

一、方案比较：

1.1 波形生成方案

方案一：采用锁相式频率合成方案

这种方案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。这种方案具有很好的窄带跟踪特性，很好的选择所需频率。但由于模拟方法合成的正弦波参数（如：幅度，频率，相位）都很难被控制，难以满足实现任意波形的要求。 方案二：采用DDFS技术，即直接数字频率合成方案

采用DDFS技术可以生成正弦波、方波、三角波以及编辑生成的任意波形。随机读写存储器RAM的量化数据，按照不同的频率要求对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取RAM的波形量化数据，经D/A转换和幅值控制，即可得到所需波形，此方法便于集成，可以实现任意波形的生成。可以完全满足本题目的要求，本次设计采用此种方案。

1.2 任意波形的生成原理 方案一：用键盘输入数据

采用键盘输入，这是最基本的方法。优点是输入值精确。但用户自定义输入时无法自由输入想要的特殊波形，而且输入数据繁琐，操作麻烦。 方案二：触摸屏绘制波形

以触摸屏作为操作界面，用户可在触摸屏上输入波形参数及绘制波形。此方法操作简易，并且可绘制任意波形，本次设计采用此种方案。

1.3幅度控制

方案一：采用双数模转换技术

由单片机对DAC进行控制，改变其输出电压，将DAC的输出电压作为波形产生DA转换器的基准电压，控制波形的幅值，此方法控制电路比较复杂。 方案二：软件控制幅值

软件直接生成已经设置好的波形数据，然后将数据存放在FPGA的RAM中。函数表的幅度经过归一化，DDS本身具有调幅功能，最大幅度可以达到1V。假设幅度为1V，即将函数表中存储的幅值均乘以常量A。根据题目要求，输出电压的变化范围为0～5V，步进为0.1V。利用7位控制信号控制51种不同幅值，完全可以满足题目电压变化范围为0～5V步进为0.1V的要求。此方法简单易行，硬件电路简单。本次设计即采用此方案；

1.4功率放大

方案一：采用分立元件

采用分立元件三极管搭建功率放大器，此方法成本较低，但电路静态工作点不易设置。

方案二：采用功率放大芯片

采用凌特公司的大电流芯片LT1210作为功率放大。LT1210具有1.1A的驱动电流，900V/us的压摆率，35MHZ带宽。10Vpp时，驱动负载电阻可达10Ω，完全满足本次设计的要求，因此本次设计采用次方案。

二、系统设计与理论分析：

2.1 总体设计思路：

以STM32为核心，完成三方面的功能：单片机完成数据采集，数据显示，数据处理以及通信；FPGA主要用于实现DDS技术中的累加器功能；外部电路主要由DA转换器和功率放大器组成，DA最大输出电压为5Vpp，再经过2倍的功率放大，使系统最大输出电压可以达到10Vpp。

液晶显示部分触摸屏控制STM32单片机FPGAAD转换器功率放大按键控制 系统总体框图

2.2 方案原理分析与理论计算：

2.2.1 微控制器软件实现

微控制器主要用于完成数据的采集，显示以及处理，生成各种波形数据，本系统采样1024个数据，采用12位DA转换器，因此RAM地址位设置为10位，数据位设置为10位。微控制器先进行数据收集处理，生成各种波形的归一化数据，然后存储在1024位的数组里，根据幅值要求乘以相应的系数，最终生成可以存放在RAM里的数据。

本系统采用12位DA转换器，最大输出电压为5Vpp，功率放大为2倍，所以系统最大的输出电压可以达到10Vpp，可计算出最小电压分辨率为：

电压分辨率：K=10/4096（V）

（1）正弦波归一化数据生成函数

S(t)=sin(t) /(2K)

（2）三角波归一化数据生成函数

T(t)=t/(255 *2K) (t<256) T(t)=(511-t)/(255 *2K) (256

（3）方波归一化数据生成函数

根据电压分辨率可以得出方波归一化数据生成函数为：

F(t)= 1/(2k) (0

F(t)= - 1/(2k) (512

（4）5次谐波数据的生成函数

W(t)=a*sin(t)+ b*sin(2t+m)+ c*sin(3t+n)+d* sin(4t+p)+ e*sin(5t+q)

此函数要求幅值和相位参数：a.b.c.d.e.m.n.p.q 这些参数可以由触摸屏输入。 （5）正弦波、方波、三角波线性组合波数据生成函数 D(t)=a*S(t)+ b*F(t+m)+ c*T(t+n)

此函数要求幅值和相位参数：a.b.c.m.n 这些参数可以由触摸屏输入。 （6）任意波形数据生成

以触摸屏作为操作界面，采集用户在触摸屏上绘制的波形的数据，并将数据进行存储和显示；触摸屏与单片机之间通过串口进行数据传输；采用TSC2046微控制器作为触摸屏驱动芯片，当触摸屏被触及时，将被触及点的坐标值进行适当的编码，单片机接收到信号后，对接收到的数据进行适当的处理，最后存储起来，这样就完成了一次波形的输入操作。

2.2.2 FPGA软件实现

FPGA软件框图如下：

频率控制字相位累加器波形存储RAM查找表DA转换器波形输出

相位累加器是实现DDS的核心部分，它由N位字长的二进制加法器和一个固定时钟脉冲取样的N位相位寄存器组成，在每个时钟脉冲到达时，相位寄存器采样上

个时钟内相位寄存器的值和频率控制字M之和，并作为相位累加器在这一时钟周期的输出。当相位累加器积满量时就会产生一次溢出，从而完成一个周期性动作，这个动作周期即是DDS合成信号的一个频率周期。输出信号频率表达式为：

N；其中fclk为DDS系统的工作时钟。

F?M(fclk/2)根据题目要求步进?100HZ,本设计采样1HZ步进，从而计算出频率控制字最小M=86，频率控制字由单片机精确计算后传送给FPGA。

波形存储器RAM中的数据由单片机经过软件生成后，通过数据线传送给FPGA的RAM存储器。

2.2.3功率放大实现

本次设计中功率放大部分采用的是大电流芯片LT1210。LT1210具有1.1A的驱动电流，900V/us的压摆率，35MHZ带宽。完全满足本次设计的要求，采用正向放大连接方式，放大倍数为：

A=1+(R1/R2)=1+680/680=2

三、数据测试，测试分析：

3.1 测试条件

错误！未找到引用源。60M数字存储示波器：型号Tektronix TDS1002 60M 双通道；

错误！未找到引用源。函数信号发生器：RIGOL DG1022 20M 双通道；

3.2 数据测试方案，测试分析

(1) 输出波形频率范围测试 测试数据见下表：

条件：峰峰值为5V。

表1 频率测量 预置频率/Hz 方波 正弦波 1 1.01 1.01 100 99.99 99.99 200 199.98 199.98 500 500.02 500.02 1000 1000.1 1000.0 2000 2000.2 2000.3 三角波 1.01 99.99 199.98 500.02 1000.1 2000.3