基于ARM的多功能信号源设计

一、开展本课题的意义及工作内容：信号发生器是用来提供各种测量所需信号的仪器，它是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。在分析电子线路时，常常需要了解输出信号与输入信号之间的关系，为此常信号发生器产生一个信号来激励系统，以便观察、分析它对激励信号的反映。因此我就针对低频信号源进行设计，设计以LPC2138为控制芯片，探索研究了低频信号发生器的原理和应用，设计输出频率及幅度可调，频率范围为1HZ～50KHZ的正弦波、方波、三角波、调幅波、调频波及其复合波信号，具有信号频率、波形、幅度变化容易，硬件简单可靠等特点的多功能信号源二、课题工作的总体安排及进度：1.2007年12月19日前提交开题报告2、2007年12月28日前完成资料初步搜集3．3月11日前提交中期报告。4.4月8日前分析解决设计中碰到的问题，完成设计制作的测试。5.4月14日前初步完成毕业设计和论文初稿6.4月20日前完成毕业设计，并上交毕业论文终稿。三、课题预期达到的效果：1、能够产生正弦波、方波和三角波（频率范围1HZ~50KHZ）2、能产生由以上波形整合成的复合波形3、实现波形间的切换主要研究内容目标特色信号发生器是用来提供各种测量所需信号的仪器，它是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。在分析电子线路时，常常需要了解输出信号与输入信号之间的关系，为此常信号发生器产生一个信号来激励系统，以便观察、分析它对激励信号的反映。成果描述针对低频信号源进行设计，设计以LPC2138为控制芯片，探索研究了低频信号发生器的原理和应用，设计输出频率及幅度可调，频率范围为1HZ～50KHZ的正弦波、方波、三角波、调幅波、调频波及其复合波信号，具有信号频率、波形、幅度变化容易，硬件简单可靠等特点的多功能信号源二、文献综述信号发生器是用来提供各种测量所需信号的仪器，它是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。在分析电子线路时，常常需要了解输出信号与输入信号之间的关系，为此常信号发生器产生一个信号来激励系统，以便观察、分析它对激励信号的反映。自十九世纪六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类，各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。产生所需参数的电测试信号仪器。按其信号波形分为四大类：①正弦信号发生器。主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按其不同性能和用途还可细分为低频（20赫至10兆赫）信号发生器、高频（100千赫至300兆赫）信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器等。②函数（波形）信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。③脉冲信号发生器。能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。④随机信号发生器。通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。噪声信号发生器主要用途为：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：（1）用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。（2）可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。（3）利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。鉴于此，美国美信公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了（2）中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。（4）利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。对信号发生器的基本要求是：(1)输出的幅度稳定．其稳定度按其用途不同，可从百分之儿到万分之几，甚至更高；(2)输出波形要好。如正弦波振荡器要求失真度小，—般在3％以下，有些情况下要求达到小于1％；(3)输出额率的稳定皮要高。一般希望每小时效率变化的相对值(指短期稳定度△f/f时)小于10-3对作为精确频率测量用的信号频率输出，其稳定度要求就更高；(4)要求有一定的输出功率。对于低频振荡器，常希望有1W以上的输出功率，而对高频振荡器的输出功率要求较低．低频信号发生器的原理：系统包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和指示电压表。主振级产生低频正弦振荡信号，经电压放大器放大，达到电压输出幅度的要求，经输出衰减器可直接输出电压，用主振输出调节电位器调节输出电压的大小。设计针对低频信号源进行设计，设计以LPC2138为控制芯片，探索研究了低频信号发生器的原理和应用，设计输出频率及幅度可调，频率范围为1HZ～50KHZ的正弦波、方波、三角波、调幅波、调频波及其复合波信号，具有信号频率、波形、幅度变化容易，硬件简单可靠等特点的多功能信号源。在信号源中对它本身的抗干扰能力还是有很高的要求的。干扰的渠道主要有三条：空间干扰(场干扰)，电磁信号通过空间辐射进入系统;过程通道干扰，干扰通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的相互通道进入;供电系统干扰，电磁信号通过供电线路进入系统。一般情况下空间干扰在强度上远小于其它两种，故系统中应重点防止过程通道与供电系统的干扰。抗干扰措施有硬件措施和软件措施。硬件措施如果得当，可将绝大部分干扰拒之门外，但仍然会有少数干扰进入系统，故软件措施作为第二道防线必不可少。由于软件抗干扰措施是以CPU为代价的，如果没有硬件消除绝大多数干扰，CPU将疲于奔命，无暇顾及正常工作，严重影响系统的工作效率和实时性。因此，一个成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合构成的。在输出信号时，外部干扰有可能使信号出错。在软件上，最有效的方法就是重复输出同一个信号，只要重复周期尽可能短，锁存器接收到一个被干扰的错误信号后还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信号又来到，就可以及时防止错误动作的产生。CPU抗干扰措施前面几项抗干扰措施是针对I/O通道，干扰还未作用到系统本身，这时系统还能正确无误地执行各种抗干扰程序，当干扰作用到系统本身时），系统将不能按正常状态执行程序，从而引起混乱。如何发现系统受到干扰，如何拦截失去控制的程序流向，如何使系统的损失减小，如何恢复系统的正常运行，这些就是CPU抗干扰需要解决的问题。可以采用以下几种较常见方法：人工复位，对于失控的CPU，最简单的方法是使其复位；掉电保护，电网瞬间断电或电压突然下降将使微机系统陷入混乱状态，电网电压恢复正常后，微机系统难以恢复正常。对付这一类事故的有效方法就是掉电保护；睡眠抗干扰；指令冗余；软件陷阱。在设计中，信号的输出为一个完整的周期信号不断的输出，使得信号源能够在输出时具备一定的抗干扰能力。然后在末级还串上了一由RC组成的低通滤波器，形成了软件与硬件相结合的抗干扰措施，同时提高了系统的带载能力。在设计复合波形时，本来是要将频率分别为1W、2W、3W的三个正弦信号进行复合的，这就要求在信号数据输出时必须先输出一个3W的信号数据等下一个时输出3W、2W的信号数据，第三个时输出3W、2W、1W的信号数据，也就是说，3W数据信号不断的输出，2W点是间隔一个输出，1W点间隔三个点输出，这样才能将三个不同频率的波形整合到一起。但是在不同的波形之间波形的叠加最好是在同频率的波形之间进行，就选择了三个同频率的正弦波、三角波和方波进行复合。设计中碰到它们复合时幅度的控制问题，若幅度没控制好，示波器显示出来的将是一些杂波，并不是一个复合的波形，因此应该将复合波形的幅度系数除掉一个参数，以保证波形的完好输出。设计的低频信号发生器的达到很高稳定性，可以将其用在电子线路与系统的设计、测试和维修中。多功能信号源设计基于ARM的多功能信号源设计【摘要】本设计主要研究和设计基于ARM（LPC2138）嵌入式系统的多功能数字信号发生器，采用数值计算合成和D/A转换模块来完成，可产生输出频率及幅度可调，频率范围为1HZ～50KHZ的正弦波、方波、三角波及其复合波信号，具有信号频率、波形、幅度变化容易，硬件简单可靠等特点。目录引言………………………………………………………………………………11系统设计任务与要求………………………………………………………………11.1设计任务………………………………………………………………………11.2设计要求………………………………………………………………………12方案论证及选择………………………………………………………………12.1信号产生部分…………………………………………………………………12.2幅度调制(AM)信号的产生……………………………………………………22.3频率调制（FM）信号的产生…………………………………………………22.4滤波电路………………………………………………………………………23系统设计……………………………………………………………………33.1系统框图………………………………………………………………………33.2各功能模块………………………………………………………………………33.2.1波形产生电路……………………………………………………………33.2.2键盘模块…………………………………………………………………33.2.3滤波器设计………………………………………………………………33.2.4显示模块…………………………………………………………………33.3各个功能块的实现原理及分析………………………………………………33.3.1正弦波的产生……………………………………………………………33.3.2三角波的产生……………………………………………………………43.3.3方波的产生………………………………………………………………43.3.4复合波形的产生…………………………………………………………43.3.5幅度的控制………………………………………………………………43.3.6频率的控制………………………………………………………………43.3.7滤波器设计………………………………………………………………43.3.8键盘模块………………………………………………………………44软件设计……………………………………………………………………55系统测试与数据分析…………………………………………………………75.1测试工具…………………………………………………………………………75.2测试数据及表格…………………………………………………………………75.2.1频率与间隔点数的计算…………………………………………………75.2.2不同波的幅度与频率的测试…………………………………………75.3调试结果图……………………………………