数字合成标准正弦波信号源设计.docx

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数字合成标准正弦波信号源设计

大庆石油学院

课程设计

课程通信电子线路课程设计

题目数字合成标准正弦波信号源

院系电气信息工程学院

专业班级通信071

学生姓名李元

学生学号070602140128

指导教师阚玲玲张秀艳

2009年7月10日

大庆石油学院课程设计任务书

课程通信电子线路课程设计

题目数字合成标准正弦波信号源

专业通信工程姓名ＡＡＡ学号07060214ＡＡ

主要内容、基本要求、主要参考资料等

主要内容：

设计一种利用锁相环频率合成技术和数字波形合成技术组成的程控低频正弦波信号发生器。

基本要求：

1.频率分辨率0.1Hz

2.输出正弦波频率和幅值的精度高、稳定性好，且失真度很低，电路简单、可靠、便于程控，可作为标准正弦信号源用于高准确度仪表中。

3.本电路输出的正弦波在40.0Hz--400.0Hz间测得的失真度小于0.1，正弦波有效值为5.000V士0.002V,频率准确度优于士0.01%稳定度。

主要参考资料：

1.曹曙光等.高稳定度程控交流标准电流源.电测与仪表，1993，1.

2.戴逸民.频率合成与锁相技术，中国科技大学出版社，1995.

3.华正权.信号变换电路，电子工业出版社，1994.

完成期限2009、6、29—2009、7、10

指导教师

专业负责人

2009年6月29日

目　录

1.设计要求1

2.方案设计1

2.1总体结构1

2.2锁相频率合成技术1

2.3循环计数与波形合成3

3.单元电路设计、参数计算和器件选择4

3.1数模转换器部分4

3.2低通滤波器部分5

4.电路的工作原理6

4.1信号频率范围8

4.2波形失真度9

4.3幅值稳定性9

5.测试结果9

6.总结9

7.系统需要的元器件清单10

参考文献10

1.设计要求

设计一种利用锁相环频率合成技术和数字波形合成技术组成的程控低频正弦波信号发生器。

频率分辨率0.1Hz，输出正弦波频率和幅值的精度高、稳定性好，且失真度很低，电路简单、可靠、便于程控，可作为标准正弦信号源用于高准确度仪表中，要求电路输出的正弦波在40.0Hz--400.0Hz间测得的失真度小于0.1，正弦波有效值为5.000V士0.002V,频率准确度优于士0.01%稳定度。

设计出的频率合成器能把一系列的数字信号通过D/A转换成模拟信号并输出。

2.方案设计

2.1总体结构

电子测量仪表的检定需要使用标准交流电压电流源，在标准源的设计中，交流电压发生器是重要环节，是整个系统的基础。

它的频率精度、分辨率、稳定度和波形失真度决定了仪器的最终指标。

本文采用数字合成技术产生40~400Hz,步进0.1Hz的正弦波，配合标准源的整体设计。

用单片机设置输出频率，其原理如图1所示。

单片机控制的锁相环频率合成器产生25600~256000Hz、步进值为64Hz的方波脉冲信号。

EPROM存储器中存放一张正弦波形幅值表，台阶数为640，脉冲信号通过计数器产生循环地址，依次将EPROM中的二进制幅值码取出进行D/A转换。

经过低通滤波后输出平滑连续的正弦波。

本电路还可根据需要将输出信号频率锁定在电网频率上，以消除拍频对稳定性造成的不利影响。

输出

图1原理图

2.2锁相频率合成技术

相位反馈理论和锁相技术应用于频率合成领域，产生了间接式频率合成器。

所谓间接式是指合成器的输出信号不是直接从参考源经过变换而得，而是由锁相环的压控振荡器间接产生所需要的频率输出，所以，间接式频率合成器又称为锁相频率合成器。

它是基于锁相环路的同步原理，从一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器综合出大量离散频率的一种技术。

锁相频率合成器由基准频率产生器和锁相环路两部分构成。

基准频率产生器为合成电路提供一个或几个高稳准的参考频率，锁相环路则利用其良好的窄带跟踪特性，使频率准确地锁定在参考频率或其某次谐波上，并使被锁定的频率具有与参考频率一致的频率稳定度和较高的频谱纯度。

由于锁相环路具有良好的窄带滤波特性，故其输出信号质量较直接式频率合成器得到明显的改善。

锁相技术在频率合成中的成功应用，使频率合成技术获得突破性进展。

锁相频率合成器的结构简单、输出频率成分的频谱纯度高，而且易于得到大量的离散频率等优点引起了人们的极大关注，为频率合成器的广泛应用打下了基础。

在锁相频率合成器中，输出频率系列是由压控振荡器（VCO）产生的。

该频率在环路的鉴相器中，不断地与来自石英晶体振荡器的基准频率进行相位比较，并通过比较后产生的误差信号对振荡频率进行校准，使输出频率系列中的任一频率均具有与基准频率相同的频率稳定度。

该电路通过锁相环产生由单片机软件设定的25600~256000Hz之间的脉冲信号，其频率精度和稳定度完全取决于所选晶振，电路原理如图2所示锁相环CD4046工作于倍频状态，其输入基准频率f1与输出频率f0之间的关系为:

f0=N*f1,N为倍频系数。

由此可见，f1是f0变化的最小间隔。

受到CD4046最高工作频率的限制。

f1不能太高，本电路设计为64Hz。

由晶振产生的1MHz振荡信号经可编程定时器8253的定时器2分频后获得。

倍频系数N则取决于8253定时器1的计数常数，由单片机软件设置，8253工作于模式5。

8031将8253作为一个I/O端口，通过随时对它的写入来改变倍频系数N，实现锁相环输出时钟信号的频率预置。

N与合成正弦波频率的关系如下（正弦波台阶数640）:

Nf0（Hz）正弦波频率（f0/640Hz）

4002560040.0

4012566440.1

………………

4000256000400.0

电路中用模拟开关CD4066由单片机控制切换机内频率信号和电网频率信号。

电网信号经衰减、隔离、整形后作为f1输入锁相环，此时的倍频系数N设定为640则f0=640*f1，f0以及合成正弦波频率跟踪f1变化，从而使仪器输出锁在电网频率上。

锁相环用鉴相器2工作。

整个电路调试关键在于锁相环的LPF网络及其决定压控振荡器工作频率范围的C，R参数选择。

锁相环的输出脉冲还须经过整形和驱动后作为时钟CP供给后续TTL电路。

在25600~256000Hz频率范围内。

本电路产生的CP脉冲用E312通用计数器测量最大误差不超过士0.01%.其频率稳定度经多次测试，相对变化小于0.005%。

电网信号

f1f0

100k

cp

50p2K

2.2u

10k1M

图2锁相环频率合成的原理图

2.3循环计数与波形合成

由理论分析可知，数字合成的正弦波失真度与产生合成波形的台阶数有关，台阶数越多越有利于减少失真，但随着频率增高，台阶数的增多受到D/A转换器频率特性和建立时间的限制，若台阶畸变则会出现二次和三次谐波，造成滤波困难。

本电路采用640台阶数，电路原理如图3所示。

来自锁相环的脉冲信号作为时钟驱动3片并行级联的二进制计数器74LS163产生。

0~639（000H~279H）范围的地址信号，当计数到279H时，复位逻辑电路产生复位脉冲到74LS163的清零端。

在下一个时钟脉冲到来之际使74LS163复位并重新计数。

电路中12位D/A转换器AD7521接成双极性工作状态，两片宽频带运放LF356将D/A输出的电流转换成电压输出，两片EPROM（2732）中分别存放正弦二进制偏移码的低八位和高四位。

由文献可知，EPROM数据Di的计算公式如下:

Di=INT（2N-1SIN（2∏/M*I））+2n-1

式中I为EPROM的地址值，M为台阶数，这里n=12，为D/A的位数。

由于2732的读出时间为200ns。

远大于TTL门传输时间。

因此延时的设计十分重要，电路中采用74LS123进行两级延时，保证了地址、数据的可靠传递。

此环节的输出是近似正弦的阶梯波，每周期640个台阶。

cp

正弦波输出

图3数字合成正弦波原理图

带台阶和毛刺的正弦波必须滤去高次谐波分量，电路中的低通滤波器采取二阶巴特沃兹低通滤波器形式。

其特点是在通频带内有平坦的幅频特性，根据设计的截止频率确定电阻和电容值，用实验调整确定最后实用的参数。

必须注意在替换电阻和电容时要求数值准确。

否则会使滤波特性发生变化。

滤波器的输出已是平滑连续的正弦波形。

综上所述，合成正弦波的失真度主要决定于时钟脉冲CP的质量、波形台阶数和低通滤波器参数选择。

正弦波幅值大小的调整可以通过改变AD7521的参考电压Vref实现。

本电路由电压基准LM336经OP07同相放大接到AD7521的Vref端，调整同相放大器的放大倍数将正弦波的有效值调节为5.00V。

3.单元电路设计及参数计算

3.1数模转换器部分

频率合成器从ROM中读出的波形幅度值，最终要经过D/A转换成相应的模拟阶梯波形。

理想的DAC是一个采样保持系统一个数码被转换为一个模拟值并在整个采样周期内保持其值，在输出瞬间从一个模拟值变化到另一个模拟值。

不幸的是，DAC并不是理想的，它的输出具有有限的转换时间，存在相关码突变，这是一个短暂的输出误差，其幅度和宽度是输入编码的变化函数。

本次使用的数模转换器件是AD公司的AD9713B高速芯片，它有以下几个优点：

速度快（l0M的转换速率），精度高（l0位分辨率），转换噪声低（SFDRIMHZ：

70db），功耗低，电平兼容。

在数据输入时序上，其锁存信号是低电平有效，即在锁存信号LATCH=0时，输入通道是透明的。

锁存信号与输入数据应符合一定的时序关系才能被正确锁存。

AD9713B的时序如下图4示，从图中可以看出，数据要被正确地接收，是需要满足一定的数据建立时间和数据保持时间的。

图4AD9713B数据输入时序图

3.2低通滤波器部分

以离散数字序列经数模转换，成为模拟信号的原理为基础实现的信号发牛器有其固有的优点，但同时也具有频谱分量复杂，杂波多的缺点。

在信号发生器中，滤波器起着保持有效分量、抑制杂波的作用。

理想低通滤波器的幅频特性和群延迟特性如图5所示。

模拟阶梯波形需通过LPF形成平滑的波形曲线。

理想滤波器是非因果的，在实际中无法实现，所以实际中常用其他方法来逼近。

根据逼近方法的不同可分为巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器及贝塞尔滤波器等。

巴特沃思滤波器利用巴特沃思函数来逼近理想滤波器，其逼近程度与其阶数N有关，N越高则逼近程度越高，效果越好，但其实现就越复杂，成本也越高。

在实际中，常根据在通带和阻带的设计指标来确定所需要的最低阶数。

实际上，理想的滤波器特性是不可能获得的，只能用某种方式按某种规律去逼近它。

采用不同的曲线逼近理想滤波器，就获得了不同类型的滤波器。

常见的滤波器有以下几种：

Butterworth滤波器、Chebyshev滤波器、椭圆滤波器、Bessel滤波器和线性相位滤波器。

五种滤波器有着各自的特点：

Butterworth滤波器也称为最大平滑滤波器，它的传递函数只有实数极点和无穷零点，因而其幅频特性在通带和阻带内都是单调的，但也造成了通带到阻带的过渡缓慢；Chebyshev滤波器的传递函数有复数极点和无穷零点，因而其幅频特性表现为有波动，其中ChebyshevI型为通带单调、阻带波动，Chebyshev型为通带波动、阻带单调，Chebyshev滤波器以引入纹波为代价，使其过渡特性比Butterworth滤波器要陡峭；椭圆滤波器也叫考尔滤波器，它的传递函数有复数极点和（截止频率附近的）有限零点，因而其幅频特性在通带和阻带内都是波动的，但它的过渡特性最陡峭；Bessel滤波器的传递函数只有实数极点和无穷零点，其幅频特性在通带和阻