基于鎖相環頻率合成技術的波形發生器設計

李 敏

(黃岡職業技術學院，湖北黃岡 438002)

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基于鎖相環頻率合成技術的波形發生器設計

李 敏

(黃岡職業技術學院，湖北黃岡 438002)

本文設計了一種基于鎖相環頻率合成技術的波形發生器，該波形發生器采用單片機技術，采用AT89S52單片機通過巧妙的軟件設計和鎖相環頻率合成技術，產生數字式的正弦波、方波、三角波等幅值可調的信號，產生的信號頻率可通過鍵盤調節頻率和幅度，并通過液晶顯示所選信號的類型。本系統產生的數字信號干擾小，輸出穩定，可靠性高，特別是操作簡單方便，人機界面友好，成本低。其中幅度控制采用雙D/A技術，后級通過濾波與功放電路改善波形，提高了驅動能力。

AT89S52；鎖相環；雙D/A技術

波形發生器是工業生產與科技實驗中常用的電子設備，本文提供了一種以AT89S52單片機為控制核心，能產正弦波、方波、三角波等且幅值可調的技術方案，設計了一種基于鎖相環頻率合成技術的波形發生器，該方案結構簡單，性能穩定，可靠性高。

1 方案比較與論證

本系統中的難點部分是頻率合成器和儲存器的選擇，由于要使輸出波形的帶寬較大，穩定性好，就必須選用合適的方案予以實現，所以提出幾種實現方案進行分析和論證。

1.1 波形產生方案

方案一：采用單片壓控函數發生器，如8038。IC8038可同時產生正弦波、方波和三角波。改變8038的調制電壓，可以實現數控調節，其振蕩范圍為0.001Hz～300kHz，可滿足題目頻率范圍要求。但是不能實現編輯任意波形的輸出。而且產生的頻率穩定性差，精度較低，抗干擾能力差，成本低，且不能實現任意波形及波形的運算。

方案二：采用單片機產生波形。正弦波的產生，通過CPU運算或查表，由單片機控制讀出地址中數據經D/A轉換電路，然后通過一個低通濾波器和穩幅電路，產生穩定的正弦波形輸出，而且可以通過改變CPU中的數據，可以改變輸出波形的頻率，實現頻率可調功能。方波的實現，可以通過中斷或是延時的方式改變管腳輸出的電平狀態，即可實現方波的輸出。三角波的產生，將一個周期內的波形分成若干等份，得出每個時間段的幅值，把數據存入單片機的RAM中，利用單片機查表得輸出波形。但是不能實現對任意波形的輸出，也不能實現對諧波的線性組合，所以在此不采用此方案。

方案三：如圖1所示，采用鎖相環式頻率合成技術。鎖相頻率合成器由基準頻率產生器、鎖相環路和可編程分頻器三部分組成，其原理框圖如下圖所示。由石英晶體振蕩器產生一高穩定度的標準頻率源fs,經過定分頻器進行M分頻后，得到參考頻率fr,顯然有fr=fs=/M，這送入鎖相環路的鑒相器的一個輸入端，鎖相環的壓控振蕩器的輸出頻率為fo，經可編程分頻器N分頻后，也送到鑒相器的另一個輸入端，當環路鎖定時，可得fr=fo=/N，因此壓控振蕩器的輸出信號為fo=Nfr，改變分頻系數N就可得到不同頻率的信號輸出。

圖1 鎖相環式頻率合成技術原理圖

綜上所述，方案一的頻率控制精度達不到要求，而且三種波形的基波及其諧波的線性組合難以實現；方案二欲實現20kHz的波形輸出，步進≤100Hz ，CPU需要很高的速度，普通的CPU 很難達到要求；方案三結構簡單，性能穩定，易于實現。由此我們選擇方案三，由鎖相環實現頻率的合成。

1.2 幅度控制模塊方案

1.3 儲存模塊方案

采用隨機存儲器RAM來存儲所需波形的量化數據。選用32KB靜態隨機存儲器RAM62256芯片。它具有15根地址線，8根數據線供用戶使用。由于是單口RAM，通過外部加入鎖存器，可通過單片機的P3.0腳來實現數據傳送與掃描的隔離，當P3.0腳為低電平時單片機可以對RAM進行讀寫操作，用戶可以通過外部鍵盤編輯波形數據，將產生的波形數據保存在62256中；當P3.0腳為高電平時，由外部地址計數器4040讀取RAM中的波形數據，送到DAC0832中進行轉換。

2 系統設計

2.1 系統總體設計

本設計以單片機AT89S52為核心，完成四方面的功能：處理鍵盤置數、生成波形數據并存儲到外部RAM、控制LCD的顯示、控制DAC0832進行幅值轉換。通過地址計數器4040，產生地址計數信號，讀出RAM中存儲的波形數據，經D/A轉換，低通濾波器及功率放大器就可以得到任意存儲在RAM中的波形?？傮w框圖如圖2所示。

圖2 系統總方框圖

2.2 各模塊設計

2.2.1 晶體振蕩電路

設計中取128個樣點組成一個周期的波形，且頻率最小步進間隔定為4Hz，這樣需要產生512Hz基準頻率的方波作為鎖相環電路的輸入。將32.768KHz的晶振振蕩和分頻即可得到512Hz的標準方波信號，即f1=512Hz。其電路原理圖如圖3所示。

圖3 晶體振蕩電路

2.2.2 地址計數器電路

地址計數電路如圖4所示，將f1=512 Hz的基準方波信號作為鎖相環4046的輸入信號，通過可編程計數器8253對鎖相環的輸出頻率f0進行任意的N倍頻，這樣在鎖相環鎖相穩定之后f0=N×f1，以達到倍頻的目的，要使得輸出波形的頻率達到20kHz，因為每個周期需取128個點，那么鎖相環的最大工作頻率需達到2.56MHz，所以選用74HC4046以滿足要求。

2.2.3 數據讀取電路

本設計中我們將制成的波形數據樣值表存儲在RAM中，將RAM62256的地址線的A0～A6低7位與地址計數器4040相連構成RAM的地址發生器。利用鎖相環產生時鐘信號驅動地址計數器4040讀取RAM62256中的波形數據，再經D/A轉換器轉換成模擬信號輸出。原理圖如圖5所示。

2.2.4 幅度控制電路

本系統采用的是雙D/A技術，利用單片機實現對輸出信號幅度的控制，其控制方法是用第一級DAC0832轉換的輸出電壓作為第二級DAC0832的基準電壓VREF，使得輸出波形的幅值為0～5V可調，實現步進0.1V的步進量。其電路原理圖如下圖6所示。

圖4 地址計數器電路

圖5 數據存儲電路

2.2.6 輸出放大電路

信號由濾波電路輸出，經LF356保持穩定電壓，再由LF356放大器增大電壓，由TIP122和TIP127增大電流，提高電路帶負載的能力。其中精密電位器起線性補償的作用，使得輸出的信號具有良好的穩定性，設計如圖7所示。

2.2.7 波形的線性組合

這一部分的功能主要由單片機來完成。通過鍵盤的編輯可以完成同頻率的三種不同種類波形的疊加，以及基波和諧波的組合。其基本原理都是對不同的波形數據乘上對應的系數再疊加。對于同頻率三種波形的疊加，表達式寫為：

圖6 幅度控制電路

圖7 功率放大電路

其中,Vsin、Vtri、Vpul分別為標準正弦波、三角波和方波，A、B、C為比例系數。只要改變比例系數則可以改變輸出的波形。

而對于基波和諧波的組合，表達式可以寫為：

其中VΣ為疊加后的波形，Vn為n次諧波)

2.2.8 系統整體電路

系統整體電路如圖8所示。

圖8 系統整體電路

2.3 系統軟件設計

系統軟件設計的主流程圖如圖9所示。

3 系統測試

3.1 測試數據3.2 波形組合測試

由三種波形的線形組合，如圖10所示，由方波、正弦波、三角波按1：1：1的比例組合而成的波形。

表1 基本波形頻率測試數據

圖9 系統程序主流程圖

圖10 三種基波的線性組合波形

幅度設定值/V實際測量值/V誤差/%0．10．101．01．050．051．11．150．151．21．250．052．02．10．13．02．90．14．04．005．04．90．1

4 結 論

根據以上測量數據，能夠實現方波、正弦波、三角波三種波形的輸出，并且能實現三種波形的線性組合。頻率范圍為167Hz～25kHz，頻率步進為4Hz。輸出的波形幅度為0V～5V，步進為0.1V，并有具有掉電保護功能。

1 周嶺松.全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編(2001)[M]. 北京：北京理工大學出版社，2001.

2 黃智偉.全國大學生電子設計競賽訓練教程[M]. 北京：電子工業出版社，2004.

3 趙茂泰.智能儀器原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2004.

4 張齊.單片機應用系統設計技術[M].北京：電子工業出版社，2004.

(責任編輯：譚銀元)

The Design of a Waveform Generator based on Synthetic Technology of Phase Locked Loop Frequency

LI Min

(Huanggang Vocational Technical College，Huanggang 438002，China)

In this essay, a waveform generator is designed based on synthetic technology of phase locked loop frequency. The waveform generator adopts technology in single chip microcomputer. Its system produces amplitude-changeable signal such as digital sine wave, square wave, triangle wave by using single chip microcomputer AT89S52 which is equipped with delicate software design and technology of phase locked loop frequency. The frequency and amplitude of signal could be controlled by keyboard and its types can be chosen by LCD display. The signal from this system is featured by less interference, stable output and high reliability, especially for easy and convenient operation, good interference, low cost. Meanwhile amplitude controlling adopts double D/A technology. Secondary side applies the filter and power amplification circuit to improve waveform and better the drive ability.

AT89S52; phase locked loop; double D/A technology

黃岡職業技術學院科研教學項究項目“基于Multisim電子仿真技術在應用電子技術專業教學中的應用研究與實踐”(2015C2041115)

2016-04-18

李 敏，男，碩士，副教授。主要研究方向：智能儀器儀表、數字信號處理。

TN02

A

1671-8100(2016)03-0024-06