FM调制器
（MC1648 + MC12022 + MC145152）
摘要：本设计是基于数字频率合成技术，采用单片机来完成控制的FM调制器。利用锁相环式频率合成器，由单片机实现对PLL频率合成芯片MC145152的控制。可自动改变频率，步进达100KHz；可实时测量压控振荡器输出频率，并用液晶显示器显示；采用了AGC电路来稳定输出电压；功率放大选用三极管S 9018，提高了放大器的效率。同时系统还实现了频率扩展、立体声编码等实用性功能。程序设计采用C语言,在单片机AT89C52芯片上编程实现，经测试，整机功能齐全，发射信号正常；输出频率稳定度优于10-5；输出功率≥100mW；输出阻抗为50Ω。
关键词：压控振荡器数字频率合成单片机 MC1648
The modulate of FM Transmitter
Abstact：The system adopting microcontrollers 51 to design the Frequency Modulation Transmitter is base d on the digital frequency synthesize technical. The system is made up of Voltage Control LC Oscillator, Phase Locked Loop, AGC circuit, Dual–Modulus Prescaler, microcontrollers circuit , peak to peak voltag e value measure circuit, LCD module and keyboard.The digital PLL circuit is made up of some integrate circuits,they are MC145152、MC1648、MC12022.it can improve stability of frequency. It can automatical ly change and measure the frequency of Transmitter with a step of 5 kHz and P out and display it by LC D. Meantime it realizes the functions of expanding the frequency, stereo coding, amplify the power etc.M ocrocontrollers adopts AT89C51 which is produced by Corp Atmel , it belong to the catena of 51,adaptin g to designing the program with C. It is proved to be well functioning, the output frequency is stable,the sine wave is beautiful and lubricity. because of adopting the digital PLL frequency synthesize technical, the stability of frequency add to 10-6; when the signal pass filter.The Signal-to-Noise attain the standard of A , promulgated by nation.
Keywords：VCO digital frequency synthesize singlechip MC1648
目录
第一章系统设计 (3)
1.1 总体设计方案 (3)
1.1.1 设计要求 (3)
1.1.2 设计思路 (3)
1.1.3 方案论证与比较 (3)
1.1.4 系统组成 (6)
第二章单元电路设计 (6)
2.1 压控振荡器的设计 (6)
2.2 锁相环路的设计 (9)
2.2.1 PLL频率合成电路设计 (10)
2.2.2 前置分频器 (11)
2.2.3 鉴相器 (12)
2.2.4 环路滤波器 (13)
2.2.5 电源电路 (14)
2.3 功率放大电路的设计 (14)
2.4 立体声编码器的设计 (15)
2.5 输出功率测量的设计 (16)
2.6 控制电路设计和频率计算 (16)
第三章软件设计 (18)
3.1 MC145152的控制和显示部分的设计 (18)
3.2 测频计的设计 (19)
3.3 TLC549的控制程序设计 (20)
3.4 液晶显示驱动的设计 (20)
第四章系统测试 (21)
4.1 测试使用的仪器 (21)
4.2指标测试和测试结果 (21)
4.2.1输出频率范围和稳定度的测试 (21)
4.2.2输出功率的测试 (21)
4.2.3 VCO可实现的功能 (21)
第五章结束语 (22)
第六章参考文献 (22)
附录 (22)
第一章系统设计
1.1总体设计方案
1.1.1 设计要求
1．基本要求
（1）载波的频率范围68Mhz～88Mhz；
（2）步进100Khz，随时可调；
（3）载波频率稳定度优于10-3；
（4）最大频偏：75Khz；
（5）频率响应：100hz～10Khz， ±6dB；
（6）失真度：100hz～10Khz，≤3%dB；
（7）信噪比：20lgS/N≥40dB；
（8）残波辐射：10lgP0/PN≥40dB；
（9）射频输出功率：100mW，负载50Ω；
（10）能显示载频频率和输出载波功率。
2．发挥部分：
（1）载波频率稳定度提高到10-5；
（2）加载立体声编码器；
（3）进一步提高残波辐射指标，优于50dB；
（4）进一步提高音质三大指标（即频率响应、失真度和信噪比）；
（5）其他（例如扩大载波的频率范围等）。
1.1.2 设计思路
按照题目的要求，主要设计一个FM调制器，使其输出68Mhz到88Mhz的频率信号。该设计的核心是数字频率合成技术，利用锁相环的原理，使VCO的频率锁定在参考频率的稳定度上。采用自动增益控制（AG C）电路使输出电压幅值稳定。控制和显示部分的设计采用单片机来完成。并且增加了立体声编码等功能，使该方案更加完善。
1.1.3方案论证与比较
1．压控振荡器的设计方案论证与选择
方案一：采用分立元件构成。利用低噪声场效应管J310作振荡管，用两对变容二极管直接接入振荡回路作为压控器件，电路属于电感三点式振荡器。图1.1.1为其简化电路图。该方法实现简单，但是调试困难，而且输出频率不易灵活控制。
图1.1.1 分立元件构成的VCO简化电路
方案二：采用压控振荡芯片MC1648和变容二极管MV209，外接一个LC谐振回路构成变容二极管压控振荡器。选取适当的电感，便可改变MC1648的输出频率。另外，MC1648内部有放大电路和自动增益控制，可以实现输出频率稳幅，射极跟随器有隔离作用，可减小负载对振荡器工作状态的影响。由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。图1.1.2 大规模压控振荡器电路（MC1648）
综上，拟定方案二利用压控振荡芯片MC1648和变容二极管MV209，外加一个LC并联谐振回路来设计压控振荡器。
2．频率合成器的设计方案论证与选择
频率合成是整机的核心，为了得到高度稳定的频率输出，并且输出频率可调，可以采用锁相环频率合成技术，输出频率稳定度与晶振的稳定度相当，达到10-5，频率步进可以为任意值。此技术采用单片机来实现控制。
方案一：模拟锁相环路法，通过环式的减法降频，将VCO的频率降低，与参考频率进行鉴相。优点是：可以得到任意小的频率间隔；鉴相器的工作频率不高，频率变化范围不大，比较好做，带内带外噪声和锁定时间易于处理。不需要昂贵的晶体滤波器。频率稳定度与参考晶振的频率稳定度相同。缺点是分辨率的提高要通过增加循环次数来实现，电路超小型化和集成化比较困难。
方案二：数字锁相环路法，如图1.1.3所示，通过数字逻辑电路把VCO（压控振荡）的频率降低到鉴相器的参考频率上，采用的是除法降频。除具有方案一的优点外，克服了方案一的缺点，还能与灵活方便的数字电路结合，做成数控可变分频，得到任意的频率，并且便于集成化，大大简化电路连线，缩短电路制作时间，降低整机体积。
综合考虑，本设计采用方案二。
图1.1.3数字锁相环频率合成原理
3．控制模块的设计方案论证与选择
方案一：采用单片机控制，其使用灵活方便，能较大限度的开发其自身资源，性价比高。
方案二：采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心。由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于进行功能扩展，特别是结合EDA（电子设计自动化），可以达到很高的效率。系统的多个部件如频率测量电路，键盘控制电路，显示控制等都可以集成到一块芯片上，大大减小了系统的体积，并且提高了系统的稳定性。
考虑到目前使用FPGA的成本较高，作为产品，选用方案一更合适。
4．测频模块的设计方案论证与选择
方案一：采用数字集成电路设计一个频率计来测量输出频率。该电路的设计中包括了放大整形电路、时基电路、逻辑控制电路、计数器、锁存器等，其组成框图如图1.1.4所示。其中放大整形电路可由晶体管3D G100与74LS00等组成；时基电路由555定时器构成的多谐振荡器产生；逻辑控制器由74LS123构成，产生高低电平控制锁存器和计数器的工作；计数器选用74LS90；锁存器选用74LS273；最后通过74LS48译码显示。虽然原理简单，实现比较容易，但是电路复杂，可靠性不高。
图1.1.4 数字集成频率计组成框图
方案二：采用单片机来实现测频功能。将压控振荡器的输出频率经过前置分频器MC12022进行高速分频后再经过74LS390进行固定分频，然后送入单片机测量，并实时送入液晶显示器显示测得的频率。由于MC1 2022可对输入正弦波整形，所以不需外加整形电路，这样硬件电路十分简单，只利用软件编程便可实现一系列的功能。集成于一块芯片上，可靠性高，准确性好，且容易实现。
图1.1.5 采用单片机实现的频率计组成框图
综上，拟定方案二用单片机实现输出频率的测量。
5. 功率放大电路方案选择与论证
方案一：采用电子管作为高频功放的电子器件。就高频大功率而言，电子管在输出功率和最高工作频率方面仍占优势。
方案二：采用晶体管作为高频功放的电子器件。晶体管具有体积小、重量轻、耗电省、使用寿命长等优点，但其内部物理过程比电子管复杂得多，且其高频功放工作状态的计算十分困难，通常只进行定性的分析与估算，再依靠实验调整到预期的状态。
结合本设计实际需要考虑，决定采用方案二。
6．立体声编码模块的设计方案论证与选择
方案一：采用分立元件组成立体声编码模块。利用该方法实现比较简单，但外围电路复杂，调试麻烦，而且可靠性不高。
方案二：采用调频立体声发射芯片BA1404。它是将立体声调制、FM调制和RF放大功能集成在一个芯片上制成的。弥补了过去用分立元件来设计调频电路的不足，而且具有立体声调制的功能。仅用很少的外围元件就可得到优美的立体声调频信号。
综上，拟定方案二设计立体声编码器。
7．显示方式选择
方案一：采用LED数码管显示。该方案只能显示有限的符号和数码字，而且功耗大。而本设计中要求显示的内容丰富，不适应利用该方法。
方案二：采用字符型LCD显示。可以显示英文及数字，质量轻，耗电小，显示内容多。
综上，拟定方案二采用LCD实时显示载频频率。
8. 电源方案选择与论证
单片机的工作需要稳定的＋5V直流电压，运放和三极管则需要＋12V直流电压，所以需对市电进行变压、整流、滤波、稳压，为系统提供这两种直流电压。
方案一：采用变压器将220V交流电变换为20V交流电，再进行全波整流、滤波，最后用三端稳压管7812和7805进行稳压，可分别得到＋12V，＋5V。
方案二：采用电源模块得到20V直流电压输出，再通过三端稳压集成芯片进行稳压，得到两种输出电压。方案一简单易行，且成本低，试验阶段我们采用方案一。
1.1.4系统组成
经过一系列的方案比较与论证，最终确定的系统组成框图如图1.1.6所示。由MC145152、MC1648系列集成电路组成数字锁相频率合成器；采用变容二极管MV209调频。用户可使用简易的按键，通过单片机A T89C52控制发射频率，监测发射频率，同时液晶显示器向用户反馈信息。另外，可使用串行接口实现单片机与计算机通信，从而可在计算机上操作发射机，并实现智能化。音源不仅可以从麦克风、卡带机、CD
机等接入，还可通过计算机接入，从而大大扩展了音源媒体，甚至可使用网络资源。功率放大部分则可根据实际需要，接入后续功放。
图1.1.6 系统组成框图
第二章单元电路设计
2.1 压控振荡器与调频电路设计
压控振荡器是频率合成电路的关键部分，采用集成的VCO芯片MC1648，其工作电压5V，输出频率最高可达225MHz，输出频谱纯度高。结合由一个由变容二极管MV209（由于条件限制，采用了变容二极管M V2109进行替代，但其工作原理是一样的，只是参数有点不同。下面仍以MV209为例进行说明[B1]）和电感组成的并联LC谐振槽路，振荡频率将受变容二极管的偏置电压控制。图2.1.1为压控振荡电路图。
图2.1. 1 压控振荡器谐振回路
由图可见，两个变容二极管是背靠背连接的，其特点是：对于直流和调制信号而言，它们相当于并联，所处的偏置点和受调制状态一样，如图2.1.2 (a) 所示；而对于高频信号而言，它们相当于串联，使得每个变容二极管两端的电压幅度下降了一半，这就减弱了高频电压的作用，其等效电路如图 2.1.2 (b) 所示。
图 2. 1.2 背靠背变容二极管等效电路图
变容二极管是同极性端对接的，这使得它们对于高频电压的相位刚好相反，可防止高频电压幅度过大时，变容二极管导通对谐振回路的影响。在单个变容二极管电路中，出现这种现象将导致回路Q值大大下降，此外，还会削弱高频振荡电压的谐振成分。因为变容二极管是非线性器件，高频信号的输入必然产生谐波分量（不是调制信号的谐波），可能引起交叉调制干扰。对接之后，两二极管的高频信号反相，可抵消部分谐波成分。
集成压控振荡器芯片MC1648，其工作电压5V，工作频率1.0MHz~150MHz，其槽路由变容二极管和电感并联组成，通过改变变容二极管的反偏电压来改变振荡频率。如图2.1.2所示：VD5与VD7 、VD6与VD 8分别串联后再并联，其等效的容量，因此，在两对变容二极管的偏置电压相同的情况下，MC1648的输出频率可由下式计算：
（式2－1）。
其中，，C0为场效应管输入电容，L为电感量。
C VD的大小受所加偏置电压U控制，它们之间的关系可由图2.1.3所示电路测出。方法为：从扫频仪输入0～300MHz的扫频信号，同时用扫频仪检测该电路的谐振频率。调节电位器R3使变容二极管的偏压以0.5V 为间隔从1V～10V变化，从扫频仪观测电路的谐振点频率并记录下来。根据式2－1，利用Matlab计算出频率与容量的关系，进而得到偏置电压与容量关系曲线，如图2.1.4所示
图2.1.3 电容特性测量电路
图2.1.4 变容二极管特性曲线
从C VD/U曲线上易见，偏置电压取值3.5V～7.5V时，C VD的变化近似线性，从25 pF～18 pF。又f o的范围为：68MHz～88MHz，根据式（2－1），有：
L＝
取C VDmax＝25pF，f o＝68MHz，得L＝0.22μH
取C VDmax＝18pF，f o＝88MHz，得L＝0.18μH
因此，取L＝0.18μH可满足要求。
以上是对MV209说的。对于MV2109，它的参数有些不同。它的可调范围很窄，只能实现29.5pF～38pF。因而能调出来的范围比较窄。对于68MHz～88MHz的高频信号而言，利用上述公式计算得出C VDmax＝38 pF，f o＝68MHz，得L=0.15μH
C VDmax＝29pF，f o＝88MHz，得L=0.13μH
因而理论上取L=0.13μH即可满足要求。
[B2] MC1648内部含有放大电路和自动增益控制电路，可以稳定输出频率的幅度。该电路外围元器件少，调试方便。其内部电路如图2.1. 5所示。
图2.1.5 MC1648内部电路图
MC1648的第10脚输出一个约1.5V的稳定电压，可作为变容二极管的一个偏压。谐振槽路从10脚和12
脚接入，与内部的Q7，Q4，Q5，D1，Q8组成一个移相720°的正反馈正弦振荡电路，Q6的基极连接Q7的集电极，也形成正反馈。另外，MC1648内部有放大电路和自动增益控制电路（D1，Q8，Q6，Q7），可以稳定输出频率的幅度，输出信号经AGC电路采样后从5脚接入。当振荡幅度增大时，Q8的基极电压增大，集电极电流增大，Q7的U be减小从而放大倍数减小，输出幅度将减小；反之，如果振荡幅度减小，则恒流源Q8的电流减小，Q6、Q7的放大倍数将增大，输出幅度也因此增大。Q3，Q2和射极跟随器Q1
为输出缓冲级，有隔离作用，可减小负载对振荡器工作状态的影响。
从变容二极管的特性知道，其容量是其偏压的函数，并且在一定范围内近似线性，因此该槽路还可作调频调制用，即将调制信号叠加到变容二极管的偏置端上，调制信号的变化必然引起变容二极管容量的变化，从而必将引起振荡频率的变化，即实现了调频。为了使产品的稳定性更佳，在此多加一对变容二极管专门作为调频用。
2.2锁相环式频率合成器的设计
频率合成器的控制由单片机来实现，电路如图2.2.1所示。由式f o＝（PN＋A）f r知道，输出频率可由A和N来控制，A和N的值分别从P2.2～P2.7（6位）和P0口（8位）向MC145152发送。本来发送N值需要10位数据线，但因为在f o＝68MHz～88MHz频段，如果采用参考频率f r＝10kHz，根据式f o＝（PN＋A）f 计算，可以得到N值最高两位（N9，N8）恒为0，故可省去两个单片机的输出口，而将MC145152的N9，r
N8两脚直接接地。
图2.2.1频率合成控制电路
锁相环的基本原理框图如图2.2.2所示。锁相环路主要由晶振、参考分频器、压控振荡器（VCO）、鉴频/鉴相器（FD/PD）、低通滤波器（LPF）、可编程分频器组成。它是应用数字逻辑电路将VCO频率一次或多次降低至鉴相器频率上，再与参考频率在鉴相电路中进行比较，通过低通滤波器取出误差信号来控制V CO的频率，使之锁定在参考频率的稳定度上。由于采用了大规模集成电路块MC145152，将图中的晶振、参考分频器、鉴频鉴相器、可编程分频器都集成在一个芯片中，不需要再单独设计。同时利用单片机来控制MC145152，确定分频系数A、N和发射频率的对应关系。下面将分别介绍各部分的功能。
图2.2.2 锁相环基本原理框图
2.2.1 PLL频率合成电路设计
锁相环频率合成器是以大规模集成PLL芯片MC145152为核心设计的。MC145152是MOTOROLA公司生产的大规模集成电路，它是一块采用并行码输入方式置定、由14根并行输入数据编程的双模CMOS－LSI 锁相环频率合成器。图2.2.3为其内部组成框图。MC145152内含参考频率振荡器、可供用户选择的参考分频器(12×8 ROM参考译码器和12bit÷R计数器)、双端输出的鉴相器、控制逻辑、10位可编程的10bit÷N计数器、6位可编程的6bit÷A计数器和锁定检测等部分。其中，10bit÷N计数器、6bit÷A计数器、模拟控制逻辑和外接双模前置分频器组成吞脉冲程序分频器。整个过程中输入的脉冲数共有Q＝A（P＋1）+(N-A)
P=PN+A，即吞脉冲程序分频器的总分频比为：D=PN+A。（A的范围0～63，N的范围0～1023）。由此可以计算出频率和A、N值的对应关系，利用单片机控制器改变其值，便可达到改变输出频率的目的。
图2.2.3 MC145152内部结构图
参考分频器是为了得到所需的频率间隔而设定的。频率合成器的输出频谱是不连续的，两个相邻频率之间的最小间隔就是频率间隔。在MC145152中，外部稳定参考源由OSC in输入，经12位分频将输入频率÷R，然后送入FD/PD中。R值由R A0、R A1、R A2设定，如表2.2.1所示。例如，当R A0R A1R A2＝101时，R＝102 4，即对晶振频率进行1024分频。
表2.2.1 MC145152参考分频器分频系数选择表
R A20 0 0 0 1 1 1 1
R A10 0 1 1 0 0 1 1
R A00 1 0 1 0 1 0 1
R 8 64 128 256 512 1024 1160 2048
鉴相器的作用实际上相当于一个模拟乘法器。鉴相器将参考分频器出来的很稳定的步长信号和压控振荡器产生的频率经可编程分频之后得到的不稳定的频率信号进行比较，输出为两者之间的相位差。低通滤波器将其中的高频分量滤掉。
2.2.2 前置分频器
由于发射机的频率高达68MHz以上，MC145152的电路无法对其直接分频，必须先用ECL电路的高速分频器进行预分频，把频率降低，然后由MC145152继续分频，得到一个参考频率相等的频率，并进行鉴相。为使分频系数连续可调，可编程分频电路采用的是吞咽脉冲计数法，如图2.2.4所示。它由ECL（非饱和型逻辑电路）的高速分频器MC12022及MC145152内部的÷A减法计数器，÷N减法计数器构成。
(a)P/P+1前置分频器方框图(b)吞咽脉冲计数示意图
图2.2.4 吞咽式脉冲计数原理图
MC12022有64和65两种分频系数。M为其控制端（从MC145152的9脚输出，输入MC12022的6脚）。M为高电平时，MC12022以P＋1＝65为分频系数，M为低电平时则以P＝64为分频系数。÷N 和÷A是可预置数的减法计数器，由并行输入口分别预置6位的A值和10位的N值。PD为数字鉴相器。f o为压控振的输出频率（即发射频率）。
吞咽脉冲计数器开始计数时，M的初值为1，÷A和÷N两个计数器被置入预置数并同时计数，当计到A（P +1）个输入脉冲（f o）时，÷A计数器计完A个预置数，M变为0；此时÷A计数器被控制信号关闭，停止计数；而÷N计数器中还有N－A个数，它继续计（N－A）P个输入脉冲后，输出一个脉冲到鉴相器PD。此时一个工作周期结束，Ａ和N值被重新写入两个减法计数器，M又变为1，接着重复以上过程。整个过程中输入的脉冲数共有Q＝A（P＋1）+(N-A)P=PN+A，也就是说，该吞咽脉冲计数器的总分频系数为PN +A。
可见，采用吞咽脉冲计数方式，只要适当选取N值与A值，就能得到任意的分频比。为实现锁相，必须有f o/（PN+A）= f r。反过来，由于f o＝f r×（PN+A），改变N和A的值，也能改变f o，这就是输出频率数字化控制的原理。
÷A计数器为8位，因此A值最大为63，MC12022的P值为64。如果参考频率f r＝10kHz，则输出频率f o ＝（PN＋A）f r＝（64N＋A）×10kHz。
例如，要使发射频率为78MHz：
先令A＝0，则N＝(f o/ f r-A）/P=（78×106/10×103）/64=121.875，
取N ＝121＝1111001B，
进而A＝(f o/ f r)-PN=（78×106/10×103）－64×121＝56＝111000B。
以此类推，需要得到某个输出频率时，利用单片机计算得到N和A的值，分别送至MC145152的N9～N0和A5～A0口，这就实现了对发射频率的控制。
2.2.3 鉴相
模拟鉴相器对输入其中的两个信号进行相位比较，一个是由稳定度很高的标准晶振经过分频得到的，另一个是由压控振输出频率经分频反馈回来的，这两个信号通过鉴相器，也就是经过一个模拟乘法器后得到一个相位误差信号。设两个输入信号分别为：
其中，，将两个信号相乘得到：
再经过一个低通滤波器，取出其中的误差信号，滤去其高频成分，将其直流成分用来调整压控振的输出频率。
本设计采用的鉴相器集成在MC145152中，它是一种新型数字式鉴频/鉴相集成电路，具有鉴频和鉴相功能，不需要辅助捕捉电路就能实现宽带捕捉和保持。数字鉴相器有如下特性：
设R为参考频率信号，V为压控振分频信号，f、g为数字鉴相器两个输出信号。根据R和V的不同可以分四种情况，如图2.2.5所示。
图2.2.5 数字鉴相器输入输出关系
（1）f R （2）f R>f V时，f端输出负脉冲，g端输出恒为高电平。 以上两种情况下数字鉴相器实际工作在鉴频模式下，两个频率相差越大，输出的负脉冲宽度越大。 （3）f R＝f V，R的相位超前V时，f端输出负脉冲，g端输出恒为高电平。设 θe为负脉冲的宽度，V m为脉冲幅度。 （4）f R＝f V，R的相位滞后V时，f端输出恒为高电平，g端输出负脉冲。 以上两种情况中，鉴相器输出的负脉冲宽度随着R和V之间的相位差θ变化而变化，θ越大，输出的负脉冲宽度越大。 根据数字鉴相器的这种特性，在其后加一级差分放大器，取出f和g电压的差信号V g－V f，再通过积分取出其中的有效电压，此电压就反映了f R和f V之间的关系。环路滤波器前级的有源网络就起到这个作用。2.2.4 环路滤波器 环路滤波器的作用是取出鉴相器输出的误差信号中的直流成分，以用于调节压控振荡器的输出频率。同时，压控振荡器还有调频的作用，调频使得输出频率随调制信号产生偏移。因此，锁相和调频是相互矛盾的：锁相的目的是使输出频率稳定，而调频则要求输出频率随着调制信号的变化而变化。环路滤波器正是解决这一矛盾的关键。由于振荡器中心频率不稳主要由温度、湿度、直流电源等外界因素引起，其变化是缓慢的；而音频调制信号幅度的变化相对来说是一种快变化。因此，将环路滤波器的通带上限频率限制在几Hz 内，只有慢变化因素引起的误差信号可以通过，而调制信号引起频偏时，它产生的误差信号被滤除，不作用于锁相环，这样就既可以保证中心频率的稳定度，又不影响调频。根据式2-2可计算出低通滤波器的截止频率f0，一般情况下该截止频率值小于10Hz。 （2-2） MC145152中的鉴相器输出的两个误差信号分别是一个与参考频率同频的方波信号和一个固定电平。为取出其直流成分，可以先用一级有源积分网络将方波信号转化为直流，此直流中含有较多交流成分，再用一级无源低通网络滤除，然后加到压控振荡器上。 环路滤波器电路如图2.2.6所示。有源积分网络由运算放大器LM358和一些阻容元件组成。无源低通网络的参数则是利用Matlab进行计算、仿真后得到的，仿真结果如图2.2.7 所示。 图2.2.6 滤波电路图 图2.2.7 低通滤波器频率特性曲 2.2.5 电源电路 本机需使用两种电压，＋5V和＋12V，采用三端稳压集成7805和7812稳压，如图2.2.8所示。在此之前则使用现成的电源得到15V电压，该电源的原理是：先将220V交流市电通过变压器降压，再经整流，滤波得到＋15V直流电。由于单独制作这样的电源成本较高且性能指标的提高难度较大，所以试验阶段采用市面上现成的高性能变压器电源。 图2.2.8 三端集成稳压管稳压电路 2.3 功率放大电路的设计 发射机的功率决定了其所能覆盖的范围，发射功率越大，信号覆盖的半径越大，MC1648输出的幅度只有1 00mV左右，必须在其后加多级功率放大器以提高输出级的带负载能力，增大其发射功率。初级功放由于放大的是小信号，只能工作在甲类，选用低噪声高频功放三极管9018，电路如图2.2.9所示。 图2.2.9 功率放大电路图 基极馈电电位设置在0.8V，集电极采用高频扼流圈L2和电容C17馈入+12V直流，电感对高频信号呈高阻抗，对直流短路，这样来自电源或外界的干扰信号就不会加到三极管的集电极上，输出的噪声就减小了。射极采用自偏压方式，接R22到地，C24为旁路电容，滤除高频成分对放大器的影响。R22必须选得比较小，否则发射极电位太高导致基射极偏压小于0.7V，三极管无放大作用。初级功放的输入输出均使用电容耦合形式。（由于没有晶体滤波器，我们没有在此处使用滤波[B3]） 为了使功率最大限度输出，必须使输出阻抗与负载阻抗匹配。可以证明，当输出阻抗与负载阻抗相等时，输出功率最大。传输线变压器可以用来作阻抗变换，它采用高频磁心与漆包线绕制。例如一个4：1的传输线变压器绕法为：取长短相同的两段漆包线并排，按同一绕向绕在高频磁心上，取其中第一根线的头作为输入端，第二根线的尾接地，剩下的两头（即第一根线的尾和第二根线的头）相接作为输出。 2.4 立体声编码器的设计 双声道立体声传声系统，比起单声道系统来，无论在音质的改善还是临场感的增强方面都有极大的飞跃。本设计采用调频立体声发射芯片BA1404。BA1404是为数不多的调频发射集成电路之一，它集成度高，将立体声调制、FM调制和射频放大电路集成在一个芯片上；需要的外围元件少；工作可靠；电源电压适应范围宽，低至1.5V时仍能正常工作。BA1404最突出的特点是主振与放大输出电路隔离得非常好，输出电路对主振频率几乎没有影响。 图2.4.1为BA1404的结构框图。它主要由前置音频放大器(AMP)，立体声调制器(MPX)，FM调制器及射频放大器组成。表2.4.1为BA1404的引脚功能。 应用电路如图2.4.2所示： 图2.4.2 立体声编码电路图 对于立体声编码这一块，我们已经做好PCB，也试做了一次，但效果不好。后来由于时间的限制以及双面板的缘故，还有几个电阻没有，我们最终没有做这一部分。[B4] 2.5 输出功率测量的设计 该电路由一个二极管2AP30和一个电容构成。其原理如图2.5.1所示。输入电压加到该电路中，正半周时二极管导通，对电容充电，对应一个电压值；负半周时二极管截止，电容放电。因充电时间小，而放电时间常数很大，故运放输入端加进的是一个脉动直流源。经直流放大器后，输出一个大约几伏的直流电压U0。然后将输出电压经AD转换后送入单片机就可以直接测得输出电压值。由于负载为50Ω已知，故可由公式P=U2\R计算出输出功率，并利用程序控制其显示。 图2.5.1 功率测量原理 此方法经上一届电子设计竞赛参赛者证明是可行的。我们本打算用此电路进行功率的测量，但因为时间的缘故，同时我们想尽快做出来，最后我们只是在理论上分析了一下。[B5] 2.6 控制电路设计和频率计算 控制电路的作用是有：响应按键输入，控制液晶显示，计算并向MC145152输出控制信号以及监测发射频率。核心是使用单片机AT89C52，单片机使用11.0592MHz晶振，从X1，X2口接入，晶振的两个引脚分别接30pF的负载电容到地。控制电路如图2.6.1所示。 图2.6.1 基于AT89C52的控制电路 测频可利用单片机来完成。测频原理如图2.6.2所示。单片机内部有两个计时/计数器，一个用来计时，产生一个标准的时基闸门信号，一个用来计数，计下闸门时间内输入的脉冲个数，然后经换算得到实际输入的频率。 图2.6.2 单片机测频原理 与MC145152类似，单片机同样无法对高达68MHz的频率直接进行测量，必须先对发射频率进行预分频，降到单片机能够承受的频率，并转换成为通用TTL电平。再接入测频接口，所测结果采用液晶显示。MC1 2022的输出频率至少为68MHz/65＝1.05MHz，高于单片机的测频上限，还无法直接利用，因此再接一个分频比为100的分频器，采用价格较低的74HC390，它为双十进制计数器。 VCO输出频率的范围是68～88MHz。首先应确定参考频率f r,，f r为步长（频率间隔）的整数倍。频率间隔fr’ 可由式2.3确定。 (2.3) 由于R值是固定的，只能从8个参考值中选择，采用10.2400MHz的晶振作为标准频率。对其进行÷R分频。R取2048，进行分频得到5kHz的脉冲信号作为频率间隔fr’。该值可通过单片机改变。 由f r 确定的N值和A值的范围应该在MC145152范围内（A的范围0～63，N的范围0～1023），并且必须满足N＞A。采用吞咽脉冲计数的方式，式2.4为总分频比。只要N＞A，尽管P为固定值，但合理选择N和A的值，∑即可连续。 (2.4) 此时f c 被锁定在： (2.5) 其中N为0～1023；A为0～63；P=64(由MC12022确定)。 现举例计算确定A、N的值，使输出频率为f c=5MHz，步长fr’ = 5KHz (前面已经给出计算过程)。由式2. 5计算可得（PN+A）=5M÷5K=1000，1000÷64=15.625。由此可得，N=15,A=0.625×64=40。通过此方法可以方便的算出每个频率对应的参数。 第三章软件设计 软件设计的关键是对PLL芯片MC145152的控制以及测频显示。软件实现的功能是： ①设定频率间隔f r ÷R，即确定调频步进； ②设定分频系数A、N的值，以得到需要的输出频率； ③测量输出频率并显示； ④控制TLC549的工作； ⑤驱动液晶显示器； 3.1 MC145152的控制和显示部分的程序设计 图3.1.1为软件设计流程图。选用晶振频率为10.2400MHz，首先确定其频率间隔，对其进行÷R分频，若R 取2048，得到频率间隔为5kHz。这样改变计数方法，可以使调频步进分别为5kHz，100kHz和500kHz。分为三个档，若选择的档位不同，A、N值的计算可由前述的公式来完成，但是在编程过程中并不是将该算法存入程序，而是寻找到A、N的变化规律，找到简单的计算方法。表3-1为步进不同时分别对应的A、 N值，限于篇幅，只取其中一部分，通过观察可发现其变化规律。频率范围为68～88MHz。图3.1.1为参数计算的流程图。当步进分别为5kHz、100kHz、500kHz时，A的值分别增加1、20和36，由于A值的范围是0～63，而且必须满足N>A的条件，所以当A值大于63时，A值变为A－64。图3.1.1为软件设计流程图。其中的参数计算规律在图3.1.2所示的参数计算流程图中列出。在程序设计中，不需要将每个变化都存入单片机，而是使用一个变量fa，其值分别对应不同的步进取值为1、20或36，选择档位不同，fa就取相应的值即可。这样节省了系统资源，可根据设定频率确定A、N值并送到MC145152中。程序详见附录。 表3-1 频率间隔为5KHz，100KHz，500KHz时对应的A、N值例表（部分） 5KHz A值N值100KHz A值N值500KHz A值N值 70.0 48 218 70.1 4 219 70.5 20 220 70.005 49 218 70.2 24 219 71.0 56 221 70.01 50 218 70.3 44 219 71.5 28 223 70.015 51 218 70.4 0 220 72.0 0 225 70.02 52 218 70.5 20 220 72.5 36 226 70.025 53 218 70.6 40 220 73.0 8 228 70.03 54 218 70.7 60 220 73.5 44 229 70.035 55 218 70.8 16 221 74.0 16 231 70.04 56 218 70.9 36 221 74.5 52 232 70.045 57 218 71.0 56 221 75.0 24 234 70.05 58 218 71.1 12 222 75.5 60 235 图3.1.1 软件设计流程图 图3.1.2 参数计算流程图 3.2频率测量部分的程序设计 频率测量是对设定的输出频率进行实时测定并显示。编程用C语言来实现。该程序包括4个模块：分频器、测频控制器、计数器和锁存器。最终将测得的数据锁存后送到液晶显示出来。图3.2.1为其原理框图。利用计数器对被测频率脉冲计数，当时钟周期为1S时测得的脉冲个数即为所测频率。由于采用的实验小板的晶振是12MHz，首先对其分频，得到一个1KHz的时钟信号作为测频控制器的时钟信号。而测频控制器是为了完成自动测频而设计的。它控制计数器的工作，使其计数周期为1S,1S之后就停止计数，将此时的计数值送入锁存器锁存，同时对计数器清零，开始下一个周期的计数，该计数值就是测得的频率。程序详见附录。 3.2.1 频率测量原理框图 3.3 TLC549的控制程序设计 此控制程序设计主要是对TLC549的工作时序进行控制。TLC549是8位MOS型A/D转换器，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间很短，为17us。其引脚如下图所示。 图3.3.1 TLC549的引脚图 其工作时序图如下： 图3.3.2 TL549时序图 3.4 液晶显示驱动的程序设计 1）MDLS字符型液晶显示模块的时序图 MDLS字符型液晶显示模块的写操作时序图如图3.4.1所示。 图3.4.1 MDLS字符型液晶显示模块的写操作时序图 从图3.4.1的时序图可以看到数据写入的条件：寄存器Rs为高电平，读/写标志R/W为低电平，建立地址，接下来使能信号E为高电平，数据被写入，当使能端E为下降沿的时候数据被完全建立。从地址的建立、保持到数据的建立、保持的结束，整个过程需要的时间至少为355ns。 2）液晶显示驱动子程序 本机使用点阵式液晶显示模块，它是由横向与纵向交错的点阵组成的，可显示字符，数字等。模块内部有显示存储器，存储器的每一个单元对应显示屏上的每一个点，储存单元是1还是0决定了该点是亮还是灭。显示驱动程序的作用就是把要显示的内容转换成ASCII码，送到显示存储器中。程序详见附录。 第四章系统测试 4.1 测试使用的仪器（略） 4.2 指标测试和测试结果 4.2.1 输出频率范围和稳定度的测试 式4-1为频率稳定度的计算公式。同时测量最小和最大的输出频率，看该频率能稳定在哪个范围之类。 （4-1） 其中A为频率稳定度，f1为实测频率，f0为标称频率。. 理论上采用MV209应该有较大的可调范围。但采用了MV2109，经过实测，只锁住了4个频率，信号比较清晰。在90到92及97到100MHz也能收到，但无法锁住频率。 [B6] 4.2.2 电压峰-峰值的测试 用示波器来测量输出电压峰-峰值并计算其精度。 振荡频率（MHz）92 93 95 96 V p-p（V）0．108 0．112 0．113 0．109 其平均值为0.1105V，精度为（0.1105－0.1）/0.1*100%=10.5%. 4.2.3 输出功率的测试 首先调节LC振荡器，使其输出为92MHz的正弦信号，使用+12V的单直流电源为功率放大器供电，接一个50Ω的纯电阻作为负载，用数字万用表测出该电阻两端电压值Um，按照式4-2便可计算出输出功率。 （4-2） 表4-2-3 功率测量数据表 测量次数 1 2 3 4 5 6 平均值 电压Um（V）0．041 0．045 0．048 0．042 0．044 0．038 0．0447 功率（uW）4．20 5．06 5．76 4．44 4．84 3．61 4．652 经过实测，我们的功率只有这么大，但用接收机能在十几米远处接收到信号，且信号比较清晰。如再接丙类功放会有更好的效果，距离也可达到更远。 第五章结束语 通过一段时间的设计与制作以及反复的调试与改进，智能控制调频广播发射机的基本部分制作完成，实现了频率自动跟踪锁定，中心频率稳定度达要求，发射频率可数字化控制，调频发射工作正常。性能指标达到较高水平，输出信噪比大于40dB，残波抑制比大于40dB，初级发射功率理论可上百毫瓦，但实测很低，只有5uW左右。本机电路采用的器件为插件式器件，这类器件体积较大，引脚较长，在高频电路中容易产生分布参数，给电路性能带来不良的影响。如果使用贴片式元器件，可以减小分布参数的影响，大大缩小系统体积，不过也增加了制作难度。 第六章参考文献 1．高吉祥主编.高频电子线路【M】.北京：电子工业出版社.2003年. 2．高吉祥.电子技术基础实验与课程设计【M】.北京：电子工业出版社.2002年. 3．高吉祥.数字电子电路.【M】.北京：电子工业出版社.2003年. 4．高吉祥.模拟电子电路.【M】.北京：电子工业出版社.2003年. 5．王建校、杨建国、宁改娣等.51系列单片机及C51程序设计【M】北京：科学出版社.2002年. 6．杨忠煌、黄博俊、李文昌.单芯片8051实务与应用【M】.北京：中国水利水电出版社.2001年. 7．马忠梅、马岩、张凯等.单片机的C语言应用程序设计【M】.北京：北京航空航天大学出版社.1997年. 8．马忠梅、马岩、张凯、马岩. 单片机的C语言应用程序设计（第3版）【M】. 北京：北京航空航天大学出版社.2003年. 9．周立功等.单片机基础实验指导书【M】.广州：广州周立功单片机发展有限公司.2003年. 10. A.J.Viterbi: ”Acquisition and Tracking Behavior of Phase-Locked Loops”, JPL External Publication No. 673, July 14, 1999. 11. 潘永雄、沙河、刘向阳，电子线路CAD使用教程【M】.西安：西安电子科技大学出版 社 12．陈邦媛.射频通信电路【M】北京：科学出版社.2002年. 13．李广弟、朱月秀、王秀山.单片机基础. 【M】. 北京：北京航空航天大学出版社.2001年. 第七章附录 7.1 程序清单 /*------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/ /************头文件声明***********************/ #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long /******************液晶使能信号输入端及寄存器选择操作预定义******************/ #define LCD_RS T0 #define LCD_E INT0 /***************可位寻址特殊功能寄存器名定义******************/ sbit P2_0=P2^0; sbit P2_1=P2^1; sbit ACC0=ACC^0; sbit ACC1=ACC^1; sbit ACC2=ACC^2; sbit ACC3=ACC^3; sbit ACC4=ACC^4; sbit ACC5=ACC^5; sbit ACC6=ACC^6; sbit ACC7=ACC^7; /*************** 位及变量定义*****************/ bit temp,key1_save,key2_save,key3_save,key4_save,keyon,keyoff; uchar state,cursor_shift; uchar cursor[5]={0,9,3,0,0}; uint t0count; uint A_data,N_data; uchar data_com,data_show; uchar dat1,dat2,dat3,dat4,dat5; uchar order[4]={0x38,0x01,0x06,0x0C}; uchar code data1[22]={0x4e,0x61,0x6e,0x68,0x75,0x61,0x55,0x6e,0x69,0x76,0x65, 0x72,0x73,0x69,0x74,0x79,0x53,0x65,0x74,0x46,0x4d,0x3a}; uchar code data2[22]={0x4e,0x61,0x6e,0x68,0x75,0x61,0x55,0x6e,0x69,0x76,0x65, 0x72,0x73,0x69,0x74,0x79,0x52,0x75,0x6e,0x46,0x4d,0x3a}; uchar i=0; ulong FMdata,count_fm,temp1,FM_temp; ulong k; /****************函数声明******************/ get_A_N_data(long FMdata); lcd_set_display(dat1,dat2,dat3,dat4,dat5,cursor_shift); lcd_run_display(dat1,dat2,dat3,dat4,dat5); /****************延时子程序*****************/ void delay(uint v) {while(v!=0)v--;} /****************读键盘子程序*********************/ read_key() {keyon=0; if(WR==0) {key1_save=1;keyon=1;} if(RD==0) {key2_save=1;keyon=1;} if(P2_1==0) {key3_save=1;keyon=1;} if(P2_0==0) {key4_save=1;keyon=1;} if(keyon==1) {keyoff=1;}} /***************键盘处理子程序***************/ key_process() {while(keyoff) {delay(100); read_key(); if(keyon==0) {keyoff=0; if(key1_save==1) {state=state+1; if(state>=2) {state=0;} key1_save=0;} if(key2_save==1&&state==0) {cursor_shift=cursor_shift+1; if(cursor_shift>=12) {cursor_shift=6;} key2_save=0;} if(key3_save==1&&state==0) {switch(cursor_shift) {case 6: cursor[0]=cursor[0]+1; if(cursor[0]==2) cursor[0]=0; break; case 7: cursor[1]=cursor[1]+1; if(cursor[1]==10) cursor[1]=0; break; case 8: cursor[2]=cursor[2]+1; if(cursor[2]==10) cursor[2]=0; break; case 10: cursor[3]=cursor[3]+1; if(cursor[3]==10) cursor[3]=0; break; case 11: cursor[4]=cursor[4]+1; if(cursor[4]==10) cursor[4]=0; break;} key3_save=0;} if(key4_save==1&&state==0) {switch(cursor_shift) { case 6: if(cursor[0]>0) {cursor[0]=cursor[0]-1;} else cursor[0]=1; break; case 7: if(cursor[1]>0) {cursor[1]=cursor[1]-1;} else cursor[1]=9; break; case 8: if(cursor[2]>0) {cursor[2]=cursor[2]-1;} else cursor[2]=9; break; case 10: if(cursor[3]>0) {cursor[3]=cursor[3]-1;} else cursor[3]=9; break; case 11: if(cursor[4]>0) {cursor[4]=cursor[4]-1;} else cursor[4]=9; break; } key4_save=0;} if(state==0) {lcd_set_display(cursor[0],cursor[1],cursor[2],cursor[3],cursor[4],cursor_shift);}} FMdata=cursor[0]*10000+cursor[1]*1000+cursor[2]*100+cursor[3]*10+cursor[4]+2;}} /***************A、N输出数据生成及输出程序********************/ get_A_N_data(long FMdata) { N_data=FMdata/64; A_data=FMdata%64; ACC=N_data; P0=ACC; ACC=0; ACC=A_data; temp=ACC7; ACC7=ACC0; ACC0=temp; temp=ACC6; ACC6=ACC1; ACC1=temp; temp=ACC5; ACC5=ACC2; ACC2=temp; temp=ACC4; ACC4=ACC3; ACC3=temp; P2=ACC; P2_1=1; P2_0=1;} /**************液晶写指令程序*****************/ write_com(uchar data_com) {LCD_RS=0; LCD_E=1; P1=data_com; delay(500); LCD_E=0;} /**************液晶写数据程序****************/ write_data(uchar data_show) {LCD_RS=1; LCD_E=1; P1=data_show; delay(500); LCD_E=0;} /***************液晶初始化程序*****************/ initial_lcd(void) {write_com(order[0]); write_com(order[1]); write_com(order[2]); write_com(order[3]);} /***************频率设置状态下液晶显示程序*************/ lcd_set_display(dat1,dat2,dat3,dat4,dat5,cursor_shift) { write_com(0x0D); write_com(0x80); for(i=0;i<16;i++) write_data(data1[i]); write_com(0xc0); for(i=16;i<22;i++) write_data(data1[i]); write_data(dat1+0x30); write_data(dat2+0x30); write_data(dat3+0x30); write_data(0x2E); write_data(dat4+0x30); write_data(dat5+0x30); write_data(0x4D); write_data(0x48); write_data(0x7A); write_com(0xC0+cursor_shift);} /****************运行状态下频率显示程序***************/ lcd_run_display(dat1,dat2,dat3,dat4,dat5) { write_com(0x80); for(i=0;i<16;i++) write_data(data2[i]); write_com(0xc0); for(i=16;i<22;i++) write_data(data2[i]); write_data(dat1+0x30); write_data(dat2+0x30); write_data(dat3+0x30); write_data(0x2E); write_data(dat4+0x30); write_data(dat5+0x30); write_data(0x4D); write_data(0x48); write_data(0x7A); } /*************************主函数****************************/ main() {delay(2560); TMOD=0x51; TH0=0x4b; /* 定时器初值预置*/ TL0=0xff; SCON=0x70; TH1=0; TL1=0; t0count=0; EA=1; ET0=1; TR0=1; PT0=1; ET1=1; TR1=1; initial_lcd(); FMdata=9302; FM_temp=9302; key1_save=0; key2_save=0; key3_save=0; key4_save=0; dat1=0x30+1; dat2=0x30; dat3=0x30+5; dat4=0x30+3; dat5=0x30+2; keyon=0; cursor_shift=6; state=1; get_A_N_data(FMdata); k=416*N_data; k=k/(65*N_data-A_data); while(1) {P2_0=1; P2_1=1; RD=1; WR=1; read_key(); key_process(); temp1=count_fm/2; temp1=temp1*k; temp1=temp1/10; temp1=temp1-2; dat1=temp1/10000; temp1=temp1%10000; dat2=temp1/1000; temp1=temp1%1000; dat3=temp1/100; temp1=temp1%100; dat4=temp1/10; temp1=temp1%10; dat5=temp1/1; if(state==1) {lcd_run_display(dat1,dat2,dat3,dat4,dat5); if(FMdata!=FM_temp) { while((FMdata-FM_temp>15)) { FM_temp=FM_temp+15; get_A_N_data(FM_temp); delay(10000); } while((FM_temp-FMdata>6)) { FM_temp=FM_temp-6; get_A_N_data(FM_temp); delay(10000); } FM_temp=FMdata; get_A_N_data(FM_temp); k=416*N_data; k=k/(65*N_data-A_data);} } } } /*****************定时器0中断*********************/ time0() interrupt 1 using 1 { TH0=0x4b; TL0=0xff; t0count=t0count+1; if(t0count==40) {count_fm=TH1*256; count_fm=count_fm+TL1; TH1=0x0; TL1=0x0; t0count=0;} } time1() interrupt 3 using 2 {TH1=0x0; TL1=0x0;} X X X X X X X大学 课程设计报告 课程名称：电子技术基础 设计题目：方波三角波正弦波锯齿波函数发生器 系别： 专业： 班级： 学生姓名: 学号: 同组同学: 学号: 指导教师: XXXX大学XXXX学院 XXXX年月日 摘要 波形函数信号发生器广泛地应用于各场所。函数信号发生器应用范围：通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波。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，而我设计的正是多种波形发生器。设计了多种波形发生器，该发生器通过将滞回电压比较器的输出信号通过RC电路反馈到输入端，即可组成矩形波信号发生器。然后经过积分电路产生三角波，三角波通过低通滤波电路来实现正弦波的输出。其优点是制作成本低，电路简单，使用方便，频率和幅值可调，具有实际的应用价值。 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 而因此电子专业的学生，对函数信号发生器的设计，仿真，制作已成为最基本的一种技能，也是一个很好的锻炼机会，是一种综合能力的锻炼，它涉及基本的电路原理知识，仿真软件的使用，以及电路的搭建，既考验基础知识的掌握，又锻练动手能力。 关键词：振荡电路；电压比较器；积分电路；低通滤波电路 目录 · 设计要求 (1) 1．前言 (1) 2方波、三角波、正弦波发生器方案 (2) 2.1原理框图 (2) 3．各组成部分的工作原理 (3) 3.1方波发生电路的工作原理 (3) 3.2方波--三角波转换电路的工作原理 (4) 3.3三角波--正弦波转换电路的工作原理 (5) 3.4方波—锯齿波转换电路的工作原理 (6) 3.5总电路图 (7) 4.用Multisim10电路仿真 (8) 4.1输出方波电路的仿真 (8) 4.2三角波电路的仿真 (9) 4.3正弦波电路的仿真 (10) 4.4锯齿波电路的仿真 (11) 5实验总结 (11) 6．仪器仪表清单 (13) 7．参考文献 (13) 8.致谢 (13) 脉冲信号发生器可以产生重复频率、脉冲宽度及幅度均为可调的脉冲信号，广泛应用于脉冲电路、数字电路的动态特性测试。脉冲信号发生器一般都以矩形波为标准信号输出。 脉冲信号发生器的种类繁多，性能各异，但内部基本电路应包括图1所示的几个部分。 主振级一般由无稳态电路组成，产生重复频率可调的周期性信号。隔离级由电流开关组成，它把主振级与下一级隔开，避免下一级对主振级的影响，提高频率的稳定度。脉宽形成级一般由单稳态触发器和相减电路组成，形成脉冲宽度可调的脉冲信号。放大整形级是利用几级电流开关电路对脉冲信号进行限幅放大，以改善波形和满足输出级的激励需要。输出级满足脉冲信号输出幅度的要求，使脉冲信号发生器具有一定带负载能力。通过衰减器使输出的脉冲信号幅度可调。 所示为xc-15型脉冲信号发生器的面板示意图，xc-15型脉冲信号发生器是高重复频率ns （纳秒）级脉冲信号发生器。其重复频率范围为1kHz～100MHz，脉冲宽度为5ns～300μs，幅度为150mV～5V，并输出正、负脉冲及正、负倒置脉冲，性能比较完善。 （1）XC－15型脉冲信号发生器的面板开关、旋钮的功能及使用 ①“频率”粗调开关和“频率细调”旋钮。调节“频率”粗调开关和“频率细调”旋钮，可实现1kHz～100MHz的连续调整。粗调分为十挡（1kHz、3kHz、10kHz、100kHz、300kHz、1MHz、3MHz、10MHz、30MHz和100MHz），用细调覆盖。“频率细调”旋钮顺时针旋转时频率增高，顺时针旋转到底，为“频率”粗调开关所指频率；逆时针旋转到底，为此“频率”粗调开关所指刻度低一挡。例如，“频率”粗调开关置于10kHz挡，“频率细调”旋钮顺时针旋转到底时输出频率为10kHz；逆时针旋转到底时输出频率为3kHz。 ②“延迟”粗调转换开关和“延迟细调”旋钮。调节此组开关和旋钮，可实现延迟时间5ns～300，tts的连续调整。延迟粗调分为十挡（5ns、10ns、30ns、l00ns、300ns、1μs、3μs、10μs、30μs和100μs），用细调覆盖。延迟时间加上大约30ns的固有延迟时间等于同步输出负方波的下降沿超前主脉冲前沿的时间。 “延迟细调”旋钮逆时针旋转到底为粗调挡所指的延迟时间。顺时针旋转延迟时间增加，顺时针旋转到底为此粗调挡位高一挡的延迟时间。例如，“延迟”粗调开关置于30ns挡，“延迟细调”旋钮顺时针旋转到底时输出延迟时间为100ns；逆时针旋转到底时输出延迟时间为30ns。 ③“脉宽”粗调开关和“脉宽细调”旋钮。通过调节此组开关和旋钮，可实现脉宽5ns～300μs 的连续调整。“脉宽”粗调分为十挡（5ns、10ns、30ns、100ns、300ns、1μs、3μs、10μs、30μs和100μs），用细调覆盖。“脉宽细调”旋钮逆时针旋转到底为粗调挡所指的脉宽时间。顺时针旋转脉宽增加，顺时针旋转到底为此粗调挡位高一挡的脉宽。例如，“脉宽”粗调开关置于10ns挡，“脉宽细调”旋钮顺时针旋转到底时输出脉宽为30ns；逆时针旋转到底时输出延迟时间为10ns。 ④“极性”选择开关。转换此开关可使仪器输出四种脉冲波形中的一种。 ⑤“偏移”旋钮。调节偏移旋钮可改变输出脉冲对地的参考电平。 ⑥“衰减”开关和“幅度”旋钮。调节此组开关和旋钮，可实现150mV～5V的输出脉冲幅度调整。 （2）使用注意事项在使用xc 15型脉冲信号发生器时应注意如下两点事项。 ①本仪器不能空载使用，必须接入50Ω负载，并尽量避免感性或容性负载，以免引起波形畸变。 ②开机后预热15min后，仪器方能正常工作。 第四章 高频信号发生器及其应用 高频信号发生器主要是用来向各种电子设备和电路供给高频能量，或是供给高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气工作特性。它能提供在频率和幅度上都经过校准了的从1V 到几分之一微伏的信号电压，并能提供等幅波或调制波（调幅或调频），广泛应用于研制、调制和检修各种无线电收音机、通讯机、电视接收机以及测量电场强度等场合。这类的信号发生器通常也称为标准信号发生器。 高频信号发生器按调制类型分为调幅和调频两种。本章只介绍调幅高频信号发生器。 一、调幅高频信号发生器的工作原理 调幅高频信号发生器工作原理方框图如图4-1所示。由图可见，它由振荡电路、放大与调幅电路、音频调制信号发生电路、输出电路（包括细调衰减电路、步级衰减电路）、电压与调幅度指示电路和电源电路等部分组成。 电源电路外调制 电压输入 1000Hz)10.1 图4-1 高频信号发生器原理功能方框图 1．振荡电路 振荡电路用于产生高频振荡信号。信号发生器的主要工作特性由本级决定。为保证此主振有较高的频率稳定度，都采用弱耦合馈至调幅电路，使主振负载较轻。一般采用电感反馈或变压器反馈的单管振荡电路或双管推挽振荡电路。 通常采用LC 三点式振荡电路，一般能够输出等幅正弦波的频率范围为l00kHz ～30MHz （分若干个频段）。这个信号被送到调幅电路作为幅度调制的载波。 2．放大与调幅电路 通常既是缓冲放大电路（放大振荡电路输出的高频等幅振荡，减小负载对振荡电路的影响），又是调制电路（用音频电压对高频率等幅振荡进行调幅）。 3．音频调幅信号发生电路 是一个音频振荡器，一般调幅高频信号发生器具有400Hz 、1000Hz 两档频率，改变音频振荡输出电压大小，可以改变调幅度。在需要用400Hz 或1000Hz 以外频率的音频信号进行调制时，可以从外调制输入端引入幅度约几十伏的、所需频率的信号。 4．电压与指示电路 一、概要 在高等学校课程设计是一个重要的教学环节，它与实验、生产实习、业设计构成实践性教学体系。由此规定了课程设计的三个性质：一是教学，学生在教师指导下针对某一门课程学习工程设计； 二是实践性，课程设包括电路设计、印刷板设计、电路的组装和调试等实践内容； 三是群众性、主动性，课程设计以学生为主体，要求人人动手，教师只起引导作用，主任务由学生独立完成，学生的主观能动性对课程设计的完成起决定性作。学生较强的动手能力就是依靠实践性教学体系来培养的。 1.1 何谓课程设计 所谓课程设计就是大型实验，是具有独立制作和调试的设计性实验，其基本属性体现在工程设计上。但课程设计毕竟不同于一般实验。 首先是时间和规模不同，一般实验只有两学时，充其量为四学时；而课程设计一般为一～两周。实验所要达到的目的较小。通常只是为了验证某一种理论、掌握某一种参数的测量方法、学习某一种仪器的使用方法等等；而课程没计则是涉及一门课程甚至几门课程的综合运 用，所以课程设计是大型的。 其次，完成任务的独立性不同，一般实验学生采用教师事先安排好的实验板和仪器，实验指导书上详细地介绍了做什么和如何做，实验时还有教师现场指导，学生主要任务是搭接电路，用仪器观察现象和读取数据，因此实验是比较容易完成的；而课程设计不同，课程设计只给出所要设计的部件或整机的性能参数，由学生自己去设计电路、设计和制作印刷电路板，然后焊接和调试电路，以达到性能要求。 课程设计和毕业设计性质非常接近，毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计则是工程设计实践的初步训练，它为毕业设计打下一定基础。课程设计与毕业设计在规模上和要求上，大小高低不同，但它们都属于工程设计，因此工作步骤是类似的。 1.2 课程设计的目的要求 1 、课程设计的目的是帮助学生综合运用所学的理论知识，把一些单元电路有机地组合起来，组成小的系统，使学生建立系统的概念；并使学生巩固和加强已学理论知识。并掌握一般电子电路分析和设计的基本步骤。 2 、掌握常用元器件的检测、识别方法及常用电子仪器的正确使用方法。 3 、掌握印制板的制作流程以及protel 99 SE的使用等基本技能。 4 、培养一定的独立分析问题、解决问题的能力。对设计中遇到的问题能通过独立思考、查阅有关资料，寻找解决问题的途径；对调试中 目录设计 1 .设计指标 2. 设计目的 二. 总电路及原理 三. 各部分组成及原理 1. 原理框图 2. 方波发生电路 3. 三角波产生电路 4. 正弦波电路 四. 实物图 五?原件清单 六.心得体会 设计指标 1) 可产生方波、三角波、正弦波。并测试、调试、组装。 2) 方波幅值＜=24V且频率可调在10hz-10khz三角波幅值可调为8V, 正弦波幅值可调为2V 3) 使用741芯片完成此电路 4) 电路焊接美观大方，走线布局合理 设计目的 1) .掌握电子系统的一般设计方法 2) .掌握模拟IC器件的应用 3) .培养综合应用所学知识来指导实践的能力 4) .掌握常用元器件的识别和测试 5) .熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法 二.总电路及原理 由RC构成振荡电路，反相滞回比较器产生矩形波，两者构成方波发生电路，方波经积分器产生三角波，三角波由滤波器产生正弦波，两级滤波产生更好的正弦波。 三?各部分组成及原理原理框图方波发生电路三角波正弦波1.方波发生电路 电路简介 方波发生电路主要由两部分构成 1?反相输入滞回比较器 2.RC振荡电路 若开始滞回比较器输出电压为U1,此时运放同相输入端电压为UP 二U1*R3(R3+R4同时U1通过R2对电容充电，当电容电压达到同相端的电压时输出电压变为-U1，同时同相端电压变为-UP, 由于电容电压大于输出端电压所以电容通过R1放电，当电容电压 等于-UP时输出电压又变为U1,同相端电压变为UP,此时输出电压通过R1对电容进行充电，整个过程不断重复形成自激振荡，由于电容充电时间与放电时间相同，故占空比为50%,形成方波。 利用一阶电路的三要素法列方程求得振荡周期为 T=2R1C5i n(1+2F/R4) 运放采用双电源+12V、-12V输出正弦波幅值为14V左右 注意事项 电路中的稳压管可以起到调节电压幅值并稳定电压的作用，经运放输出端接的R2可以起到稳定波形的作用，但不宜过大，此电路中应不超过500?。另外由于运放为741芯片，故波的频率不会很高，此电路应为一个低频电路。 调节R4R3的比值,C5,R1的阻值均可以调节电路的频率，但要调节幅值的同时不改变波的频率就只能通过稳压管调节，此为电路的缺陷之一 脉冲信号发生器 摘要：本实验是采用fpga方式基于Alter Cyclone2 EP2C5T144C8的简易脉冲信号发生器，可以实现输出一路周期1us到10ms，脉冲宽度：0.1us到周期-0.1us,时间分辨率为 0.1us的脉冲信号，并且还能输出一路正弦信号（与脉冲信号同时输出）。输出模式 可分为连续触发和单次手动可预置数（0~9）触发，具有周期、脉宽、触发数等显示功能。采用fpga计数实现的电路简化了电路结构并提高了射击精度，降低了电路功耗和资源成本。 关键词：FPGA；脉冲信号发生器；矩形脉冲；正弦信号； 1 方案设计与比较 脉冲信号产生方案： 方案一、采用专用DDS芯片的技术方案： 目前已有多种专用DDS集成芯片可用，采用专用芯片可大大简化系统硬件制作难度，部数字信号抖动小，输出信号指标高；但专用芯片控制方式比较固定，最大的缺点是进行脉宽控制，测量困难，无法进行外同步，不满足设计要求。 方案二、单片机法。 利用单片机实现矩形脉冲，可以较方案以更简化外围硬件，节约成本，并且也可以实现灵活控制、能产生任意波形的信号发生器。但是单片机的部时钟一般是小于25Mhz，速度上无法满足设计要求，通过单片机产生脉冲至少需要三条指令，所需时间大于所要求的精度要求，故不可取。 方案二：FPGA法。利用了可编程逻辑器件的灵活性且资源丰富的特点，通过Quartus 软件的设计编写，实现脉冲信号的产生及数控，并下载到试验箱中，这种方案电路简单、响应速度快、精度高、稳定性好故采用此种方案。 2 理论分析与计算 脉冲信号产生原理：输入量周期和脉宽，结合时钟频率，转换成两个计数器的容量，用来对周期和高电平的计时，输出即可产生脉冲信号。 脉冲信号的精度保证：时间分辨率0.1us，周期精度：+0.1%+0.05us，宽度精度： 学号10780133 EDA技术及应用 设计说明书 简易脉冲信号发生器 起止日期：2013 年12 月16日至2013 年12 月20 日 学生姓名高雪 班级10信科1班 成绩 指导教师(签字) 计算机与信息工程学院 2013年12 月20 日 天津城建大学 课程设计任务书 2013—2014学年第1学期 计算机与信息工程学院电子信息科学与技术专业一班级 课程设计名称：EDA技术及应用 设计题目：简易脉冲信号发生器 完成期限：自2013 年12月16 日至2013 年12 月20 日共 1 周 一．课程设计依据 在掌握常用数字电路原理和技术的基础上，根据EDA技术及应用课程所学知识，利用硬件描述语言（VHDL或VerilogHDL），EDA软件（QuartusⅡ）和硬件开发平台（达盛试验箱CycloneⅡFPGA）进行初步数字系统设计。 二、课程设计内容 设计一个简易方波信号发生器，要求能够根据输入信号选择输出不同频率和占空比的脉冲波。输出频率为100，1K，10KHz,每个频率占空比均可在0.1,0.2 ….0.9,档位调节。要求频率可在数码管显示100Hz 的输出至LED灯上显示结果，1K信号输出后经滤波器驱动蜂鸣器测试。 三、课程设计要求 1、要求独立完成设计任务。 2、课程设计说明书封面格式要求见《天津城市建设学院课程设计教学规范》附表1。 3、课程设计的说明书要求简洁、通顺，计算正确，图纸表达内容完整、清楚、规范。 4、测试要求：根据题目的特点，采用相应的时序仿真或者在实验系统上观察结果。 5、课程设计说明书要求： 1)说明题目的设计原理和思路、采用方法及设计流程。 2)系统框图、Verilog HDL语言设计程序或原理图。 3)对各子模块的功能以及各子模块之间的关系做较详细的描述。 4)详细说明调试方法和调试过程。 5)说明测试结果：仿真时序图和结果显示图，并对其进行说明和分析。 指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期：2013 年12月12日 高频数字信号发生器使用技巧 产品图示 SG-1501B信号发生器 SG-1501B操作使用方法 1.SEQ亮才自动调用/查看序列设置状态。 2.RTN是返回预设的开始地址值，比如00。BEGIN是设置序列的开始地址值，比如00，END则为设置末尾地址值，比如99。这几个值都可以预先设定的。△F为频率偏差，分＋，－，即在现设置的频率基础上增减频率量。 3.按SHIFT+FREQ（STEP）,LEVEL（STEP）,ADDR（ADRS）分别是设置对应项的步进值,注意A,B,C,D输出电平LEVEL 预设值是设置好参数后按对应的A,B,C,D键。按SHIFT+MOD（PILOT）为设置导频的值0－15％。 4.导频--在发送端为了降低发射机功率，所以只发送含有信息的边带信号，而抑制不含信息的载波分量时留下的一个小分量，用于在接收端利用窄带滤波器以恢复载波。导频这个具备所有波的基本特征，有特定的频率、相位、幅度的载波频率为基准，对其参数进行解调得到我们需要的信息。 5.FM模式下，可用内部调制频率400Hz、1kHz，或外部调制EXT。预设FM：3.5kHz、22.5kHz和75kHz，频率偏移范围0~100kHz。 6.STERO与MAIN,LEFT,RIGHT,SUB或按SHIFT+SUB（EXT L&R），LEFT和RIGHT结合使用。立体声预设调制：37%，100%，立体声调制深度0－100％，其中可以选择包含0－15％导频PILOT。 7.AM模式下，可选内部调制频率400Hz、1kHz，或外部调制EXT。调幅深度0－60％，按SHIFT+EXT（30%）可选预设的30％。 可编程脉冲信号发生器的设计 摘要 基于单片机的可编程脉冲信号发生器，通过4x4的非编码矩阵键盘键入脉冲信号的指标参数频率、占空比和脉冲个数，在单片机的控制处理下发出满足信号指标的脉冲信号，并在液晶显示屏的制定位置显示出相关参数。复位电路采用上电复位和手动复位的复合复位方式，保证单片机在上电和程序运行进入死循环时，单片机均能正常复位。利用在工作方式1下的定时器和计数输出低频脉冲信号，以及在工作方式2下能够自动重复赋初值的定时器输出高频脉冲信号，从而使频率和占空比满足指标要求。通过程序设计，使单片机每次发出信号后等到重置信号进行下一次脉冲信号的输出，有效的提高了单片机的使用效率。 本课题设计利用单片机技术，通过相应的软件编程和较简易的外围硬件电路来实现，其产生的脉冲信号干扰小，输出稳定，可靠性高，人机界面友好，操作简单方便，成本低，携带方便，扩展性强。关键的是，脉冲信号频率、脉冲个数和脉冲占空比可调节，可通过键盘输入并由显示器显示出来。 本课题设计所要达到的指标要求： (1)脉冲信号频率0.1HZ到50KHZ可调并在液晶显示屏指定位置显示。 (2)脉冲信号个数0到9999可调并在液晶显示屏指定位置显示。 (3)脉冲信号占空比任意可调并在液晶屏显屏指定位置示出来。 关键词：单片机，脉冲信号，频率，脉冲个数，占空比 Programmable pulse signal generator design ABSTRACT The programmable pulse signal generator based on single chip, through the 4x4 non-coding matrix keyboard inputing pulse signal parameters of frequency, duty cycle and pulse number, pulse signal is sent to meet the targets of signal processing chip.The related parameters are displayed on the setting position on the liquid crystal. The reset circuit by power-on reset and manual reset, ensure the SCM in power and run into dead circulation can be reset. Use in work mode 1 timer and counter output low frequency pulse signal, and in work mode 2 to timer output high frequency pulse signal ，automaticly repeat initialization, so as to make the frequency and duty ratio meet the requirements. Through the program design, the microcontroller each signal and then wait for the reset signal, the signal at the output of the pulse next time, effectively improve the efficiency in the use of single-chip microcomputer. The subject of the use of single-chip technology, which achieved through the corresponding software and the simple peripheral hardware circuit. The advantages of which are the small interference of the pulse signal, output stability, high reliability, friendly man-machine interface, easy operation, low cost, portability, scalability strong. The keys, pulse frequency, pulse number and pulse duty ratio are adjustable, which can be inputed through the keyboard and displayed through LCD. The requirements of this topic design: (1) The pulse signal frequency of 0.1HZ to 50KHZ is adjustable and can be displaied on the specify location in the LCD screen. (2) Pulse signal number of 0 to 9999 is adjusted and can be displaied on the specify location in the LCD screen. (3)Pulse duty ratio is adjustable and can be displaied on the specify 附件2 :课程设计报告格式 CITY COLLEGE OF SCIENCE AND TECHNOLOGYXHONGQING UNIVERSITY 樹以电路课程设讣 课题：正弦波方波三角波信号发生器 专业：物联网工程 _________________ 班级：2 班____________________________ 学号：1XXXXXX ___________________________ 姓名：过客______________________________ 指导教师：_______________________________ 设计日期：________________________________ 成绩：___________________________________ 重庆大学城市科技学院电气学院 正弦波方波三角波信号发生器设计报告 」、设计目的 1. 掌握简易信号发生器的设计、组装与调试方法。 2. 能熟练使用multisimIO电路仿真软件对电路进行设计仿真调试。 3. 加深对模拟电子技术相关知识的理解及应用。 ：、设计任务与要求 1.设计任务和要求 设计一个能够输出正弦波、方波、三角波三种波形的信号发生器，性能要求如下：基本要求： ①输出频率为300Hz误差小于2% ②正弦波输出幅度不小于5V,矩形波输出幅度不小于500mV三角波输出幅 度不小于20mV ③要求波形失真小，电路工作稳定可靠，布线美观。 发挥部分： ①改进电路使矩形波幅度不小于5V,三角波幅度幅度不小于1V,且波形失真小。 ②改进电路使输出频率能在一定范围内可调，如1Hz~1kHz可调。 三、设计的具体实现 1、系统概述 本信号发生器由RC正弦波振荡器、滞回比较器、积分器三部分组成。经过RC正弦波振荡器输出正弦波信号，再经过滞回比较器电路输出方波信号，经过积分电路模块输出三角波信号。其原理图如下： 正弦波方波三角波 目录一．设计 1．设计指标 2．设计目的 二．总电路及原理三．各部分组成及原理1．原理框图 2．方波发生电路 3．三角波产生电路 4. 正弦波电路 四．实物图 五．原件清单 六．心得体会 一．设计 设计指标 1）可产生方波、三角波、正弦波。并测试、调试、组装。 2）方波幅值<=24V且频率可调在10hz-10khz,三角波幅值可调为8V,正弦波幅值可调为2V 3)使用741芯片完成此电路 4）电路焊接美观大方，走线布局合理 设计目的 1)．掌握电子系统的一般设计方法 2)．掌握模拟IC器件的应用 3)．培养综合应用所学知识来指导实践的能力 4)．掌握常用元器件的识别和测试 5)．熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法 二．总电路及原理 由RC构成振荡电路，反相滞回比较器产生矩形波，两者构成方波发生电路，方波经积分器产生三角波，三角波由滤波器产生正弦波，两级滤波产生更好的正弦波。 三．各部分组成及原理原理框图 1.方波发生电路 方波发生电路三角波正弦波 电路简介 方波发生电路主要由两部分构成 1.反相输入滞回比较器 2.RC振荡电路 若开始滞回比较器输出电压为U1，此时运放同相输入端电压为UP=U1*R3/(R3+R4)同时U1通过R2对电容充电，当电容电压达到同相端的电压时输出电压变为-U1，同时同相端电压变为-UP，由于电容电压大于输出端电压所以电容通过R1放电，当电容电压等于-UP时输出电压又变为U1，同相端电压变为UP，此时输出电压通过R1对电容进行充电，整个过程不断重复形成自激振荡，由于电容充电时间与放电时间相同，故占空比为50%，形成方波。 利用一阶电路的三要素法列方程求得振荡周期为 T=2R1C5in(1+2R3/R4) 运放采用双电源+12V、-12V,输出正弦波幅值为14V左右 注意事项 电路中的稳压管可以起到调节电压幅值并稳定电压的作用，经运放输出端接的R2可以起到稳定波形的作用，但不宜过大，此电路中应不超过500?。另外由于运放为741芯片，故波的频率不会很高，此电路应为一个低频电路。 调节R4/R3的比值,C5,R1的阻值均可以调节电路的频率，但要调节幅值的同时不改变波的频率就只能通过稳压管调节，此为电路的缺陷之一 脉冲信号发生器的使用方法 脉冲信号发生器可以产生重复频率、脉冲宽度及幅度均为可调的脉冲 信号，广泛应用于脉冲电路、数字电路的动态特性测试。脉冲信号发生器一般 都以矩形波为标准信号输出。脉冲信号发生器的种类繁多，性能各异，但 内部基本电路应包括主振级一般由无稳态电路组成，产生重复频率可调的周期 性信号。隔离级由电流开关组成，它把主振级与下一级隔开，避免下一级对主 振级的影响，提高频率的稳定度。脉宽形成级一般由单稳态触发器和相减电路 组成，形成脉冲宽度可调的脉冲信号。放大整形级是利用几级电流开关电路对 脉冲信号进行限幅放大，以改善波形和满足输出级的激励需要。输出级满足脉 冲信号输出幅度的要求，使脉冲信号发生器具有一定带负载能力。通过衰减器 使输出的脉冲信号幅度可调。 如（1）XC－15型脉冲信号发生器的面板开关、旋钮的功能及使用 ①频率粗调开关和频率细调旋钮。调节频率粗调开关和频率细调旋钮， 可实现1kHz～100MHz的连续调整。粗调分为十挡 （1kHz、3kHz、10kHz、100kHz、300kHz、1MHz、3MHz、10MHz、30MHz 和100MHz），用细调覆盖。频率细调旋钮顺时针旋转时频率增高，顺时针旋转 到底，为频率粗调开关所指频率；逆时针旋转到底，为此频率粗调开关所指刻 度低一挡。例如，频率粗调开关置于10kHz挡，频率细调旋钮顺时针旋转到底 时输出频率为10kHz；逆时针旋转到底时输出频率为3kHz。 ②延迟粗调转换开关和延迟细调旋钮。调节此组开关和旋钮，可实现延 迟时间5ns～300，tts的连续调整。延迟粗调分为十挡 （5ns、10ns、30ns、l00ns、300ns、1μs、3μs、10μs、30μs和100μs），用细调覆盖。延迟时间加上大约30ns的固有延迟时间等于同步输 频率可调的方波信号发生器 用单片机产生频率可调的方波信号。输出方波的频率范围为1Hz-200Hz，频率误差比小于0.5%。要求用“增加”、“减小”2个按钮改变方波给定频率，按钮每按下一次，给定频率改变的步进步长为1Hz,当按钮持续按下的时间超过2秒后，给定频率以10次/秒的速度连续增加（减少），输出方波的频率要求在数码管上显示。用输出方波控制一个发光二极管的显示，用示波器观察方波波形。开机默认输出频率为5Hz。 1模块1：系统设计 （1）分析任务要求，写出系统整体设计思路 任务分析：方波信号的产生实质上就是在定时器溢出中断次数达到规定次数时，将输出I/O管脚的状态取反。由于频率范围最高为200Hz,即每个周期为5ms（占空比1:1，即高电平2.5ms,低电平2.5 ms），因此，定时器可以工作在8位自动装载的工作模式。 涉及以下几个方面的问题：按键的扫描、功能键的处理、计时功能以及数码管动态扫描显示等。问题的难点在按键连续按下超过2S的计时问题，如何实现计时功能。 系统的整体思路：主程序在初始化变量和寄存器之后，扫描按键，根据按键的情况执行相应的功能，然后在数码显示频率的值，显示完成后再回到按键扫描，如此反复执行。中断程序负责方波的产生、按键连续按下超过2S后频率值以10Hz/s递增（递减）。 （2）选择单片机型号和所需外围器件型号，设计单片机硬件电路原理图 采用MCS51系列单片机At89S51作为主控制器，外围电路器件包括数码管驱动、独立式键盘、方波脉冲输出以及发光二极管的显示等。 数码管驱动采用2个四联共阴极数码管显示，由于单片机驱动能力有限，采用74HC244作为数码管的驱动。在74HC244的7段码输出线上串联100欧姆电阻起限流作用。 独立式按键使用上提拉电路与电源连接，在没有键按下时，输出高电平。发光二极管串联500欧 图1 方波信号发生器的硬件电路原理图 （3）分析软件任务要求，写出程序设计思路，分配单片机内部资源，画出程序流程图 软件任务要求包括按键扫描、定时器的控制、按键连续按下的判断和计时、数码管的动态显示。 程序设计思路：根据定时器溢出的时间，将频率值换算为定时器溢出的次数（T1_over_num）。使用变量（T1_cnt）暂存定时器T1的溢出次数，当达到规定的次数（T1_over_num）时，将输出管脚的状态取反达到方波的产生。主程序采用查询的方式实现按键的扫描和数码管的显示，中断服务程序实现方波的产生和连续按键的计时功能。 单片机内部资源分配：定时器T1用来实现方波的产生和连续按键的计时功能，内部变量的定义： 2017年7月电工技术学报Vol.32 No. 13 第32卷第13期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2017 DOI: 10.19595/https://www.doczj.com/doc/4d18083637.html,ki.1000-6753.tces.L70030 基于无滤波器方波信号注入的 永磁同步电机初始位置检测方法 张国强王高林徐殿国 （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨 150001） 摘要针对无位置传感器内置式永磁同步电机（IPMSM）初始位置检测中，传统的基于凸极跟踪的短脉冲电压注入法难以确定脉冲宽度和幅值、实现困难、二次谐波分量法信噪比低的缺点，提出一种基于无滤波器方波信号注入的IPMSM初始位置检测方法。首先通过向观测的转子d轴注入高频方波电压信号，采用无滤波器载波信号分离方法解耦位置误差信息，通过位置跟踪器获取磁极位置初定值；然后基于磁饱和效应，通过施加方向相反的d轴电流偏置给定，比较d轴高频电流响应幅值大小实现磁极极性辨识；最后，通过2.2kW IPMSM矢量控制系统对提出的基于无滤波器方波信号注入的初始位置检测方法进行实验验证。结果表明，所提方法收敛速度较快，可在IPMSM转子静止或自由运行状态实现初始位置辨识和低速可靠运行，位置观测误差最大值为6.9°。 关键词：内置式永磁同步电机无位置传感器无滤波器方波注入初始位置检测 中图分类号：TM351 Filterless Square-Wave Injection Based Initial Position Detection for Permanent Magnet Synchronous Machines Zhang Guoqiang Wang Gaolin Xu Dianguo （School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China） Abstract With regard to the initial position detection for position sensorless interior permanent magnet synchronous machine (IPMSM) drives, existing saliency-tracking-based methods have difficulties to determine the amplitude and width of the pulses for the short pulses injection method, and also have low signal-noise ratio for the position-dependent secondary-harmonics-based method. Hence, this paper presents a filterless square-wave voltage injection based initial position detection scheme for position sensorless IPMSM drives. A high-frequency square-wave voltage vector is injected in the estimated d-axis, then the position error information is demodulated through filterless carrier signal separation, and the position tracking observer is adopted to obtain the initial position. Based on the magnetic saturation effect, the magnetic polarity can be identified by comparing the amplitudes of the induced d-axis high-frequency current with two given d-axis current offsets which are equal in value but opposite in direction. Experiments on a 2.2kW IPMSM sensorless vector controlled drive have been carried out to verify the proposed scheme. The experimental results show that the initial position detection for standstill and free-running rotor applications as well as the stable operation at 国家自然科学基金（51522701）和台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划（DREK2015002）资助项目。 收稿日期 2016-07-14 改稿日期 2016-12-09 一、课题名称：函数信号发生器 二、主要技术指标（或基本要求）： 1）能精密地产生三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波信号。 2）频率范围从0.1Hz～20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为2V（P－P）。 3）占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围是 15％～85％。 4）波形失真小，正弦波失真度小于0.75％，占空比调节时非线性度低于2％。 5）采用±5V双电源供电，允许有5％变化范围，电源电流为80mA，典型功耗400mW，工作温 度范围为0～70℃。 6）内设2.5V电压基准，可利用该电压设定FADJ、DADJ的电压值，实现频率微调和占空比调 节。 7)低阻抗定压输出，输出电阻典型值0.1欧姆，具有输出过载/短路保护。 三、主要工作内容：方案设想，MAX038,OP07,电路原理等资料查询准备。电路原理图设 计绘制，面包板验证设计可行性。之后进行PCB板设计调整，电路板定制，元件采购；裸板 测试，焊接，整机测试。实验设计进行报告反馈 四、主要参考文献： [1]赵涛，辛灿华，姚西霞，陈晓娟，基于MAX038的多功能信号发生器的设计。《机电产品 与创新》 2008.07 [2]蒋金弟，朱永辉，毛培法。MAX038高频精密函数信号发生器原理及应用。《山西电子技 术》 2001 [3]黄庆彩,祖静,裴东兴.基于MAX038的函数信号发生器的设计[J].仪器仪表学报,2004,S1. [4]陈一新.单片高频函数发生器MAX038及其应用[J].中国仪器仪表,2002,04. [5]赵立民.电子技术实验教程[M].北京:机械工业出版社,2004 基于FPGA的高频信号发生器设计 摘要 随着科学技术的不断发展与进步,我们进入了数字化时代,产品的数字化已是大势所趋。FPGA（现场可编程门阵列）具有的现场可编程的特性，可以让它的硬件的性能，通过如同软件程序一样实时修改程序代码来改变功能，反复修改错误，这种方式极大地提升了电子设计的灵活性，节约了时间成本和开发成本。本文使用的FPGA芯片，采用的是Altera公司生产的低成本，Cyclone系列的CycloneIIEP2C8Q208C8N做为核心，完成波形的产生功能，利用内部的ROM来存储波形数据，做出简易的信号发生器，然后通过嵌入锁相环（PLL）来倍频时钟信号，改变信号发生器的频率，达到需要的高频100MHZ以上，使用SignalTapII 对输出数据进行采样，观察波形输出。 关键词：FPGA；信号发生器；PLL；100MHZ；SignalTapII 目录 第一章前言 (3) 1.1研究背景 (3) 1.2研究的意义 (3) 1.3研究内容 (4) 1.4本文主要工作 (4) 第二章概述FPGA与PLL (5) 2.1FPGA简介 (5) 2.1.1FPGA的结构与组成 (5) 2.1.2FPGA与ASIC设计的区别 (5) 2.2FPGA开发流程 (6) 2.3锁相环（PLL）简介 (7) 2.3.1PLL的组成 (7) 2.3.2PLL应用：频率合成 (7) 2.3.3FPGA内嵌功能模块PLL (8) 第三章硬件平台 (9) 3.1开发板核心板资源介绍 (9) 3.2存储器SDRAM电路 (9) 3.3电源电路 (9) 3.4独立按键及LED电路 (10) 3.5时钟和复位电路 (10) 第四章设计的软件部分 (11) 4.1开发工具软件的简介 (11) 4.1.1quartus简介 (11) 4.1.2modelsim简介 (11) 4.2设计的系统框图说明 (12) 4.3波形数据存储ROM的定制 (12) 4.3.1波形数据的产生 (12) 4.3.2波形数据存储模块的设计 (12) 4.4频率控制模块的设计 (13) 4.5计数器模块的设计 (13) 第五章设计验证与总结 (14) 5.1功能仿真 (14) 5.2 SignalTapII观察波形 (14) 5.3总结 (15) 参考文献 (16) 致谢 (17) 中南林业科技大学涉外学院 认识实习报告 名称：脉冲信号发生器与计数器 姓名学号： 系：理工系专业：电子信息工程班级：实习时间：实习地点： 目录 一、题目 二、任务和要求 三、内容 （1）如何用仪表测量 （2）如何焊接 （3）如何调试 四、结论 五、体会和收获 一、题目脉冲信号发生其与计数器 二、任务和要求 1：焊接电路板 2：装配电阻、安装短路线、装配芯片、装配按键S、装配电容、装配发光二极管、安装电源插座、测试 三、内容 （1）安装好后，目测检查，是否焊接好了。插入电源线，电源线额另一端接电源，一定不要接错了，印刷板上标有+的一端接电源+5V，另一端接 地。千万注意，电源不要接错了。打开电源，测试电源电压，测试芯片 上各脚电压。按下按键，试着短按和长按，观察现象。测试各发光二极 管（有亮的也有不亮的都测）的电压。短按时，每次产生一个脉冲，观 察到由发光二极管显示的二进制数加一。长按时，产生连续脉冲，观察 到由发光二极管显示的二进制数连续累加。 （2）加热焊件；移入焊锡；焊锡融化后，移开焊锡；移开电烙铁。注意掌握好时间，焊接好后，剪去焊盘外的导线 （3）打开电源，测试电源电压，测试芯片上各脚电压。按下按键，试着短按和长按，观察现象 四、结论 利用集成定时器（芯片 NE555）产生信号，当按键被单次单次地按下时，产生一个一个的单脉冲信号；当按键按下不动时，产生连续脉冲信号。可利用集成技术器（芯片4024）计数。其状态反映脉冲的个数。利用发光二级管显示已经计数的脉冲数，其中74LS04是驱动电路。 五、体会和收获 经过这次实习，了解到了如何焊接电路板、焊接电路板所需注意的事项、认识各种原配件和如何检测焊成后的电路板，同时培养了自己的动手能力和对电路这门课程的认知方波_三角波_正弦波_锯齿波发生器
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