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【深华联杯】基于SLH89F5162控制的函数信号发生器

2014-1-5 10:19:30 3215 信号发生器元器件

摘要：本作品实现了一个压控振荡电路。通过改变电压控制信号，进而将其转换为频率信号，使频率信号便于数字化测量。通过RC耦合振荡电路的充放电，只要改变电压就可以控制充放电流从而控制了振荡频率。使用UA741作为DAC前级放大，LM324构成低频振荡电路的主体，整体实现方案简单明了，所使用的元器件价格低廉，符合学生平时设计要求。关键字：RC耦合方波三角波压控震荡一、设计要求：1、实现电压控制输出信号频率为10Hz-2kHz2、输出三角波和方波二、方案论证与比较1、方案一∶采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。 2、方案二∶采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率，都很难控制。 3、方案三：采用8038单片压控函数发生器，8038可同时产生正弦波、方波和三角波。改变8038的调制电压，可以实现数控调节，但产生信号的频率稳定度不高。4、方案四：使用可受电压控制的RC耦合的振荡器输出对称的三角波。在对电容进行充放电时，电容两端电压与电流在时间上的积分成正比，故只需要设法控制充放电电流（可设法压控），即可改变充放电到所需值的时间，换句话说，改变了产生的三角波的频率。故实现了通过电压控制信号频率的目的。该方案具有原理简单、结构清晰、费用低廉的优点。5、综上所述，我们决定采用方案四。三、电路原理和分析利用电容器的恒流充放电可以在电容器上得到随时间线性变化的三角波，实验图1为其示意图，实验图2为电压波形图。

在实验图3.1中，开关K可交替地接通上端或下端。设在t0时刻开关接通上端，则恒流源I1对电容C恒流充电，电容C上电压随时间t线性增加。经过T+后，达到V2，其值为（1）若在t1时刻把开关转向下端，则电容C将通过恒流源I2放电。于是电容器上电压线性下降，经过T-时间后，VC又回到V1之值。即（2）将式（1）代入式（2），可得（3）如果，则由式（1）和式（2）可求出三角波的周期（4）式中，即三角波的幅度。由式（4）可得到三角波的频率为（5）由上面分析可知，当充放电电流恒定相等时，就可得到对称的三角波。如果保持三角波的幅度和电容C不变，则三角波的频率与充放电电流I0成正比，只要设法控制I0之大小，即可达到改变振荡频率的目的。四、电路设计图4.1所示就是一个压控三角波发生器的电路原理图。输入电压通过反相器UA和UB来改变被积电压的大小，进而控制振荡频率。这个电路除了输出三角波外，还可输出方波，此外还可通过三角波-正弦波转换电路输出正弦波。迟滞比较器UD反馈回路中RF的电位器RW2用于调节三角波的峰-峰值（也影响到三角波的频率）。

两个反相器UA和UB的组成方式完全相同，又互相串接，故只要反馈回路电阻误差足够小（调整电路时要挑选），两者的输出电压必然大小相等而方向相反，可表示为VI2=-VI1=VI。至于是VI2还是VI1送到积分器UC进行积分，则有迟滞比较器UD控制的开关二极管D1和D2的偏置情况决定。当UD输出为高电位，只要UD的正向饱和输出电压亚都最大控制电压VIm，则D1反向偏置，D2正向导通，积分器UC对VI2进行积分。当UD输出为低电位，只要UD的负向饱和输出电压在数值上大于VIm，则D2反向偏置，D1正向导通，UC对VI1进行积分。由于VI1和VI2这两个被积电压大小相等、方向相反，而迟滞比较器UD的上、下门限点位也是大小相等（=，其中，VZ为稳压管DZ1和DZ2的稳压值，VD为它们的正向压降。注：两管VZ及VD值的一致性调整时也要挑选）、方向相反，所以积分器和比较器的输出分别为对称三角波和方波，而三角波的峰-峰值。设D1、D2的正向压降同为VD（调整时要挑选），则积分器UC对VI1积分时的输入电压为，积分器UC对VI2积分时的输入电压为VI2+VD=VI+VD。利用式（5），可得三角波的频率为（6）电路中通过拨码开关选通不同大小的电容，实现频率的档位。五、程序分析

程序流程图如上图所示，系统上电后，程序首先对控制电路的各种参数进行初始化，使系统进入初始状态；然后对扫描键盘进行扫描，并判断此时DAC输出是否为允许范围，若是，再判断键值，若该值为1，则DAC输出增加0.02V，若为2，则DAC输出减少0.02V. 六、系统指标测试和数据分析测试仪器（1）泰克 TDS1012 100MHz 数字示波器（2）线性稳压电源一台调试结果三角波输出

DA幅值（V）	0．01	0.03	0.05	0.06	0.099	0.58	1.38
峰峰值（V）	2.0	2.1	2.2	2.2	2.25	3.6	4.3
频率（Hz）	425.7	483.5	537.0	574.7	671.7	1.54k	2.20k

方波

DA幅值（V）	0．01	0.03	0.05	0.06	0.099	0.58	1.38
峰峰值（V）	5.52	5.52	5.52	5.52	5.48	5.44	5.44
频率（Hz）	425.7	491.8	535.5	574.7	671.1	1.54k	2.20k

七、结论与系统改进措施 1.实现了压控低频振荡输出 2.此系统主要是用来产生方波，附带产生的三角波的幅值并不稳定八、拓展发挥 1、在实际实现中，为了接触新产品，我们使用了深联华的安全芯片SLH89F5162作为主控芯片，自制了转接板； 2、我们尝试使用Zigbee自组网，实现无线控制，可以作为工厂自动化生产的试验，本来调试已经通过，但是后来不知怎么在主节点的设置上出现问题，联网失败，所以由于时间有限，最终没能在作品提交之前展示出来，深感遗憾。九、设计感想 1、整个设计过程，我们实现了整个团队的协作，体验到了团队协作的好处，同时为了最后的展示，也锻炼了公开场合宣讲的能力 2、虽然最后的作品没能实现最初的想法（实现无线控制），但是，作为学生，应该努力尝试更多新的东西，新的想法，而不应仅仅只局限于完成作业，只有这样才能进步得更快。十、附件1、实际作品图
2、PCB布线图

3、部分程序void main(){ int number=0; int judge=0; while(1){ judge=keys(); if(judge==0){ number++; P1=0xFF; } if(judge==1){ number--; P1=0x00; } if(number>104){ number=104; } if(number<0){ number=0; } change_da(number); }}