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饶恢明
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1 TI 杯四川省电子设计竞赛一等奖作品题目 : 波形发生器 (B 题 ) 指导教师 : 邹林唐续队员及年级 :06 级 ( 大三 ) 罗俊洲,06 级 ( 大三 ) 高阳,06 级 ( 大三 ) 张军学校及院系 : 电子科技大学微电子与固体电子学院摘要本次设计实现了一种波形发生器, 可以产生三角波正弦波方波, 其频率和幅度任意可调, 并能产生各种调频信号, 方波的占空比可调, 并能转换为 TTL 电平输出设计方案使用了运放结合三极管实现的压控恒流源对电容进行恒流充放电, 在电容上得到三角波信号, 再经波形变换网络产生正弦波方波等, 最后经滤波整形放大网络输出各种波形既可以使用电位器连续调节其参数, 也可以使用 MSP430 单片机结合触摸屏完成功能切换和参数控制系统人机界面友好, 工作稳定, 所有指标达到并超过题目要求关键词 : 压控恒流源波形变换网络 MSP430 单片机触摸屏技术 Abstract The design achieves a wave generator, which can generate different waveforms such as triangular wave, sine wave, and square wave. The frequency and the magnitude of these waveforms can be adjusted optionally, and it also can generate a variety of FM signals. Use a combination of operational amplifiers and transistors to realize a voltage-controlled constant current source that charges and discharges the capacitors. While the voltage signal on the capacitors is just the triangle-wave signal, the triangle-wave signal passing through the wave-transform network is converted into different waveform. Finally, the converted waveforms are filtered, reshaped, amplified and output. We can use not only potentiometers, but also the MSP430 MCU together with touch-screen to adjust them optionally. This wave generator has a very friendly human interface and can work well, whose parameters are beyond the subject demands. Key words: voltage-controlled current source, wave-transform network, MSP430 MCU, touch-screen technology 一作品简介

2 根据题目要求, 此波形发生器设计目标主要包括四个部分 : 基准三角波发生电路波形变换网络数控调节系统和后级波形处理网络本作品可以产生三角波正弦波方波, 其频率和幅度任意可调, 并能产生各种调频信号, 方波的占空比可调, 并能转换为 TTL 电平输出系统人机界面友好, 工作稳定, 所有指标达到并超过题目要求具体指标 : 具有产生三角波方波的功能, 且波形基本无失真, 满足要求频率调节范围为 500mHZ 到 6MHZ, 远远超过题目要求的 10HZ 到 100KHZ 的要求输出信号 0V 到 10V 连续可调, 满足要求具有产生正弦波的的功能, 且波形无明显失真具有 20 % 频偏的调频功能, 并且具有多种波形调制使用 MSP430FG4619TI 单片机以及触摸屏实现了所有功能的程控本设计用到了 10 片以上的 TI 芯片本作品的几个特色如图 1 所示 : 二作品实现 1 设计方案论证图 1 作品特色示意图

3 (1). 总体方案的分析与选择方案一 : 采用低温漂低失真高线性单片压控函数发生器 ( 如 ICL8038,MAX038 等 ), 即可同时产生频率受控可变的三角波正弦波脉冲波等用 D/A 转换器的输出来改变调节电压, 也可以实现频率的数控调整此方案优点 : 方法简单易行, 由于采用单片专用芯片, 系统体积大大减小此方案缺点 : 由于压控的非线性, 频率步进的步长控制比较困难再加上题目要求, 本系统放弃此方案方案二 : 采用锁相式频率合成器, 利用锁相环, 将压控荡器 (VCO) 的输出频率锁定在所需频率上此方案优点 : 由于使用了频率锁定技术, 所以系统性能良好此方案缺点 : 难以达到输出频率覆盖系数的要求, 且电路复杂, 不适于产生低频信号方案三 : 采用直接数字频率合成器 (DDS), 既可以使用专门的 DDS 芯片 ( 如 AD9954 等 ) 实现, 也可以使用 FPGA 或 DSP 芯片采用波形查找表结合高速的 DAC 产生任意波形即用累加器按频率要求相对应的相位增量进行累加, 再以累加相位值作为地址码, 取存放于 ROM 中的波形数据, 经高速的 D/A 转换滤波即得所需波形此方案优点 : 理论上可以产生任意波形, 而且频率稳定度极高, 易于程控此方案缺点 : 此方案需要高速的数字芯片 ( 如 FPGA DSP 等 ) 和高速的 DAC 转换芯片, 所以成本偏高方案四 : 用运放结合三极管构建的压控恒流源, 对电容进行恒流充放电, 这样电容两端的电压就会线性变化从而产生三角波信号改变运放的压差即可改变压控恒流源的大小, 从而改变电容的充放电速率, 也就改变了电容两端三角波信号的振荡频率再将此三角波信号经过二极管和电阻组成的无源变换网络, 就可以得到正弦波信号同时利用高速比较器将此三角波信号和一基准电压相比较, 则高速比较器的输出端就会产生同频率的方波信号或 TTL 波信号等此方案简单易行, 设计自由度大而且成本较低综上, 本系统采用方案四 (2). 三角波变正弦波网络方案一 : 使用运放或非门再结合二极管和电阻等组成的有源网络, 采用折线法原理将三角波逐步折成正弦波此方案优点 : 由于采用了有源器件运放等, 所以参数计算较简单, 设计难度较小, 波形变换效果低频范围时比较好此方案缺点 : 由于有源器件高频特性不好, 所以对较高频率的三角波变换时, 就会产生失真方案二 : 直接使用二极管和电阻等组成的无源网络完成三角波到正弦波的转换该方案较方案一设计难度有所增大, 但无源网络在高频范围时失真较小, 所以波形频率可以做到几兆甚至更高, 而且成本较低

4 方案三 : 使用开关电容滤波网络, 当波形频率改变时, 及时改变开关电容滤波器的截止频率, 就会从三角波信号中滤出所需频率的标准正弦波此方案优点 : 由于正弦波信号是经过截止频率可调的滤波器得到的, 所以正弦波波形会非常理想此方案缺点 : 开关电容滤波器的截止频率受其工作频率控制截止频率可调, 也就意味着工作频率可调, 这就需要此信号源再产生一路频率可调而且精准的信号, 设计难度较大, 成本偏高综上, 本系统采用方案二 (3). 数控调节电路利用 MSP430 单片机结合触摸屏对各种波形进行切换和控制本系统使用其内部高精度的 DAC( 只有两路 ) 再结合一片 TI 的 TLV5639(12bitDAC), 总共构成三路 DAC 对各种波形的频率和幅度以及方波的占空比进行调节本系统还使用了其内部三路高精度的 ADC, 其中两路用来获得触摸屏的 X 轴和 Y 轴信号, 完成对触摸屏的控制, 另一路完成对外部调频信号的采样使用触摸屏, 大大提高系统界面的友好性, 并省去了处理普通按键复杂的去抖过程 (4). 系统总体构成根据题目要求, 此波形发生器设计目标主要包括四大部分 : 基准三角波发生电路波形变换网络数控调节系统和后级波形处理网络其系统构成方框图如图 2 数控调节系统 : MSP430 单片机结合触摸屏对波形进行切换 ; 调节其频率幅度 ; 调节方波的占空比 ; 控制调频信号等基准三角波发生电路 : 利用恒流源对电容进行充放电, 电容两端电压就会线性变化, 从而产生三角波控制恒流源大小, 即可控制电容充放电速率, 从而改变频率波形变换网络 : 主要完成将基准三角波变换成 TTL 波正弦波占空比可调的方波等具体利用二极管和电阻等无源网络将三角波变成正弦波, 利用比较器可将三角波变成方波 TTL 波等后级波形处理网络 : 主要完成对波形的滤波整形程控放大等功能图 2 系统方框图 2 理论分析

$I_In = {[(V 1-V 2)/R5]*R1}/R3 令 R5 = 4k7;R1=R2 = 1K;R3=R4=100 则 I_Out = I_In = (V 1-V 2)/470 由上面计算可知 : 只要改变 (V 1-V 2) 的值就可以改变电流 I_Out 和 I_In 的大小其中 U1 U2 和 U3 U4 分别为 TI 的 OP07 和 OPA132 该类运放供电电压范围较宽$

5 (1). 压控恒流源的设计压控恒流源是本系统的重点和难点之一本系统使用运放结合三极管引入深度负反馈从而得到精准的压控恒流源 ( 如图 3) 图中流过电阻 R5 上的电流为 I 1 = (V 1-V 2)/R5 令电阻 R1 = R2, 则 R1 R2 上的压降相等且为 U 1 = U 2 = I 1*R1 = [(V 1-V 2)/R5]*R1 令电阻 R3 = R4, 则 I_Out = I_In = {[(V 1-V 2)/R5]*R1}/R3 令 R5 = 4k7;R1=R2 = 1K;R3=R4=100 则 I_Out = I_In = (V 1-V 2)/470 由上面计算可知 : 只要改变 (V 1-V 2) 的值就可以改变电流 I_Out 和 I_In 的大小其中 U1 U2 和 U3 U4 分别为 TI 的 OP07 和 OPA132 该类运放供电电压范围较宽 (±3V~±18V), 能很好的满足本次图 3 压控恒流源示意图设计的要求为了使波形理想, 本系统将恒流源 I_Out = I_In 的大小设定在 0.6mA~50mA 之间 (2). 产生三角波的理论与数据运用上面的压控恒流源对电容 C1 进行恒流充放电, 在电容两端就会产生三角波电压信号为了得到对称的三角波信号, 电容充放电时间必须完全相同因此我们采用二极管桥堆和限幅迟滞比较器, 完成对电容充放电过程的精确切换 ( 如图 4) 其中将运放 U5 的输出端经电阻 R7 反馈到同相端, 也就引入了正反馈, 此时运放就构成了迟滞比较器, 再结合 3.1V 的稳压管就组成了限幅迟滞比较器本系统图 4 三角波产生示意图将 U5 的门限电压设在 ±2.5V, 则三角波频率 f=(1/2)*(i_out/c1)*[1/(2.5*2)]= I_Out/(10*C1) 由上述分析可知 : 只要改变恒流源的大小, 就可以改变三角波的频率, 还可以通过改变 C1 的值进行频率分档具体设定如下 :C1=470uF,f=500mHz~ 10Hz; C1=100uF,f=10Hz ~ 100Hz; C1=1uF,f=100Hz ~ 6KHz; C1=103,f=6KHz ~ 300KHz;C1=390pF,f=300KHz~6MHz (3). 波形变换原理通过高速比较器很容易将三角波信号变成方波信号和 TTL 电平信号等再改变比较器的基准比较电压, 就可以实现占空比可调的方波下面重点介绍三角波变正弦波的原理 : 折线法 ( 如图 5: 仅为三角波正半周期变换示意图 ) 使用二极管电阻等分立器件构成的无源网络进行三角波到正弦波的转换由于无源网络在高频图 5 三角波变正弦波正半周期示意图范围时的失真较小, 所以大大提高了系统的频带宽度, 即转换很高频率或很低频

率的波形也不会有太大失真其中三角波电压信号接入 IN 端口调节 E1 E2 E3 E4 E5 的电压值使其处在合适的电压值当正半周期的三角波电压逐渐上升时, 就会依次超过 E1 E2 E3 E4 E5 的电压值, 二极管 D1 D2 D3 D4 D5 就会依次导通, 每导通一个管子, 三角波就会内折一次, 利用二极管的非线性特性, 三角波就会被逐渐折成正弦波了

6 率的波形也不会有太大失真其中三角波电压信号接入 IN 端口调节 E1 E2 E3 E4 E5 的电压值使其处在合适的电压值当正半周期的三角波电压逐渐上升时, 就会依次超过 E1 E2 E3 E4 E5 的电压值, 二极管 D1 D2 D3 D4 D5 就会依次导通, 每导通一个管子, 三角波就会内折一次, 利用二极管的非线性特性, 三角波就会被逐渐折成正弦波了由于此种方法计算起来较为麻烦, 所以电阻全部选择 20K 的电位器, 进行电路调试, 待电路调好后, 测出其阻值, 换成固定电阻 3 系统框图和软件流程 (1). 基准三角波发生电路图 6 基准三角波产生电路图 6 中的 Q1 Q4 Q5 Q2 U3 U4 U8 U9 组成对称性很好的恒流源运放的电源电压为 ±15V, 而电阻 R24 R25 上的供电电压为 ±12V, 这样可以增加频率调节的范围其中 VCF 端接入 DAC TLV5639 的电压输出端, 以数控其频率当 VCF 电压上升时,R22 上的电流增大,R21 R23 两端的电压就会增大, 这样 R24 R25 两端的电压也增大, 则 Q5 Q2 通过二极管桥堆对电容 C9 的充放电恒流就会增大, 三角波频率也会增大同时将 C9 端的三角波信号, 经过 U10 D3 D7 D8 D4 组成的限幅迟滞比较器, 就变成了同频率的限幅方波信号, 经过 Q3 Q6 放大后反馈到二极管桥, 这样电路就会持续产生幅度稳定的三角波信号 (2). 波形变换网络

个二极管桥组成的三角波变正弦网络 ( 折线法 ), 就会变成同频率的正弦波使用无源网络将三角波变成正弦波,

7 如下图所示图 7 波形变换网络图 7 使用基准源 TL431 为仪放 INA118 提供基准电压, 改变 PWM1 端的电压, 就会改变运放 OPA2652 反相端的电压, 此时同相端通过同样幅度的三角波信号 Triangle1, 就会产生不同占空比的方波再将三角波信号经过 3 个二极管桥组成的三角波变正弦网络 ( 折线法 ), 就会变成同频率的正弦波使用无源网络将三角波变成正弦波, 可以在很宽的频带内进行波形转换而使波形不明显失真 (3). 数控调节系统与后级波形处理网络图 8 数控调节系统与后级波形处理网络图 8 使用 MSP430 作为整个系统的主控制器使用带控制端的运放 OPA3692 完成

8 对三角波方波正弦波三路波形的任意切换使用 12bit 高速 DAC TLV5639 输出频率控制电压, 完成对频率的精确控制使用 138 译码器配合六非门 CD4069 驱动继电器 Key4 Key5 Key6 Key7 Key8 完成对换档电容的切换, 从而实现频率的分档调节其中 TL431 为压控放大器 AD603 提供基准电压, 再使用 430 内部的 DAC 控制 AD603 的放大倍数, 从而完成波形幅度的控制, 信号经初步放大后, 再送入高带宽运放 THS4021 完成信号的终极放大, 最后送入 BUF634 大大提高信号的驱动能力 4 选用 TI 器件的依据, 选型理由 MSP430FG4619: 该款单片机是十六位低功耗高速单片机, 拥有较大的 flash 和 OP07: OPA132: TL431: OPA2652: ram 空间及丰富的片内资源我们的电路控制较为复杂, 有液晶显示控制触摸屏控制输出频率档位控制输出波形选通控制等, 特别是液晶和触摸频的控制需要实时快速处理, 而这正是 msp430 十六位单片机的优势, 用户界面要显示图片, 单片机要有较大的 flash 空间, 综合这几个方面我们选择了这款单片机此芯片我们是用在压控恒流源压控端, 没有特殊的要求, 所以选用通用型的运放而 TI 的 op07 性能稳定优越, 作为最常用的通用型运放之一理所当然成为我们的首选首先此芯片供电电压为 ±2.5V~±18V, 使信号调理的电压有更宽的调整率 ; 另外此芯片是 FET 输入, 漏电流最大只有 10pA 众所周知 TL431 是电压基准, 简单的电路优越的性能是它得到最广泛应用的原因, 这次我们是用在三角波产生阀值电压设定及三角变方波电路中此芯片为宽带运放, 带宽达到了 700MHz, 输出电流达到了 140mA, 用来后级缓冲放大驱动 BUF634 INA118: TLV5639: OPA3692: BUF634: INA118 为低电压, 低失调电压的仪表放大器此芯片为高速 12 位 DAC, 由单片机控制, 调节其信号频率此芯片为三通道固定增益,90MHz 带宽放大器, 其三个通道可以程控选通, 本系统选用该芯片作为三角波, 正弦波及方波三种波形切换芯片 THS4021 : 此芯片为低噪声, 宽带 (350MHz) 运放此芯片是最后的输出驱动级 BUF634 具有带宽宽速度快驱动能了强等特点, 经过我们测试比较,BUF634 较其他芯片有明显的优势

9 三所使用 TI 模拟器件简介 1 硬件设计注意事项及小窍门运放 : 其供电电源稳定性要好, 最好选用线性电源供电, 用钽电解做为滤波之用因为 TI 运放性能非常好, 有时可以当做双电源高速比较器来用, 当做为比较器时要特别注意自激问题 TL431: 选用其输出电容时, 要特别注意其容值大小, 一般不要超过 0.1uF, 不然会出现振荡 DAC:DAC 输出要滤波另外电路布线要紧凑, 高频信号线不要平行 2 软件设计注意事项及小窍门程序的结构要合理, 算法要精妙, 整体系统性要好对一些较底层的函数一定要模块化, 便于在各个不同模块之间的移植一般来说软件要迁就硬件, 程序编写时要考虑到硬件的处理情况比如要作适当的延时等等四 MSP430 使用 1 外设接口概况, 硬件设计注意事项 P3 和 P7 端口作为液晶的控制端口,P6.0~.P6.3 即 AD0~AD3 作为触摸屏的控制端口,P4 端口是数控项频率档位选定输出波形通道选通控制端口,P8 和 P9 是用于频率控制的一路 D\A 芯片的控制端口, 另外波形幅度和占空比的压控由单片机内部的两路 D\A 来控制在作单片机的最小系统 PCB 板的时候, 模拟通道的 GND 和数字通道的 GND 是要分开的, 以免在用到 A\D D\A 的时候数字通道对其由影响对高频信号布线时尽量避免两线平行和直角转弯 2 内部电路的应用技巧本作品用到了 430 单片机内部的四路 A\D 和两路 D\A, 对 A\D D\A 的寄存器初始化要注意不要相互影响 3 编程感想及软件设计注意事项这次的作品系统较以前庞大, 所有的数控都由一片单片机完成, 还要能进行基本实时的处理, 我们还在其中嵌入了菜单, 所以这就要求程序的结构合理, 算法效率高, 整体系统性好对一些较底层的函数一定要模块化, 便于在各个不同模块之间的移植五作品达到的性能指标 (1) 测试方法与数据为此波形发生器提供 ±18V 电源使用 TDS1012B 示波器 (100MHz) 并校准好,

10 测量本系统产生的各种波形通过触摸屏分别切换三角波正弦波方波的输出通道, 先选择模拟调节按钮, 通过电位器分别调节其频率幅度方波占空比等, 记录数据 ; 然后选择数字调节按钮, 通过点击触屏上的数字小键盘, 分别调节其频率幅度方波占空比等, 并记录数据具体数据如下表 1 表 1 实测数据与指标要求的比较波形三角波正弦波方波指标要求 0~10V 幅度 (VPP) 实测数据 0~11V 指标要求指标要求 10Hz~ 100KHz 调频信号调频信号最大频偏不超过载波频率的 20% 频率实测数据 250mHz~6MHz 250mHz~3MHz 指标要求占空比实测数据三角波正弦波无占空比概念, 实际不测 250mHz~4MHz 10%~80% 5%~95% 实测数据调频信号最大频偏为载波频率的百分比数可调 :10%~80% 说明 : 本系统调频信号既可以由系统内部产生, 也可以由外部信号接入系统内部总共可以产生四种调频信号分别为 : 上升锯齿下降锯齿三角调制和方波调制 (2) 结果分析由上述的理论分析可知 : 本系统将恒流源 I_Out = I_In 的大小设定在 0.6mA~50mA 之间, 最大电容为 470uF, 最小电容为 390pF, 频率 f=i_out/(10*c1) 则理论上 fmax 12.82MHz,fmin mHz 但实测数据只有 250mHz~6MHz 低频问题 : 因为没有无极性的 470uF 大电容, 本系统是用两支有极性的 470uF 电容结合二极管变成相当于无极性的 470uF 电容, 可能引入了误差高频问题 : 系统整体的布局布线影响, 还有器件本身的影响, 在高频时继电器中流过的恒流可能有较大波动, 后级阻抗匹配问题等其中三角波正弦波方波所能达到的最高频率不相同, 可能是由于器件高频特性变坏, 使波形在变换网络中产生了较大失真总之, 实测指标已大大超过题目指标的要求, 系统调节方便, 工作稳定附录

11 我们作品的整体效果 : 使用的 TI16 为高速单片机 MSP430FG4619

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