实验题目 PWM 模拟 DAC 信号产生综合设计实验

1. 课程简要信息

电子综合设计实验，课程学时 32，适用专业 电子信息科学与技术，学生年级 大三。

2. 实验内容与任务（限 500 字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

基于单片机或 FPGA，结合模拟器件，采用脉宽调制（PWM）技术实现数模转换（DA）功能，本实验内容分为基础部分和发挥部分，其中基础部分要求全体学生完成，发挥部分可供学有余力的同学选择完成。主要任务和要求：

（1）基本部分，模拟 DAC产生 256 级直流电平，指标要求如下：i. PWM周期 $1 0 \mathrm { m s }$ ，误差不大于；ii. 占空比可调，调节级数 256级；iii. 电压输出范围 $0 { \sim } 2 . 5 \mathrm { V }$ ，设计滤波器使直流电平纹波波动不超过 $2 0 \mathrm { m V }$ ；iv. 通过按键设置，液晶显示相应设置量。v. 输出连接红色LED灯可显示不同级数时对应亮度。vi. 采用 $+ 5 \mathrm { V }$ 供电（2）发挥部分要求如下：i. PWM周期可调，误差不大于 $1 %$ ；ii. 进一步提高模拟 DAC 的分辨率（位数）；iii. 电压输出范围进一步扩展至 $4 . 5 \mathrm { V }$ ，合理设计滤波器阶数和截止频率，使纹波波动不超过 $1 0 \mathrm { m V }$ ；iv. 设计电压控制电流源型的恒流源驱动电路并扩展至三路，最小 $\boldsymbol { 0 } \mathrm { m } \boldsymbol { \mathrm { A } }$ ，最大 $2 0 \mathrm { m A }$ ；分别接红绿蓝三色LED 灯，并可由单片机按键选择显示红橙黄绿蓝靛紫七种颜色之一的灯光。通过按键可设置为自动显示模式，可显示红橙黄绿蓝靛紫七种循环变换颜色的灯光，两种颜色间显示间隔 1s。v. 采用PWM模拟DAC 扩展输出正弦波等信号。vi. 其他

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）自学预习脉宽调制技术 PWM 基本原理，了解实现 PWM 模拟 DAC 要用到的单片机、低通滤波器和放大器基本知识，了解 PWM实现 DAC功能的原理。
2） 查阅 msp430 单片机或Altera FPGA的数据手册，了解单片机的时钟，I/O，定时器，中断等模块，了解 FPGA的逻辑资源、存储器资源及PLL 模块等。
3）开展方案论证，设计输出信号调理以及采集转换电路，合理选择器件与元件（运放、单片机/FPGA 等），计算各单元电路的参数，并利用 Multisim、Protus、QuartusII 等软件仿真验

证；

4）在万用板上搭建实际电路，逐个模块焊接调试，并记录调试中遇到的问题。
5） 在单片机或 FPGA 开发板上编程实验，并记录编程中遇到的问题。
6） 系统设计完成后，通过示波器进行测试各项指标是否达到实验要求，分析 PWM 模拟 DAC 电平误差产生的原因，以及如何提高分辨率。
7） 撰写设计总结报告。
8） 分组验收，记录完成情况，并计入期末考试成绩。
9） 通过分组演讲，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点，观察同学们基本和发挥部分指标频率和精度。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM 模拟 DAC 产生信号是一个运用模拟与数字电子技术解决工程实际问题的典型案例，需要运用波形发生技术、信号调理、数模转换、滤波等相关知识与技术方法。并涉及仪器精度、仪器设备标定及抗干扰等工程概念与方法。本实验配合微机原理实验课和单片机技术等工科类专业课程，并辅以七彩 LED 灯，有一定趣味性，为学生课内实验以及课外科技工程创新活动提供了一种良好的解决方案。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

（1）引导学生了解现代波形产生方法、PEM 的基本原理；掌握 PWM 实现方法；熟练掌握运
算放大器线性应用电路的设计及解决实际工程问题的方法；（2）培养学生编程能力、数字系统设计、模拟电路、元器件选择、虚拟仿真等电子技术综
合设计及知识的运用能力；（3）培养与提高学生工程设计能力及团队协作能力。

6. 教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1） 学习 PWM 产生的基本方法，并了解不同 PWM 技术之间的差异，掌握 PWM 输出频率计算以及如何提高频率的分辨率。
2） 单片机或 FPGA编程实现PWM模拟 DAC，按键控制占空比变化，并进行虚拟仿真。
3） 了解滤波器设计方法，掌握滤波器参数计算以及虚拟仿真。
4） 了解运放构成的放大器设计方法，掌握放大器参数计算及虚拟仿真。
5） 在实验完成后，进行实物验收，组织学生以项目演讲、答辩的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。
6） 在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

7. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

PWM 模拟DAC 信号的主要组成部分有：单片机/FPGA小系统PWM波发生器、滤波器、放大电路、驱动电路等组成。其原理框图如图 1所示，工作过程如下：

1） 系统结构

图1 原理框图

2） 实现方案

图 2 方案实现多种多样

首先，可供选择的 MCU 处理器有 89C51、MSP430、STM32 等，FPGA 有 Xillix、Altera 等多种型号等。

其次，信号滤波有运放构成有源滤波器和无源滤波器等多种方式，各种滤波器对应不同的优缺点，如 RC 无源滤波简单但衰减大，有源滤波器增益高、Q 值高等。

再次，信号放大可选管子搭建放大器也可以采用成品运算放大器放大，采用运算放大器设计更方便。

驱动电路可选用三极管或 MOS 管作恒流驱动，MOS 管导通压降小，效率更高。

观测除了可采用示波器、万用表等设备外，也可通过观察LED 灯珠亮度，判断功能是否实现。

以下通过一实现方案简要介绍过程：

A、 单片机选型 MSP430，通过配置时钟及定时器，实现指定频率输出的 PWM 波形。

图 3 MSP430 实现 PWM 波输出

B、滤波器设计采用二阶有源滤波器，如图所示，若取 $\mathrm { R } \mathbf { 1 } { = } \mathrm { R } 2 = 1 0 \mathrm { K }$ ， $\scriptstyle \mathrm { C l = l u C } 2 = 2 \mathrm { u f }$ ，则截止频率为 $1 0 \mathrm { H z }$ 。其优点是对直流电压不衰减，Q 值高。

图4 二阶有源滤波器

其他部分略，经测试如下：

实物图如下：

图4 学生制作实物 1

图4 学生制作实物 2

8. 教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

(1)任务安排，通过学校选课系统提前将课程设置时间，分组情况等通过网络选好。
(2)预习自学，将涉及的主要技术提前给学生布置，学生进行仔细。
(3)教师在开课时讲解两课时，后面不定期指导。
(4)布置后，时间开放空间开放方案开放，学生可自行组队不超过三人。
(5)结果验收，由教师主导进行，学生带实际制作的实物验收，并进行总结演讲，教师批改报告。

教学设计的思路和目的是：为便于提高学生综合设计以及面向应用的实验水平，开发 PWM 模拟电平产生虚拟仿真与硬件实验，包含虚拟仿真设计与实际硬件电路设计两部分，内容包含时钟单元、微处理器（TI单片机或 FPGA）PWM发生电路、滤波电路设计等部分。时钟单元将参考时钟输入微处理器，由微处理器产生 8bit 的 PWM 波，输出经缓冲电路驱动后，由滤波电路变换成一模拟电压，本实验“先虚拟，后实验”，既可以作为模拟电子线路基础实用型实验，也可以作为微机原理与模拟电子线路基础相结合的综合性实验，该实验有益于学生课内实验以及课外科技工程创新活动。

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析
2） 实现方案论证
3） 理论推导计算
4） 电路设计与参数选择
5） 电路虚拟仿真与验证
6） 电路装配过程
7） 电路测试方法
8） 实验数据记录
9）数据处理分析
10）实验结果总结

10.考核要求与方法（限 300字）

任务安排后两周内完成，考核成绩共计 10 分。其考核方法如下：

1）完成时间为两周，其中第一周单人设计方案，理论推导计算并选择参数，完成虚拟仿真验证；
第二周，以两人为小组组队，在万用板上实物焊接、调试并测试。
2） 仿真验收：电路元件参数选择与指标完成程度，单人单组进行。
3） 实物验收：功能与性能指标的完成程度（如控制精度），完成时间。
4） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。
5） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
6） 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。
7） 实验数据：测试数据和测量误差。
8） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色与创新在于：

1） 模式创新：将传统实验箱或完整开发板模块实验转变为用万用板搭建电子系统实验的模式，并且项目背景与现代电子技术紧密结合，易于激发学生的兴趣；

2） 方法创新：项目综合了所学的电路基础、模拟电子电路、数字电路、微处理器等多学科的知识，采用先虚拟仿真后搭建实物的“虚实结合”实验模式，引导学生掌握现代电子系统设计实验新方法，提高学生理论结合实际以及解决问题的能力。

3） 形式创新：项目为开放性实验，要求用两周时间完成，学生可以自主安排时间。并且项目中设有发挥部分，为学有余力的学生提供锻炼机会，充分发挥学生自主创新潜能。。

实验案例信息表