实验题目：数字合成信号发生器

1. 课程简要信息

课程名称：电子系统设计与实验课程学时：2周学时适用专业：通信工程、电子信息工程学生年级：本科大三第二学期

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

一．采用“翻转课堂”的形式，以大团队模式合作完成板级系统软、硬件结构的理解与应用，并完成 PPT演示。

二．三人一小组，设计一个数字合成信号发生器，进行软、硬件电路设计，完成实物验收及设计文档报告。

基本任务：

1. 输出正弦波信号，频率范围 10Hz-1KHz，递进控制；幅度 0.2V-2V P-P，递进控制；能驱动100Ω负载。
2. 频率数值和幅度数值的设定可以采用加、减按键步进控制或者直接输入数字完成，幅度和频率通过 LED 数码管显示。
   频率按 $1 0 H z$ 、20Hz、50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1kHz 递进
   幅度按 0.2V、0.4V、0.6V、0.8V、1.0V、1.2V、1.4V、1.6V、1.8V、2.0V 递进扩展任务：
   1.频率和幅度的控制在前面指定范围（10Hz-1KHz，2V P-P）内输入任意数值且测试结果较为精确。
   2.增加标准AM幅度调制功能，要求调制信号频率为 100Hz，载频为 1KHz，调制度为$50 %$ 。
   3.增加FM和PM调制功能。
   4.增加输出波形为方波、三角波功能。

3. 实验过程及要求（限 300字）

一．教师授课

二．翻转课堂

以大团队（8-10 人）为单位

1. 学习实验电路板硬件各部分的使用方法
2. 学习系统软件各项功能的程序实现
3. 使用 PPT 对所有参与课程同学展示学习效果

三．电路设计

以小组（3人）为单位

1. 进行需求分析，开始写设计文档

2. 使用 Filter Pro 完成滤波器设计

3. 使用TINA完成滤波器和功率放大器的仿真

4. 根据仿真结果提出元件清单给实验室老师，如果实验室没有需自行外出购买

5. 焊接电路板，并进行软、硬件联调

6. 完成实物测试验收，以及设计文档最终版

4. 相关知识及背景（限 150 字）

本课程囊括多门先修课程所学知识的回顾，包括 C 语言、matlab、通信原理、低频电子线路、高频电子线路、脉冲逻辑电路、数字信号处理等。并要求学生学会使用 silicon labs IDE、SDCC、FilterPro 和 TINA 等多种仿真设计工具。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

1．综合应用先修课程所学知识，通过团队模式共同学习了解系统级的硬件、软件构成原理。

2．掌握电子系统设计、开发与调试的基本方法，掌握选择和使用软件设计工具完成仿真和验证工作，锻炼进行有效沟通的能力。

6. 教学设计与引导

1．项目设计具有层次性，有针对没有单片机学习经验同学的基本任务， 也有针对学过单片机同学的扩展任务。

2．教师授课环节注意引导学生技术信息的发掘、钻研能力（包括阅读电子元器件的技术手册、应用笔记，阅读软件工具的技术文档、参考手册等）。

3．翻转课堂环节注意通过任务脚本和提问启发模式引导学生深入思考。

以大团队（8-10 人）为单位，模仿实际公司研发部门，设 Department Manager一人、Software Team Leader 一人、Hardware Team Leader 一人，其余为组员，分工学习，合作讨论，教师指导。

4．电路设计环节注意提醒学生软、硬件电路设计的注意事项、调试方法以及遇到问题的思考方向。

7. 实验原理及方案

一．系统结构

数字合成信号发生器原理图如图 1 所示。

图1 数字合成信号发生器原理图

二．硬件电路设计

1.使用的硬件电路实验平台由我们授课教师自己设计，如图 2 所示。

图2 硬件实验电路板

单片机采用的是C8051F020，其内部有两个12位DAC和两个比较器。本实验使用C8051F020内置DAC，电压输出模式。有以下特点：

$\textcircled{1}$ MCU与每个比较器和DAC之间的数据和控制接口通过特殊功能寄存器实现。

$\textcircled{2}$ DAC电压基准由专用的VREFD输入引脚提供。DAC为电压输出方式，有灵活的输出更新机制。这一机制允许用软件写和定时器2、定时器3及定时器4的溢出信号更新DAC输出。

$\textcircled{3}$ DAC在程序的控制下，按照一定的时间节律可以产生“阶梯状”的波形，每个阶梯的电压(或电流)对应于程序赋予DAC内部数据寄存器的数值。

$\textcircled{4}$ 每个比较器都能在上升沿、下降沿或在两个边沿都产生中断。这些中断能将MCU从休眠方式唤醒。

$\textcircled{5}$ DAC部件主要指标如下:分辨率:12bit；输出建立时间:10us；输出电压范围:0到Vref-1LSB；输出短路电流:15mA。

2.DAC 输出信号需要经过低通滤波器及功率放大器才可以驱动 100 欧姆负载，这部分电路由学生自己设计完成，并需要自己焊接，其仿真电路如图3所示。

图 3 低通滤波器加功放仿真电路图

$\textcircled{1}$ 在设计滤波器时，使用 TI的FilterPro软件，具体滤波器参数的设置由学生自行选择，如图4所示。

图 4 FilterPro 滤波器设计参数设置界面

可采用设置通带带宽为 1500HZ，截止频率为3000HZ 的巴特沃斯低通滤波器。
生成的电路如图 5 所示。

图 5 由FilterPro 生成的巴特沃斯滤波器模型

滤波器的幅度和相位特性如图 6 所示。

图6 滤波器的幅度和相位特性

$\textcircled{2}$ 功率放大电路采用射级跟随的接法，使输出端与输入端的电压幅值基本保持相等，工作在甲类，驱动 100 欧的负载，其仿真电路如图 7 所示。为了消除前后级的相互影响，需要使用电容 C3、C4 进行耦合，起到隔绝直流通路，允许交流信号通过的作用。来自上一级低通滤波器输出的信号经过 C3，输出到三极管的基极；经三极管电路放大的输出信号经过电容 C4 输出到 100Ω电阻 R7 上。电位器起到了调节静态工作点的作用,并串联电阻 R8 以保护电路，防止因电位器阻值过小，引起电流过大，烧毁三极管。由于射极电阻R6的存在，可以通过计算得出 R6上电流较大，因而功率较大，需要使用大功率电阻。

图7 功率放大器部分的仿真电路图

同时还要求学生完成单电源供电，可采用电路如图 8所示。左图 R4、R5 分压得到 1/2 的 $\mathsf { V } ^ { + } ;$ ,这个电压加到了运放的同相输入端,由于直流条件下 C1等效于开路,因此这个 1/2 的 $\mathsf { V } +$ 仅获得了单倍增益,运放输出端即获得了相同的电压。当交流信号由 CIN输入的时候,运放的输出便以 1/2的 $\lor +$ 为基线形成相应的交流信号,这个交流信号可以获得增益,由 R1、R2 决定。右图中，运放同相端的中点电压 1/2 的 $\mathsf { V } +$ 仍然存在,输出端同样以这个电压为基线，不同的是,信号由反相端输入，获得了反相增益 。

图8 单电源供电电路

学生可通过TINA仿真观察各测试点波形，正弦信号发生器各点波形如图9所示。

图9 学生自行设计的正弦信号发生器各测试点波形

图10为载波频率为 1000Hz，调制信号频率为 $1 0 0 \mathsf { H z }$ 的AM波，通过波形图可以清楚地看出已调波形的包络形状。

图 10 学生自行设计的AM 信号发生器各测试点波形

最终完成焊接的电路板可如图11所示，元器件排列焊接由学生自行完成，样式并不统一。

图11 焊接后电路板

三．软件系统设计

使用的软件IDE 为silicon labs，运行的底层软件由授课教师自己编写，其软件系统结构及完成功能如图 12 所示。

图 12 底层软件系统结构及完成功能

首先要求学生必须完全通读底层软件，了解单片机各部分如何控制运行，尤其是单片机内部电路逻辑以及各类寄存器的设置。然后，学生需要在底层软件的基础上完成键盘输入、LED 数码管显示、DAC输出等程序的设计，其流程完全由学生自己设计，可如图13所示。

图 13 学生自己设计软件部分流程图

8. 教学实施进程

一．课堂授课环节

方法：教师授课、布置任务、学生课下自学让学生理解本课程设计型实验与以往验证型实验的不同，建立系统级设计的概念，

了解常用电子设备的使用以及常用元器件的技术特征，学习 silicon labs IDE 和SDCC的使用，掌握实验报告设计文档的主要格式要求，了解需求分析的重要性，了解工程师素质要求。

二．翻转课堂环节

方法：学生以团队为单位根据任务脚本自学、互相讨论，教师辅助讲解

以大团队（8-10人）为单位，学生根据任务脚本对系统级软、硬件构成原理进行理解，通过团队内部成员的有效分工掌握实验电路板硬件各部分的使用方法，以及对应系统软件各项功能的程序实现，并使用PPT对所有参与课程同学展示学习效果。

（1） 任务脚本1-编译的原理及流程，使用编译器 SDCC用纯指令编译源代码，集成编译环境silicon libs的配置及调试，软件架构以及头文件的编写。任务脚本2-实验平台板上的 LED 电路原理和软件驱动方法。任务脚本3-按键开关电路的电路原理和信号特点。任务脚本 4-I/O 及 DAC。
（5）（6） 自行延伸任务脚本内容，完成其他部分硬、软件系统的学习。使用PPT展示所学内容，回答教师和其他学生提问。

图14 学生进行 PPT展示

三．电路设计环节

方法：学生3人一组，进行积极沟通，老师辅助解决问题掌握电子系统开发、设计的基本原理和方法，完成系统模块化分析，并运用相关电子设计工具软件完成软件功能设计，基于硬件平台完成硬件电路设计和综合调试。

（1） 进行需求分析，开始写设计文档。

（2） 任务脚本 5-RC 低通滤波器的设计以及 FilterPro 软件的使用。

（3） 完成电路滤波模块设计，使用 TINA搭建仿真电路，完成输出平滑正弦波形。

（4） 任务脚本 6-运放的双电源供电与单电源供电问题。

（5） 使用三极管完成管甲类电流放大器的设计，使用 TINA搭建仿真电路，完成对 100欧姆电阻的驱动设计。

（6） 整合之前各模块设计，完成电路原理图设计。

（7） 根据原理图焊接完成硬件电路板，注意电路板布局，接口及连线的设计。

（8） 进行软、硬件电路的联调与分析。

（9） 完成数字合成信号发生器实物验收。

（10） 完成“电子系统设计文档”最终版。

图15 最终学生设计的实物板

图16 学生完成的电子系统设计文档

9. 实验报告要求

本课程的实验报告有专门设计文档模板规定要求，如图 17所示，具体内容如下：

“电子系统设计"文档模版

电子系统设计文档

数字合成信号发生器设计文档

一、修订记录

二、缩略语

DAC：数模转换器MCU：微控制器LPF：低通滤波器

三、文档说明

目小组进行撰写、维护，并根据需求的变化和设计的深入进行更新。小组的设计开发工作将以本文件为指导和依据。

图17 “电子系统设计”文档模板

1、设计需求（功能与指标描述）

2、系统硬件框图

3、硬件模块技术要点

1）DAC 模块
2）滤波器模块
3）功率放大模块

4、系统软件组成框图或状态转移图

5、软件模块说明

6、实测与分析

1）测试方法说明（使用的设备、连接图、基本原理）
2）实测数据表格或曲线
3）数据分析

附件1：电路原理图

附件2：软件源代码

10.考核要求与方法（限 300 字）

1.翻转课堂成绩占 $20 %$ ，包括：PPT 展示和额外加分。

（对于每个团队给予 3分的奖励，由学生自行分配）

2.最终验收占 $80 %$ ，包括：成品测试结果 $70 % .$ 、系统设计分析报告 $30 %$ 和额外加分。

1）对于每个组给予 3分的奖励，由学生自行分配。

2）对于完成原始设计并积极与其他同学沟通的同学，给予 1分奖励。

注：加分奖励后超过 100 分按 100 分计算。

成品测试结果具体说明：

$\textcircled{1}$ 各项操作功能实现程度（ $30 %$ ）
$\textcircled{2}$ 硬件电路设计（ $1 5 %$ ）元器件布局合理连线整齐焊接可靠、美观

$\textcircled{3}$ 预留并标明5个测试点（ $2 5 %$ ）测试时波形要求：波形无明显失真波形无明显抖动（周期不稳定）波形无明显毛刺和噪声

电子系统设计与实验考核表

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

1.学习过程中，采用翻转课堂形式，激发学生学习兴趣，锻炼学生的交流沟通能力。

2.采用层次化、个性化以及启发式教学，授课教师注意引导学生对实验从多角度进行思考，培养学生自主学习的能力。