实验题目：数控函数信号发生器

1. 课程简要信息

课程名称：电子电路课程设计；学时：48 学时（2 周实训周）；专业：电子科学与技术、通信工程、自动化等专业课题；开课时间：三年级上学期。

2. 实验内容与任务（限 500 字）

数控函数信号发生器的功能是，用数字电路技术产生几组函数信号，输出信号的频率和电压幅度均由数字式开关控制。

1．基本任务

1）输出正弦波波信号频率范围： $1 0 \mathsf { H z } \sim 1 . 2 5 \mathsf { K H z }$
2）输出正弦波信号最大电压：5V（峰峰值）。
3）输出频率最小步长：5Hz
4）幅度选择档位：64档

I.扩展任务

1）实现三角波、脉冲波及锯齿波信号的产生。
2）输出频率变化最小步长：1Hz

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1）了解数控函数信号发生器电路的工作方式和工作原理；
2）根据指标要求结合整体电路考虑，合理选择锁相电路、晶振、各种计数器、D/A转换器，存储器等元器件。
3）根据电路整体结构要求，设计各单元电路：锁相环电路、频率控制电路、波形产生电路、幅度控制电路等，最后画出整体电路图。
4）撰写预习报告，分组讨论设计难点和疑点，比较各种设计方案特点，确定具体设计电路；并仿真该电路。
5）根据设计，合理布线，在面包板上实现整体电路功能；
6）撰写设计总结报告，交流实现情况，总结设计心得。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

数字信号源是目前发展较快的领域， 用途很广。这种采用数字合成技术的信号源的一个明显的优点是：通过改变读取信号的速度，或者通过改变样点的读取，它的输出频率可以方便的进行控制，还可以实现调频，扫频等其它功能。再者，这种信号源可以由计算机控制，实现多种波形的函数信号发生器。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

实验中经过资料的查阅，设计方案的选择，电路的绘制、仿真和实现，设计报告的撰写这一系列的训练过程，提高了学生排除故障解决问题的能力，培养了工程设计的科学素质。

6. 教学设计与引导

本实验是一个比较完整的内容，需提前给学生一些设计思路的引导，设计过程中适当进行指导，实验完成后帮助学生作出总结和改进。教学过程中主要在以下几个方面加强指导：

1）引导学生主动去了解一些关于频率合成器、波形产生电路的工作原理和过程。
2）要求学生查阅锁相电路、D/A转换器和存储器的相关器件知识。
3）为了达到题目的频率范围要求，提示学生如何选择合适的晶振，产生多少频率的时基信号。
4）存储器的地址单元中存放正弦信号的幅度量化值，量化后的正弦函数表计算方法有多种，结果也不唯一，请同学自行分析正弦函数表的算法。需要注意的是，函数表中的量化值必须是 8位。为了后续电路设计方便，量化值应是整数形式。
5）本课题中各个电源电路之间的关系基本是串补连接，前后两个电路互为因果，所以调测时先逐个调测各个单元电路，然后再由前到后不断接入单元电路，扩大联测范围。
6）调测过程中要认真分析相互信号频率值和电压幅度值，不可只看波形不计量值。整个实验过程中注意学生设计的规范性，包括设计方法、电路绘制、电路搭建和调测等方面；注意方式方法的指导，引导学生观察工作电源、元件参数等对系统指

标的影响，对电路稳定性和可靠性的影响。

7. 实验原理及方案

1）系统结构

图 1 数控函数发生器参考系统框图

图 1 可作为参考系统框图。频率控制开关控制数字频率控制电路的输出信号频率，由此改变计数器的循环计数速度。计数器作为存储器的地址发生器，依次存储器中取出正弦信号的样值，该样值经 D/A 变换后产生正弦波信号。幅度控制开关控制幅度控制电路，使输出信号的电压幅度变化。

2）实现方案

（1）频率控制电路

频率控制电路包含时基电路、频率控制开关和锁相环（PPL）电路。PLL 的VCO输出波形为 TTL 脉冲波。若要求输出正弦信号频率为 $1 0 \mathsf { H z } \sim 1 . 2 5 \mathsf { K H z }$ ，则要求模 256计数器输入时钟信号的频率范围为 $2 . 5 6 \mathsf { K H z } \sim 3 2 0 \mathsf { K H z }$ ，即频率控制电路产生的脉冲波频率范围的下限应为 2.56KHz，上限应为 $3 2 0 1 / 1 2$ 。为此，将选定的 3.2768MHz 晶振经过2560分频产生 1.28KHz时基信号，PLL 电路中的程序分频器为8 位二进制计数器，频率控制开关也是8位，控制程序分频器的分频比为 $2 \sim 2 5 0$ ，利用锁相环倍频功能，产生 2.56KHz 至 320KHz 频率的 TTL 脉冲波，频率步进为 1.28KHz，再经过256个地址计数器的分频可以得到最小 5Hz频率。

PLL 电路可以采用常用的集成锁相环芯片 CD4046 实现，学生根据芯片的参考资料，可以自行设计 PLL 电路中的环路滤波器，环路滤波器的相关理论知识可参考有关教科书。

图2 频率控制电路

（2）存储器及正弦函数表

EEPROM存储器的0-255个地址单元中存放正弦信号的幅度量化值。字长为8位，EEPROM存储器的0-255 个地址单元中存放正弦信号的幅度量化值。量化后的正弦函数表计算方法有多种，结果也不唯一。需要注意的是，函数表中的量化值必须是 8位。为了后续电路设计方便，量化值应是整数形式。

下面给出一个正弦函数表的算法设计例子，用C语言进行如下编程：

#include<stdio.h>
#include<math.h>
#define pi 3.1415926
void main()
{ int n,I; float m; for( $\mathrm { \Delta } \cdot \mathrm { n } { = } 0$ ;n<256; $\mathrm { n } { + } { + } ,$ ) { m=(255+255*sin(2*pi/255*n))*0.5 $\mathrm { i } =$ int(m); if $( \mathrm { m - 1 } ) { = } 0 . 5$ )
print(“﹪5x”, $\mathrm { i } + 1 \mathrm { \ i }$ ); else
print (“﹪5x”,i); }
}

输出数据作为 EEPROM 里面输入的正弦函数表：

（3） 正弦波产生电路

模拟正弦波产生电路采用 D/A 变换器实现，参考电路如图 3 所示。设计时应注意， $\mathsf { V } _ { 0 1 }$ 是一单极性电压，其电压值由下面的公式得出。为了使正弦信号的输出不含直流分量，需要产生 $\mathsf { V } _ { 0 2 }$ 作为输出信号,实现双极性输出。这里 $V _ { R } = 2 . 5 V$ ，Vopp $\mathtt { \Pi } = 5 \mathtt { V }$ 。

$$ V _ { 0 1 } = - \frac { V _ { R } } { 2 } \sin \omega t - \frac { V _ { R } } { 2 } $$

$$ V _ { 0 2 } = - ( 2 V _ { 0 1 } + V _ { R } ) = V _ { R } \sin \omega t $$

图3 正弦波产生电路

（4）幅度控制电路

幅度控制电路如图 4所示，由D/A电路构成。正弦信号从 Vref输入，利用 DAC0832内部的R-2R电阻网络构成衰减器，实现幅度的程控放大。幅度开关有6 位（相当于64个档位），分别接入 ${ \mathsf { D } } _ { 2 } { \sim } { \mathsf { D } } _ { 7 }$ ，在这6位开关的组合下，输出信号的幅度控制范围可以从 $0 \sim 5 \mathsf { V }$ ,步进大约为 $7 8 \mathsf { m } \mathsf { V }$ （ $\scriptstyle \langle 5 / 6 4 = 0 . 0 7 8 1 2 5 \rangle$ ）

图 4 数字幅度控制电路

（5）实现函数发生器

将 EEPROM 存储器的其它地址单元存放各种函数信号的幅度量化值（例如三角波、脉冲波及锯齿波信号）。字长为 8 位，增加几个波形选择开关（接入 EEPROM 存储器的高位地址），就可以方便的输出包括正弦波的各种函数波形。

（6）提高频率分辨率

通过降低PLL电路的参考频率（即频率步进）和提高程序分频器的最大分频比，可以提高输出信号的频率分辨率。将 3.2768MHz 晶振经过 12800 分频产生 $2 5 6 \mathsf { H } z$ 时基信号，PLL电路中的程序分频器为 11位二进制计数器，其最大分频比为 2048，频率控制开关也是 11 位，控制程序分频器的分频比为 $1 0 { \sim } 1 2 5 0$ ，利用锁相环倍频功能，产生2.56KHz至 320KHz频率的方波，频率步进为 $2 5 6 \mathsf { H } z$ ，相当于输出信号的频率步进为 1Hz（256/256）。

（7）器件的选择与输出频率关系

本课题的最高输出频率受器件的最高工作速度的影响，主要是 EEPROM 存储器的读取时间和波形 D/A 变换器的转换时间。为了方便学生的实验，我们采用的是速度比较低的 EEPROM 存储器（28C64）和波形 D/A 变换器（DAC0832）。前者的读取时间约为250ns，后者的转换时间约为 1us。可以看出 D/A变换器的速度更低，影响也更大。为此，我们将产生波形的点时钟（即 PLL 的输出频率）设计为最高 320KHz，从而降低了对器件速度的要求。

（8）本实验的延伸与创新

本实验提供学生一套以上所描述的基本器件外，鼓励学生利用单片机实现频率和幅度步进，也可以使用 DDS 技术实现函数，或者用实验箱上 FPGA XC3S50TQ144 实现各种数字电路功能。在学生充分理解函数信号发生器基本原理的基础上，对其实现的手段不限，充分发挥学生主观能动性和创造性。

8. 教学实施进程

1）设计要求和提示（2 学时）
2）查阅资料、设计电路（同学独立完成，1 天半）。
3）讲述装配方法和调测要求（2 学时）。
4）面包板装配和调测（同学独立完成，一人一组）。
5）验收
6）撰写报告、讲评、收尾

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）课题概述
2）整体方案论证
3）单元电路设计与参数选择
4）单元电路调测与故障处理过程
5）整体电路 CAD 电路图
6）实验数据记录
7）数据处理分析
8）实验结果总结

10.考核要求与方法（限 300 字）

1）实验预习：实验方案的选择和论证，实验电路初稿绘制。
2）实验操作：电路搭建和调测的规范性，仪器仪表的使用，调测方法的正确性。
3）实物质量：电路摆布的合理性，搭建质量。
4）实物验收：功能与性能指标的完成程度，完成时间。
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）实验报告：实验报告的规范性与完整性，测试数据和测量误差。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

函数信号发生器是仪器仪表中的基本电路，原理简单，但实现方法多样，涉及到较多的相关模拟电路、数字电路知识以及 C 语言知识。对于学生来说设计思路明确，容易理解。对于教学来说，也可以方便的进行变化，根据学生的能力强弱确定不同的实现要求，适应不同的教学要求。教学中采用引导式教学方法，充分调动学生学习的主动性，获得更好的教学效果

实验案例信息表