实验题目：程控信号发生器设计

1. 课程简要信息

课程名称：电子系统综合课程设计
课程学时：32
适用专业：电子信息工程专业、电子科学与技术专业、信息工程专业
学生年级：3 年级

2. 实验内容与任务（限500字）

设计并制作一个正弦波信号发生器，能够实现正弦波信号幅度和频率的步进控制，输出信号的频率和幅度均采用键盘输入控制，并在 LCD12864 液晶上显示。本实验项目依托我校 3 个开放实验室，提供 MSP430 系列的单片机核心板、程控放大器模块(AD603、VCA824或 VCA822其中一种)、DDS 模块、LCD12864 液晶、运算放大器等，电路设计和 PCB 设计学生需自行设计完成。选择此题的学生每组 2人。

基本部分：

1）正弦波输出频率范围： $1 \mathrm { H z } \mathrm { \sim } 1 0 0 \mathrm { k H z }$ ；

2）具有频率设置功能，频率步进： $1 0 0 \mathrm { H z }$ ；

3）输出阻抗为 $5 0 \Omega$ 负载；

4）输出电压幅度：在 $5 0 \Omega$ 负载电阻上的电压峰-峰值范围为 $0 . 0 1 \mathrm { V } \gtrsim V _ { \mathrm { o p p } } { \gtrsim } 2 \mathrm { V }$ ；

5）在液晶上显示输出信号的频率和幅度；

6）输出信号频率稳定并且无明显失真。

发挥部分：

1）扩大正弦波输出频率范围： $1 \mathrm { H z } { \sim 2 \mathrm { M H z }$ ；

2. 输出幅度通过键盘输入：误差小于 $1 \mathrm { m } \ V$ ；

3. 频率步进值通过键盘设定，并在液晶上显示。

3. 实验过程及要求（限300字）

学生实验前应该查阅资料，并在实验前和实验过程中解答下面的问题。

1. 熟练使用 430单片机进行编程，熟练掌握 DDS模块的原理与应用，掌握 LCD12864的应用；

2. 查阅资料，在 Multisim 仿真优化的基础上设计放大电路及衰减电路，通过单片机控制实现衰减的自动控制；

3. 了解 AD603、VCA824 或 VCA822 的基本性能及参数，掌握增益与控制电压的关系，实现增益的自动控制；

4. 查阅幅度检测的相关资料，了解在不同频率情况下如何实现信号幅度的测量，选择合适的分立元件电路或集成幅度检测电路进行设计；

5. 构建闭环电压信号处理电路，实现输出电压的程控；

6. 使用 Altium Designer 画原理图和 PCB 图，可以在实验室制 PCB 版或外协制板；

7. 使用统一表格进行参数测试；

8. 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景（限150字）

这是一个综合运用模拟电路设计、单片机技术的典型案例，需要学生查阅新资料，选择合适的新器件，也是对学生的新知识、新技术运用的考察。完成该项目需要应用单片机技术、DDS原理与控制、LCD12864 液晶显示、运算放大器设计、程控放大器设计、衰减电路设计、幅度检测以及电压的闭环输出控制，同时还需辅以 Multisim和 Altium Designer 才能完成该案例。

5. 教学目标与目的（限100字）

本设计案例通过要求学生对程控信号发生器的实践项目研究、设计与实现，培养学生自主学习与实践、创新思维的能力。通过查阅电子系统设计相关知识，运用单片机技术、DDS 控制、电路设计、仿真软件和 PCB 设计等知识设计一个完整的电子系统，达到提高学生的知识综合运用能力、系统设计能力、分析能力、工程实践能力、自学能力、表达能力、创新能力等综合素质。

6. 教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、器件选型、仿真验证、PCB 设计、实现调试、参数测试、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）掌握MSP430 系列单片机的使用，能熟练的对矩阵键盘、LCD12864 液晶、DDS 模块进行编程控制；
2） 阅读AD9851 的相关文献资料，能利用单片机控制该芯片，产生 $1 \mathrm { H z } { \sim 2 \mathrm { M H z }$ 的两路正弦波信号输出；
3） 了解输出电压闭环控制的原理，通过键盘设定输出电压值；
4） 程控运算放大器目前常用的有 AD603、VCA824 和 VCA822 等，带宽均满足频率要求，根据自己掌握的情况进行选择；
5） 宽带运算放大器选择时应区分是电流放大器还是电压放大器，注意运算放大器的关键指标的选取，不同的需求选择不同的运算放大器，在仿真的基础上进行实际电路的设计；
6） 衰减电路设计可以选择继电器控制或者集成的电子开关来控制；
7） 信号的幅度处理可以采用分立元件的设计方法，精度较差，但是能够满足题目要求；采用专用的有效值检测集成电路成本较高，精度较好；
8） 指导学习 Altium Designer 设计软件，能画基本的电路原理图，制作最简单的 PCB 板，能将自己的设计意图转化为实际的电路；指导学习一些基本的元器件、芯片焊接技巧，结合

原理图能把器件准确的焊接在 PCB 板上；指导学习基本仪器仪表的使用，熟练掌握直流稳压电源、万用表、示波器、波形发生器等仪器的使用；

9）各个模块设计时要注意电源的滤波，应有独立的电源滤波电路，注意模拟和数字系统之间的相互串扰；

10）在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，标定所完成的测量电压误差和波形失真度；

11）在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面；

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、参考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

（1）系统实现参考框图

图 1 系统参考方案

（2）模块实现方案

1）DDS 模块

DDS 模块采用 AD9850/AD9851 芯片参考电路如图所示。该模块由单片机控制，可以采用并行控制或串行控制方式，输出频率 0-40MHz（70MHz），IOUT 和 IOUTB 输出两路 $0 . 5 \mathrm { V } _ { \mathrm { P P } }$ ，相位相反的正弦波信号，信号中有 $0 . 2 5 \mathrm { V } _ { \mathrm { P P } }$ 的直流分量，分别送入减法电路。该电路由学生自行焊接调试。

图 2 DDS 模块

2）减法电路

减法电路将 DDS 模块的两路输出 IOUT 和 IOUTB 进行减法运算得到 $1 \ \mathrm { V } _ { \mathrm { P P } }$ 的信号，参考电路如图所示，参数选择时要注意阻抗的匹配。其中运放根据需要进行选取，参考的型号有LM318、LHV870、OPA365、OPA857、OPA690、AD8021 等，选择运放时应注意电流型放大器和电压型放大器的区别。电源处理的参考电路如图所示。

图 3 减法及电源电路

3）衰减电路

衰减电路对减法电路后的信号幅度进行衰减，分别衰减至 $5 \mathrm { m V }$ ， $5 0 \mathrm { m V }$ ， $5 0 0 \mathrm { m V }$ ，可以采用继电器作为衰减电路的选择开关，也可以采用高速电子开关 LMH6574。

4）程控放大

程控放大芯片可以选择 AD603、VCA824 或 VCA822 用于 AGC 的增益控制。控制电压由单片机的内部 AD 产生，电路设计时应注意将控制电压调整成合适值。

AD603 增益在- $- 1 1 { \sim } + 3 0 \mathrm { d B }$ 时的带宽为 $9 0 \mathrm { M h } z$ ，可提供以 dB/V 线性连续增益控制功能，控制电压为 $0 { \sim } 1 \mathrm { V }$ 。

VCA824 增益在 $0 \sim + 4 0 \mathrm { d B }$ 时的带宽为 420Mhz，可提供以 V/V 线性可变增益放大功能，控制电压为- $. 1 \lor \sim \land \lor$ 。

VCA822 增益在 $0 \sim + 4 0 \mathrm { d B }$ 时的带宽为 150Mhz，可提供以 V/V 线性可变增益放大功能，控制电压为- $. 1 \mathrm { V } { \sim } 1 \mathrm { V }$ 。

5）输出电路

输出电路要求在输出端短路时不损坏电路，这部分电路可以采用分立元件或集成电路，参考的集成运放有 BUF634、THS3091、THS3096 等。

6）隔离电路

隔离电路一般采用电压跟随器进行隔离，选择运放时要注意运放的带宽。

7）幅度检测电路

幅度检测电路可以采用分立元件电路或集成的幅度检测电路，集成的幅度检测芯片参考型号有 AD637、AD736、LTC1966 等。如果电路设计时只完成低频信号，则可以把隔离之后的信号直接送入单片机进行 AD 采样。

8）信号调理

信号调理电路的功能是将单片机的 AD 输出电压调理为合适的直流信号，以控制程控放大器。如果程控放大器选用 AD603，则控制电压为 $0 { \sim } 2 \mathrm { V }$ 的直流信号；如果程控放大器选用VCA822 或 VCA824，则控制电压为- $. 1 \mathrm { V } { \sim } 1 \mathrm { V }$ 的直流信号，信号调理芯片采用 OP07 即可。

8. 教学实施进程

教师以授课、讨论、专题讲座等多种教学方式，系统地介绍电子系统分析、规划、设计和工程5 6 7 实现的方法与步骤，介绍新器件、新技术、新方法。学生从综合电子系统课程设计的多个实验项目中，选择适合自己的实验项目（也可自拟）。本实践项目要求学生通过搜集文献资料，给出系统设计的参考电路，通过分组研讨、确定最终的设计电路，在开放实验室进行设计、调试，制作一个完整的电子系统。最终通过作品的参数测试、答辩和报告，给出最终成绩。

9. 实验报告要求

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） 电路测试方法
6） 实验数据记录
7） 数据处理分析
8） 实验结果总结
9）实物照片

10.考核要求与方法（限300字）

本实验项目 32学时，考虑学生的层次、水平不同，根据情况可以选择 2人一组，在实验内容和考核方式上也应进行个性化安排，主要考核点在以下方面：

1）实物验收：功能与性能指标的完成程度;
2）实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺;
3） 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;
4） 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;
5）实验数据：测试数据和测量误差;
6）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）

项目的特色是：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

项目的创新点：利用单片机控制 DDS模块输出信号的频率，采用 AGC 的方法控制输出电压幅度，以提高输出电压的精度。通过完成工程实践的研究、设计与实现，培养学生自主学习与实践、创新思维的能力，达到提高学生的知识综合运用能力、系统设计能力、分析能力、工程实践能力、自学能力、表达能力、创新能力、团队合作能力等综合素质。

实验案例信息表