1．基本理論知識(shí)概述

1.1 研究背景及意義

為了給后端電路提供一個(gè)理想信號(hào)，一般用信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的的信號(hào)來(lái)替代前端電路的實(shí)際信號(hào)。為了可以方便的在各種不同條件下所需的不同特性信號(hào)，就需要一個(gè)特征參數(shù)可以被認(rèn)為設(shè)定的信號(hào)源。這樣的信號(hào)源對(duì)于產(chǎn)品的研發(fā)和日常學(xué)校的電路實(shí)驗(yàn)很有成效。我們可以通過(guò)測(cè)量出的信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，以此來(lái)確定電路的特性和功能是否達(dá)到了所需的標(biāo)準(zhǔn)和要求在日常的生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中信號(hào)發(fā)生器具有著較為廣泛應(yīng)用。在通信中，需要高頻發(fā)射，其中的射頻波指的就是載波，將音頻、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載發(fā)送出去，需要能產(chǎn)生高頻的振蕩器。在不同的領(lǐng)域中例如工業(yè)的高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火，生物醫(yī)學(xué)中的核磁共振成像等都需要功率不同的，頻率不同的振蕩器的對(duì)于計(jì)量和校準(zhǔn)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)高精度的信號(hào)發(fā)生器也可以作為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)源，把參考源做為標(biāo)準(zhǔn)將需要校準(zhǔn)的儀器調(diào)校。這證明了，信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用領(lǐng)域十分的廣泛。和校準(zhǔn)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)高精度的信號(hào)發(fā)生器也可以作為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)源，把參考源做為標(biāo)準(zhǔn)將需要校準(zhǔn)的儀器調(diào)校。這證明了，信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用領(lǐng)域十分的廣泛。

DDS 技術(shù)的波形發(fā)生器的特點(diǎn)有以下幾個(gè)：輸出頻率穩(wěn)定、準(zhǔn)確、波形輸出質(zhì)量好、輸出頻率范圍可觀。以上幾個(gè)特點(diǎn)都是波形發(fā)生器值得我們?nèi)パ芯康囊粋€(gè)重要方向。 DDS 作為一種較為先進(jìn)的頻率合成技術(shù)，它相較其他波形發(fā)生器比較容易通過(guò)程序來(lái)控制，且其相位連續(xù)，輸出頻率穩(wěn)定度高、分頻率高。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

信號(hào)發(fā)生器是一種最悠久的儀器，早在 20 年代電子設(shè)備剛出現(xiàn)時(shí)它就產(chǎn)生了。在 ?70 年代以前， 信號(hào)發(fā)生器主要有兩類： 正弦波和脈沖波信號(hào)發(fā)生器。這個(gè)時(shí)期的信號(hào)發(fā) ?生器大多采用模擬電子技術(shù)， 僅能產(chǎn)生幾種簡(jiǎn)單波形。 70 年代后， 微處理器的出現(xiàn)使信 ?號(hào)發(fā)生器進(jìn)入了另一個(gè)時(shí)代硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴(kuò)大， 產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。 這時(shí)期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì) DAC 的程序控制，就可以 ?得到各種簡(jiǎn)單的波形。 到了 21 世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了很多高頻 ?率的 DDS 芯片，推動(dòng)了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展。

信號(hào)波形發(fā)生器發(fā)展很快近幾年來(lái)， 國(guó)際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生 器通常允許用一系列的點(diǎn)、直線和固定的信號(hào)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。同時(shí)可以利用 一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式， 復(fù)雜的波形可以由幾個(gè)比較簡(jiǎn)單的公式復(fù)合成數(shù)學(xué)表 達(dá)式產(chǎn)生。從而促進(jìn)了信號(hào)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展， 各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的飛 速發(fā)展也對(duì)任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動(dòng)作用。

（2）與 VXI 資源結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨(dú)立的臺(tái)式儀器和適用于個(gè)人計(jì)算機(jī) 的插卡以及新近開發(fā)的 VXI 模塊。由于 VXI 總線的逐漸成熟和對(duì)測(cè)量?jī)x器的高要求， 在很多領(lǐng)域需要使用 VXI 系統(tǒng)測(cè)量產(chǎn)生復(fù)雜的波形， VXI ?的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu) 越性，但由于開發(fā) VXI 模塊的周期長(zhǎng)，而且需要專門的 VXI 機(jī)箱的配套使用，使得波 形發(fā)生器 VXI 模塊僅限于航空、軍事及國(guó)防等大型領(lǐng)域。

（3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展， 臺(tái)式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來(lái)。 不過(guò)現(xiàn)在新的臺(tái)式儀器的形態(tài)， 和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺(tái)式儀器具有

多種特性，可以執(zhí)行多種功能，外形尺寸與價(jià)格，都比過(guò)去的類似產(chǎn)品減少了一半。

1.3DDS技術(shù)簡(jiǎn)述

直接數(shù)字合成技術(shù)（Direct Digital Synthesizer，DDS）誕生于 20 世紀(jì) 70 年代，該技術(shù)融合數(shù)字信號(hào)處理理論和方法，從相位的角度進(jìn)行數(shù)字化處理以獲得所需要的正余弦波。DDS結(jié)構(gòu)框圖如下所示。其基本結(jié)構(gòu)包括 N 位加法器、N 位相位寄存器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和工作時(shí)鐘；其中 N 位加法器和 N 位相位寄存器構(gòu)成 DDS 的相位累加器。

圖1 DDS原理

工作原理：在參考時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，DDS 模塊開始工作，當(dāng)每一個(gè)參考時(shí)鐘來(lái)臨時(shí)，相位累加器增加一個(gè)頻率控制字K，當(dāng)相位累加器的值大于等于2^N之后，就會(huì)對(duì)2^N求余數(shù)并從頭開始循環(huán)累加，即可生成對(duì)應(yīng)頻率的信號(hào)。當(dāng)頻率控制字改變時(shí)，N 位相位累加器的單次累加值也會(huì)對(duì)應(yīng)改變，輸出信號(hào)的頻率就會(huì)對(duì)應(yīng)改變，通過(guò)改變頻率控制字，即可生成任意頻率的信號(hào)DDS 在參考時(shí)鐘的作用下，通過(guò)對(duì)頻率控制字不停地進(jìn)行累加，用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為地址在波形存儲(chǔ)器中通過(guò)查找地址所對(duì)應(yīng)的幅值表，就可以完成其從相位到幅值之間的轉(zhuǎn)化。通過(guò)改變 ROM 表中存放的數(shù)據(jù)，即可生成任意波形。

2.設(shè)計(jì)的目標(biāo)：

設(shè)計(jì)目標(biāo)：

（1）正弦波輸出頻率范圍：1kHz～10MHz；

（2）具有頻率設(shè)置功能，頻率步進(jìn)：100Hz；

（3）輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-4；

（4）失真度：用示波器觀察時(shí)無(wú)明顯失真。

要求：設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告：方案比較，理論分析與計(jì)算，電路圖及有關(guān)設(shè)計(jì)文件，測(cè)試方法與儀器，測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析

3.設(shè)計(jì)的具體過(guò)程：

3.1 設(shè)計(jì)方案的論證

方案一：

采用 MSP430 系列單片機(jī)。該單片機(jī)是 TI 公司 1996 年開始推向市場(chǎng)的一種 16 位 超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)處理器。其內(nèi)部集成了多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器，功能強(qiáng)大。

方案二：

采用 51 系列的單片機(jī)。該單片機(jī)是一個(gè)高可靠性、超低價(jià)、高性能的 8 位單片機(jī)， 32 個(gè) IO 口，且 STC 系列的 51 單片機(jī)單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的 下載與整機(jī)的調(diào)試。

方案三：

采用ESP32,ESP32是由我國(guó)的樂鑫公司(ESPRESSIF)繼 ESP8266 芯片后推出的又一款集成 WiFi 功能的微控制器。ESP32 芯片或模組具有下列特點(diǎn)：

處理器：Tensilica LX6 雙核處理器（一核處理高速連接；一核獨(dú)立應(yīng)用開發(fā)）

主頻：32 位雙核處理器，CPU 正常工作速度為 80 MHz，最高可達(dá) 240 MHz

SRAM：520KB，最大支持 8 MB 片外 SPI SRAM

Flash：最大支持 16 MB 片外 SPI Flash

WiFi 協(xié)議：支持 802.11 b/g/n/d/e/i/k/r 等協(xié)議，速度高達(dá)150 Mbps

頻率范圍：2.4~2.5 GHz

藍(lán)牙協(xié)議：支持藍(lán)牙 v4.2 完整標(biāo)準(zhǔn)，包含傳統(tǒng)藍(lán)牙 (BR/EDR) 和低功耗藍(lán)牙 (BLE)

同時(shí)他還具備豐富的外設(shè)接口：比如 GPIO、ADC、DAC、SPI、I2C、I2S、UART 等常用接口一個(gè)不少。

?當(dāng)今背景下，芯片價(jià)格居高不下，ESP32作為國(guó)產(chǎn)芯片極具性價(jià)比，且集成了WiFi通信功能，因此本次實(shí)踐采用ESP32作為主控。

3.2 DDS芯片簡(jiǎn)介

AD9850能夠輸出正弦波和方波，2 個(gè)正弦波和 2 個(gè)方波輸出。

輸出頻率范圍：0-40MHz。

頻率在 20-30MHz后諧波越來(lái)越大，波形會(huì)越來(lái)越不干凈。

方波： 0-1MHz。

采用 70MHz 的低通濾波器，使波形的 SN 比更好。

比較器的基準(zhǔn)輸入端電壓由可變電阻產(chǎn)生，調(diào)節(jié)該電阻可以得到不同的占空比方波

AD9850模塊采用125MHz的有源晶振。

3.3 硬件框架

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 圖2 硬件框架

3.3軟件框架

?圖3 軟件框架

實(shí)物接線

設(shè)計(jì)結(jié)果及誤差分析

1kHz：

無(wú)明顯誤差

10kHz：

無(wú)明顯誤差

100kHz：

無(wú)明顯誤差

1MHz:

無(wú)明顯誤差

10MHz:

此時(shí)誤差為（10.08-10）/10*100%=0.8%

20MHz:

此時(shí)誤差為（20.16-20）/20*100%=0.8%

30MHz：

此時(shí)誤差為（30.19-30）/30*100%=0.63%

代碼見評(píng)論區(qū)文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-759936.html

到了這里，關(guān)于基于ESP32與AD9850的信號(hào)發(fā)生器的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！