基于锁相环频率合成技术的波形发生器设计

李 敏

(黄冈职业技术学院，湖北黄冈 438002)



基于锁相环频率合成技术的波形发生器设计

李 敏

(黄冈职业技术学院，湖北黄冈 438002)

本文设计了一种基于锁相环频率合成技术的波形发生器，该波形发生器采用单片机技术，采用AT89S52单片机通过巧妙的软件设计和锁相环频率合成技术，产生数字式的正弦波、方波、三角波等幅值可调的信号，产生的信号频率可通过键盘调节频率和幅度，并通过液晶显示所选信号的类型。本系统产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便，人机界面友好，成本低。其中幅度控制采用双D/A技术，后级通过滤波与功放电路改善波形，提高了驱动能力。

AT89S52；锁相环；双D/A技术

波形发生器是工业生产与科技实验中常用的电子设备，本文提供了一种以AT89S52单片机为控制核心，能产正弦波、方波、三角波等且幅值可调的技术方案，设计了一种基于锁相环频率合成技术的波形发生器，该方案结构简单，性能稳定，可靠性高。

1 方案比较与论证

本系统中的难点部分是频率合成器和储存器的选择，由于要使输出波形的带宽较大，稳定性好，就必须选用合适的方案予以实现，所以提出几种实现方案进行分析和论证。

1.1 波形产生方案

方案一：采用单片压控函数发生器，如8038。IC8038可同时产生正弦波、方波和三角波。改变8038的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为0.001Hz～300kHz，可满足题目频率范围要求。但是不能实现编辑任意波形的输出。而且产生的频率稳定性差，精度较低，抗干扰能力差，成本低，且不能实现任意波形及波形的运算。

方案二：采用单片机产生波形。正弦波的产生，通过CPU运算或查表，由单片机控制读出地址中数据经D/A转换电路，然后通过一个低通滤波器和稳幅电路，产生稳定的正弦波形输出，而且可以通过改变CPU中的数据，可以改变输出波形的频率，实现频率可调功能。方波的实现，可以通过中断或是延时的方式改变管脚输出的电平状态，即可实现方波的输出。三角波的产生，将一个周期内的波形分成若干等份，得出每个时间段的幅值，把数据存入单片机的RAM中，利用单片机查表得输出波形。但是不能实现对任意波形的输出，也不能实现对谐波的线性组合，所以在此不采用此方案。

方案三：如图1所示，采用锁相环式频率合成技术。锁相频率合成器由基准频率产生器、锁相环路和可编程分频器三部分组成，其原理框图如下图所示。由石英晶体振荡器产生一高稳定度的标准频率源fs,经过定分频器进行M分频后，得到参考频率fr,显然有fr=fs=/M，这送入锁相环路的鉴相器的一个输入端，锁相环的压控振荡器的输出频率为fo，经可编程分频器N分频后，也送到鉴相器的另一个输入端，当环路锁定时，可得fr=fo=/N，因此压控振荡器的输出信号为fo=Nfr，改变分频系数N就可得到不同频率的信号输出。

图1 锁相环式频率合成技术原理图

综上所述，方案一的频率控制精度达不到要求，而且三种波形的基波及其谐波的线性组合难以实现；方案二欲实现20kHz的波形输出，步进≤100Hz ，CPU需要很高的速度，普通的CPU 很难达到要求；方案三结构简单，性能稳定，易于实现。由此我们选择方案三，由锁相环实现频率的合成。

1.2 幅度控制模块方案

1.3 储存模块方案

采用随机存储器RAM来存储所需波形的量化数据。选用32KB静态随机存储器RAM62256芯片。它具有15根地址线，8根数据线供用户使用。由于是单口RAM，通过外部加入锁存器，可通过单片机的P3.0脚来实现数据传送与扫描的隔离，当P3.0脚为低电平时单片机可以对RAM进行读写操作，用户可以通过外部键盘编辑波形数据，将产生的波形数据保存在62256中；当P3.0脚为高电平时，由外部地址计数器4040读取RAM中的波形数据，送到DAC0832中进行转换。

2 系统设计

2.1 系统总体设计

本设计以单片机AT89S52为核心，完成四方面的功能：处理键盘置数、生成波形数据并存储到外部RAM、控制LCD的显示、控制DAC0832进行幅值转换。通过地址计数器4040，产生地址计数信号，读出RAM中存储的波形数据，经D/A转换，低通滤波器及功率放大器就可以得到任意存储在RAM中的波形。总体框图如图2所示。

图2 系统总方框图

2.2 各模块设计

2.2.1 晶体振荡电路

设计中取128个样点组成一个周期的波形，且频率最小步进间隔定为4Hz，这样需要产生512Hz基准频率的方波作为锁相环电路的输入。将32.768KHz的晶振振荡和分频即可得到512Hz的标准方波信号，即f1=512Hz。其电路原理图如图3所示。

图3 晶体振荡电路

2.2.2 地址计数器电路

地址计数电路如图4所示，将f1=512 Hz的基准方波信号作为锁相环4046的输入信号，通过可编程计数器8253对锁相环的输出频率f0进行任意的N倍频，这样在锁相环锁相稳定之后f0=N×f1，以达到倍频的目的，要使得输出波形的频率达到20kHz，因为每个周期需取128个点，那么锁相环的最大工作频率需达到2.56MHz，所以选用74HC4046以满足要求。

2.2.3 数据读取电路

本设计中我们将制成的波形数据样值表存储在RAM中，将RAM62256的地址线的A0～A6低7位与地址计数器4040相连构成RAM的地址发生器。利用锁相环产生时钟信号驱动地址计数器4040读取RAM62256中的波形数据，再经D/A转换器转换成模拟信号输出。原理图如图5所示。

2.2.4 幅度控制电路

本系统采用的是双D/A技术，利用单片机实现对输出信号幅度的控制，其控制方法是用第一级DAC0832转换的输出电压作为第二级DAC0832的基准电压VREF，使得输出波形的幅值为0～5V可调，实现步进0.1V的步进量。其电路原理图如下图6所示。

图4 地址计数器电路

图5 数据存储电路

2.2.6 输出放大电路

信号由滤波电路输出，经LF356保持稳定电压，再由LF356放大器增大电压，由TIP122和TIP127增大电流，提高电路带负载的能力。其中精密电位器起线性补偿的作用，使得输出的信号具有良好的稳定性，设计如图7所示。

2.2.7 波形的线性组合

这一部分的功能主要由单片机来完成。通过键盘的编辑可以完成同频率的三种不同种类波形的叠加，以及基波和谐波的组合。其基本原理都是对不同的波形数据乘上对应的系数再叠加。对于同频率三种波形的叠加，表达式写为：

图6 幅度控制电路

图7 功率放大电路

其中,Vsin、Vtri、Vpul分别为标准正弦波、三角波和方波，A、B、C为比例系数。只要改变比例系数则可以改变输出的波形。

而对于基波和谐波的组合，表达式可以写为：

其中VΣ为叠加后的波形，Vn为n次谐波)

2.2.8 系统整体电路

系统整体电路如图8所示。

图8 系统整体电路

2.3 系统软件设计

系统软件设计的主流程图如图9所示。

3 系统测试

3.1 测试数据3.2 波形组合测试

由三种波形的线形组合，如图10所示，由方波、正弦波、三角波按1：1：1的比例组合而成的波形。

表1 基本波形频率测试数据

图9 系统程序主流程图

图10 三种基波的线性组合波形

幅度设定值/V实际测量值/V误差/%0．10．101．01．050．051．11．150．151．21．250．052．02．10．13．02．90．14．04．005．04．90．1

4 结 论

根据以上测量数据，能够实现方波、正弦波、三角波三种波形的输出，并且能实现三种波形的线性组合。频率范围为167Hz～25kHz，频率步进为4Hz。输出的波形幅度为0V～5V，步进为0.1V，并有具有掉电保护功能。

1 周岭松.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2001)[M]. 北京：北京理工大学出版社，2001.

2 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

3 赵茂泰.智能仪器原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2004.

4 张齐.单片机应用系统设计技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

(责任编辑：谭银元)

The Design of a Waveform Generator based on Synthetic Technology of Phase Locked Loop Frequency

LI Min

(Huanggang Vocational Technical College，Huanggang 438002，China)

In this essay, a waveform generator is designed based on synthetic technology of phase locked loop frequency. The waveform generator adopts technology in single chip microcomputer. Its system produces amplitude-changeable signal such as digital sine wave, square wave, triangle wave by using single chip microcomputer AT89S52 which is equipped with delicate software design and technology of phase locked loop frequency. The frequency and amplitude of signal could be controlled by keyboard and its types can be chosen by LCD display. The signal from this system is featured by less interference, stable output and high reliability, especially for easy and convenient operation, good interference, low cost. Meanwhile amplitude controlling adopts double D/A technology. Secondary side applies the filter and power amplification circuit to improve waveform and better the drive ability.

AT89S52; phase locked loop; double D/A technology

黄冈职业技术学院科研教学项究项目“基于Multisim电子仿真技术在应用电子技术专业教学中的应用研究与实践”(2015C2041115)

2016-04-18

李 敏，男，硕士，副教授。主要研究方向：智能仪器仪表、数字信号处理。

TN02

A

1671-8100(2016)03-0024-06