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1、大学生电子竞赛设计与实践清华大学生电子竞赛设计与实践清华第一讲第一讲 针对全国大学生电子设计竞赛的特点和需求开设的一门综合针对全国大学生电子设计竞赛的特点和需求开设的一门综合设计性、实践性课程；设计性、实践性课程； 以电类创新人才技能培养为目标，调动同学们参与课外创新以电类创新人才技能培养为目标，调动同学们参与课外创新活动的积极性和主动性；活动的积极性和主动性； 系统、科学地培养同学们的实际动手能力、创新设计能力、系统、科学地培养同学们的实际动手能力、创新设计能力、工程应用能力以及发现问题、解决问题的能力；工程应用能力以及发现问题、解决问题的能力； 通过该课程的学习可为同学们从事课外创新活动奠
2、定理论与通过该课程的学习可为同学们从事课外创新活动奠定理论与实践基础，并为学校组队参加智能汽车、电子设计、机器人实践基础，并为学校组队参加智能汽车、电子设计、机器人等大型竞赛选拔优秀人才。等大型竞赛选拔优秀人才。课程背景与开设目的课程背景与开设目的信号源题型分析举例信号源题型分析举例 “ “波形发生器波形发生器” ” （第五届，（第五届，20012001年）年） （1 1）任务）任务 设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形, ,如下图所示。如下图所示。信号源
3、题型分析举例信号源题型分析举例（2 2）要求）要求 基本要求基本要求a. a. 具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能；具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能； b. b. 用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（基波及其谐波（5 5次以下）线性组合的波形；次以下）线性组合的波形； c. c. 具有波形存储功能；具有波形存储功能； d. d. 输出波形的频率范围为输出波形的频率范围为100Hz100Hz20kHz(20kHz(非正弦波频率按非正弦波频率按1010次谐波计算次谐波
4、计算) )；重复频率可调，频率步进间隔重复频率可调，频率步进间隔100Hz100Hz； e. e. 输出波形幅度范围输出波形幅度范围0 05V5V（峰（峰- -峰值），可按步进峰值），可按步进0.1V0.1V（峰（峰- -峰值）调整；峰值）调整； f. f. 具有显示输出波形的类型、重复频率具有显示输出波形的类型、重复频率( (周期周期) )和幅度的功能。和幅度的功能。 发挥部分发挥部分 a.a.输出波形频率范围扩展至输出波形频率范围扩展至100Hz100Hz200kHz200kHz； b.b.用键盘或其他输入装置产生任意波形；用键盘或其他输入装置产生任意波形；d. d. 具有掉电存储功能，可
5、存储掉电前用户编辑的波形和设置；具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置； e. e. 可产生单次或多次可产生单次或多次(1000(1000次以下次以下) )特定波形特定波形( (如产生如产生1 1个半周期三角波输出个半周期三角波输出) ) f. f. 其它其它( (如频谱分析、失真度分析、频率扩展如频谱分析、失真度分析、频率扩展200kHz200kHz、扫频输出等功能、扫频输出等功能) )。 系统方案设计系统方案设计比较与论证比较与论证一、波形生成方案：一、波形生成方案：方案一：方案一：采用模拟分立元件或单片压控函数发生器采用模拟分立元件或单片压控函数发生器M MAX803AX80
6、38 8，可产生正弦波、方波、，可产生正弦波、方波、三角波，通过调整外部元件可改变输出频率三角波，通过调整外部元件可改变输出频率；但但由由于模拟元器件参数分散性于模拟元器件参数分散性太太大大，因因而对而对波形波形频率频率的的稳定稳定性性影响影响很很大大，频率分辨率不高，且灵活性较差不能实现任意波形，频率分辨率不高，且灵活性较差不能实现任意波形以及波形的运算输出等智能化功能。以及波形的运算输出等智能化功能。方案二：方案二：采用锁相式频率合成技术。首先通过频率合成技术产生所需要频率的方波采用锁相式频率合成技术。首先通过频率合成技术产生所需要频率的方波通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波
7、器就可以得到正弦波，优点是通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波器就可以得到正弦波，优点是输出频率高，也可以达到较高的频率分辨率；缺点是要求滤波器通带可变，实现困难输出频率高，也可以达到较高的频率分辨率；缺点是要求滤波器通带可变，实现困难，还有一个致命的弱点，即无法实现任意波形功能。，还有一个致命的弱点，即无法实现任意波形功能。方案三：方案三：采用直接数字频率合成技术。采用直接数字频率合成技术。DDFSDDFS技术以技术以Nyquist时域采样定理为基础，在时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成，通过更换波形数据可以轻易实现任意波形功能，并且频率、相时域中进行频率合成，通过更换波形
8、数据可以轻易实现任意波形功能，并且频率、相位、幅度都可利用单片机实现程控；缺点是输出频率受到单片机工作频率的制约位、幅度都可利用单片机实现程控；缺点是输出频率受到单片机工作频率的制约在输出频率要求不高的场合可考虑应用。在输出频率要求不高的场合可考虑应用。方案四：方案四：采用基于采用基于CPLD/FPGACPLD/FPGA的直接数字频率合成技术。优点是可以轻易实现任意波的直接数字频率合成技术。优点是可以轻易实现任意波形功能且输出频率及其分辨率可以做得很高，但难以实现复杂分析算法。形功能且输出频率及其分辨率可以做得很高，但难以实现复杂分析算法。方案五：方案五：采用基于单片机采用基于单片机+CPLD
9、/FPGA+CPLD/FPGA的直接数字频率合成技术。综合考虑了方案三的直接数字频率合成技术。综合考虑了方案三与方案四的优点并能弥补各自的不足。与方案四的优点并能弥补各自的不足。比较后选择方案五。比较后选择方案五。 核心原理核心原理: : 采样定理采样定理 组成部分：参考时钟组成部分：参考时钟fc 相位累加器相位累加器 波形数据查询表波形数据查询表 D DA A转换器转换器 DDS技术原理=kc.注：最大频率需满足输出上限，注：最大频率需满足输出上限，而最小频率需满足输出步进要求而最小频率需满足输出步进要求不能同满足时需分段考虑。不能同满足时需分段考虑。系统方案设计系统方案设计比较与论证比较与
10、论证二、输入设置方案：二、输入设置方案： 设计要求系统具有用户选择预设波形、调控波形和输入存储自定义波形的功能。设计要求系统具有用户选择预设波形、调控波形和输入存储自定义波形的功能。 方案一：方案一：采用键盘输入。这是最基本的方法。优点是输入值精确，实现方便；采用键盘输入。这是最基本的方法。优点是输入值精确，实现方便；但用户自定义输入时难以自由输入想要的特殊波形。但用户自定义输入时难以自由输入想要的特殊波形。方案二：方案二：采用采用手写板输入。这对于用户输入想要的特殊波形非常方便，但接口电路手写板输入。这对于用户输入想要的特殊波形非常方便，但接口电路实现较为复杂，数值输人不够直观。实现较为复杂
11、，数值输人不够直观。 考虑到键盘输入已能满足波形考虑到键盘输入已能满足波形预设、编辑组合等基本功能，比较后预设、编辑组合等基本功能，比较后选择方案一。选择方案一。三、输出显示方案：三、输出显示方案：方案一：方案一：采用采用LEDLED显示。可以显示有限的符号和数字，不易满足本设计的复杂功能。显示。可以显示有限的符号和数字，不易满足本设计的复杂功能。方案二：方案二：采用字符式采用字符式LCDLCD显示。可显示较为清晰的字符和数字，基本可以满足设计要显示。可显示较为清晰的字符和数字，基本可以满足设计要求。但在用户输入波形时，无法显示其波形形状。求。但在用户输入波形时，无法显示其波形形状。方案三：方
12、案三：采用点阵式采用点阵式LCDLCD显示。可以将用户输入的波形及时显示出来，但编程设计显示。可以将用户输入的波形及时显示出来，但编程设计工作量较大。工作量较大。 综合比较后选择方案二。综合比较后选择方案二。系统方案设计系统方案设计结构框图结构框图单片机单片机最小系统最小系统键键盘盘输输入入LCDLCD显示显示FPGAFPGA控制控制 波形波形 ROM ROM存储存储 RAMRAM数模数模转换转换低通低通滤波滤波波形选择波形选择幅度控制幅度控制频率控制频率控制波形编辑波形编辑波形存储波形存储频谱频谱 分析分析 波形输出波形输出单片机开发板单片机开发板FPGA开发板开发板系统硬件设计系统硬件设计
13、电路与参数电路与参数一、单片机控制单元一、单片机控制单元 单片机单元可选用单片机单元可选用89C5289C52开发板开发板( (含电源、晶振、复位、键盘、含电源、晶振、复位、键盘、LCDLCD等电路等电路) ) 单片机单元参数选择与资源配置单片机单元参数选择与资源配置( (时钟频率、端口分配、按键定义、存储时钟频率、端口分配、按键定义、存储容量、显示内容与方式等容量、显示内容与方式等) )AT89C52单片机单片机单元电路单片机单元电路系统硬件设计系统硬件设计电路与参数电路与参数二、二、FPGAFPGA波形产生单元波形产生单元 FPGAFPGA单元可选用单元可选用EP1C6EP1C6开发板开发
14、板( (含电源、晶振、复位、存储器等电路含电源、晶振、复位、存储器等电路) ) FPGAFPGA单元参数选择与资源配置单元参数选择与资源配置( (时钟频率及时钟频率及PLLPLL配置配置 、I/OI/O端口及引脚分配、端口及引脚分配、存储容量及定制方式等存储容量及定制方式等) )外部晶振：外部晶振：10MHz10MHz系统时钟：可通过系统时钟：可通过PLLPLL配置为：配置为：10MHz 10MHz /20MHz /50MHz /100MHz/20MHz /50MHz /100MHz等等存储器个数：正弦波存储器个数：正弦波/ /三角波各三角波各1010个个存储器容量：可片内定制或片外配置存储器
15、容量：可片内定制或片外配置 10*100010*1000正弦正弦ROM/10*1000ROM/10*1000三角三角ROMROM用户引脚数：用户引脚数：185185个个信号信号I/OI/O端口：端口：4 4位功能选择信号线位功能选择信号线 8 8位频率位频率/4/4位幅度控制口线位幅度控制口线 1010位外扩存储器地址线位外扩存储器地址线 8-108-10位波形数据总线位波形数据总线时钟信号与谐波选择产生模块PLL倍频模块倍频模块频率频率选择模块选择模块幅值幅值选择模块选择模块ADDR1ADDR2ADDR3ADDR10ROM1ROM2ROM3ROM10信号叠加模块DA转换.晶振信号频率控制幅度
16、控制en1clk1clk2en2en3en20clk3clk20FPGA开发板开发板基于基于FPGAFPGA的正弦波形产生模块的正弦波形产生模块系统硬件设计系统硬件设计电路与参数电路与参数三、波形输出单元三、波形输出单元 波形输出单元由数波形输出单元由数- -模转换器与低通滤波器等电路组成模转换器与低通滤波器等电路组成 数数- -模转换器的选择与参数配置模转换器的选择与参数配置(D/A(D/A芯片转换速度、转换精度、输出方式等芯片转换速度、转换精度、输出方式等) ) 低通滤波器的选择与参数配置低通滤波器的选择与参数配置( (滤波器结构、通带截止频率、输出幅度调节滤波器结构、通带截止频率、输出幅
17、度调节与输出阻抗匹配等与输出阻抗匹配等) )系统硬件设计系统硬件设计电路原理框图电路原理框图系统软件设计系统软件设计思路与流程思路与流程K1为为 （ 1-3）频率选择频率选择(K2,K3,K4,K5,K6)输出功能输出功能/频率频率/幅度控制信号幅度控制信号数值输入数值输入(K2,K3)FPGA波形产生波形产生NYYN参参数数设设定定完完成成?Y功能选择功能选择(K1)系统软件设计系统软件设计思路与流程思路与流程设计实现设计实现实物实物作品作品设计实现设计实现输出波形输出波形设计课题设计课题1 1 正弦信号发生器正弦信号发生器 （2005年全国第七届竞赛年全国第七届竞赛A题）题） 一、任务一、
18、任务 设计制作一个正弦信号发生器。设计制作一个正弦信号发生器。二、要求二、要求1 1、基本要求、基本要求 （1 1）正弦波输出频率范围：）正弦波输出频率范围：1kHz1kHz10MHz10MHz； （2 2）具有频率设置功能，频率步进：）具有频率设置功能，频率步进：100Hz100Hz； （3 3）输出信号频率稳定度：优于）输出信号频率稳定度：优于10-410-4； （4 4）输出电压幅度：在负载电阻上的电压峰）输出电压幅度：在负载电阻上的电压峰- -峰值峰值V Vopp1Vopp1V； （5 5）失真度：用示波器观察时无明显失真。）失真度：用示波器观察时无明显失真。2 2、发挥部分、发挥部分
19、 （1 1）增加输出电压幅度：在频率范围内负载电阻上正弦信号输出电压的峰）增加输出电压幅度：在频率范围内负载电阻上正弦信号输出电压的峰- -峰值峰值V Vopp=6V1Vopp=6V1V； （2 2）产生模拟幅度调制）产生模拟幅度调制(AM)(AM)信号：在信号：在1MHz-10MHz1MHz-10MHz范围内调制度范围内调制度ma可在可在10%10%100%100%之之间程控调节，步进量间程控调节，步进量10%10%，正弦调制信号频率为，正弦调制信号频率为1kHz1kHz，调制信号自行产生；，调制信号自行产生； （3 3）产生模拟频率调制）产生模拟频率调制(FM)(FM)信号：在信号：在100kHz10MHz100kHz10MHz频率范围内产生频率范围内产生10kHz10kHz最大频偏，最大频偏，且最大频偏可分为且最大频偏可分为5kHz/10kHz5kHz/10kHz二级程控调节，正弦调制信号频率为二级程控调节，正弦调制信号频率为1kHz1kHz，调制信号自，调制信号自行产生；行产生； （4 4）产生二进制）产生二进制PSKPSK、ASKASK信号：在信号：在100kHz100kHz固定频率载波进行二进制键控，二进制固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为基带序列码速率固定为10kbps10kbps，二进制基带序列信号自行产生；，二进制基带序列信号自行产生；
