函数信号范文（精选9篇）
函数信号 第1篇
1 系统概述
在现代电子学中, 函数发生器的实现方法有很多种, 本设计以单片集成芯片MAX038为核心, 利用单片机AT89C51检测其输出波形的频率、利用数码管LED显示频率值、键盘控制输出波形方式来设计函数发生器。
2 设计要求及方案选择
2.1 设计任务和要求。设计一个能产生正弦波、方波、三角波的函数信号发生器。主要性能指标: (1) 输出电压范围:0~10V; (2) 输出频率范围:20Hz~5MHz; (3) 显示位数:5位LED显示。
2.2 方案论证
方案一:存储器+数/模变换。利用数/模变换技术的多波形发生器。由EPROM (如, EPROM2716) 存储各种常用波形的二进制代码 (8位) , 每个波形代码占用256个字节 (1页) , 一块芯片可以存储8种常用波形的代码。有拨码开关实现对EPROM的页的寻址并确定输出波形的种类。再有二进制计数器 (如, 74LS393) 实现对EPROM的页内寻址, 计数器的计数速度决定了输出波形的速率, 调节电位器的阻值, 由V/F转换器 (如, AD537) 输出脉冲频率发生变化, 改变了计数器的计数速度从而调节输出波形的频率。D/A转换器将数字化的波形代码转换成模拟量, 通过放大器输出, 用电位器调节D/A转换器的Vref的电压实现对输出波形幅值的改变。
方案二:利用函数发生芯片ICL8038。利用微处理器函数发生器ICL8038, 也能够方便地发生频率 (0.001~300k Hz) 可变的正弦波、方波、三角涉及完成数控频率调整。可是, 其输出频率的安稳度低, 频率的步长操控难以达到抱负的成果, 更难以实现三种波形的叠加。
方案三:利用单片机与数/模转换结合, 实现频率可调、幅度稳定的函数发生器。利用单片机AT89C51与数/模转换芯片DAC0832相结合组成信号发生器, 频率调节采用软件延时, 也可以利用硬件的方法实现;幅值的变化可采用电阻网络或利用DAC0832内部的电阻网络实现。
方案四:利用单片机与函数发生专用芯片实现数显函数发生器。用单片机AT89C51与函数发生专用芯片MAX038组成。该信号发生器主振选用MAX038型高频精细函数信号发生器专用集成块, 单片机AT89C51控制波形输出类型、测量频率并显示输出频率。通过键盘改变输出波形, 单片机、迟滞对比器、前端计数器、数码管LED显现等构成精密频率计, 显示输出信号的频率。
2.3 方案比较。
从以上方案设计论证, 方案一运用集成化的元器件, 元件少, 电路工作可靠性较高, 精度也较高, 能输出的多种波形的频率和幅值也易于调节, 但工作频率不高, 不能满足设计的要求;方案二函数信号发生芯片ICL8038输出波形的频率较低, 它能作为低频信号发生器的信号源;方案三与方案二有一个相同点就是工作频率低, 但方案三可以作为优越的低频信号发生器, 其幅度与精度也能满足实际需要的低频信号源;方案四是一种宽频信号发生器设计方案, 其频率范围在2~20MHz变化, 在输出波形、信号幅度上, 均可满足设计的要求, 硬件、软件上稍微有点复杂, 但性能较好, 精度较高。经过以上比较, 方案四能精确的满足我们设计的要求, 为此本设计采取此方案。
2.4 总体方案确定。
本系统设计方案选用方案四, 函数发生器主振采用MAX038型高频精密函数信号发生器专用集成块, 经驱动和幅度控制电路输出, 通过键盘改动输出波形, 计数器、迟滞对比器、单片机、LED显现等构成精密频率计, 显现信号源的输出频率。
3 硬件设计
3.1 波形产生电路。
为了满足设计的要求, 我使用了专用的波形产生器件MAX038。
3.1.1 MAX038简介。
MAX038是Maxim公司出产的一种高速函数发生器, 工作频率规模为0.1Hz~20MHz, 扫频规模可达350倍。MAX038运用±5V的电源, 输出起伏为2V (p-p) , 输出阻抗的典型值为0.1, 可直接驱动100的负载。振荡频率由COSC引脚的电容量和IIN引脚的电流决定。输出信号的频率由流入引脚IIN的电流IIN、电容CF及引脚FADJ上的电压VFADJ决定的。它能产生正弦波、方波和三角波, 可利用地址线A0和A1的不同编码选择所要输出的波形
3.1.2 应用电路。
根据以上对MAX038性能分析, 其输出波形均满足本设计的要求, 为此, MAX038独自承当了函数信号输出的功能, 经过外部的电阻和电容的调理, 完结特定频率和幅值的信号输出。
3.2 输出驱动电路。
由于MAX038的输出信号为稳定的2V (p-p) , 且输出电流不高, 所以必须在输出级最少有一级的扩大电路来供给满意的输出电压和电流, 以满意通常使用需求。输出扩大电路是本信号发生器研制中首要的难点之一。由于输出信号最大基频为20MHz, 其三角波和矩形波的高次谐波成分很高, 所以要得到不失真的输出波形, 首要需求扩大器具有很高的频宽。其次, 高频大信号扩大需求扩大器有满意的输出电压变换速率, 在正弦波的情况下, 扩大器所需求的最大摆率Sr=2ωA=2лf A, 其间ω为信号的角频率、A为信号的幅值、f为频率。别的要带动低阻负载, 扩大器的电流输出才能也是个重要参数, 要在100负载上输出6V信号, 则扩大器最少要有60m A的连续电流输出才能。鉴于以上几点, 我们挑选AD公司的高速运放AD811作为输出扩大器, 它是一个宽带高速电流反馈型运算扩大器, 其各项参数非常适合上述需求:小信号带宽 (G=+2时) 达120MHz, 电压摆率Sr为2500V/μs, 全谐波失真THD为-74d B (10MHz) , 输出电流达100m A, 其短路输出电流可达150m A。
参考文献
函数信号发生器论文 第2篇
系别：电子工程系 专业：应用电子技术 届：XX届 姓名：XXX 摘 要
本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作成本较低。适合学生学习电子技术测量使用。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。
关键词 ICL8038，波形，原理图，常用接法
一、概述
在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。
二、方案论证与比较
2.1·系统功能分析
本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度的控制。在设计的过程中，我们综合考虑了以下三种实现方案：
2.2·方案论证
方案一∶采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。
方案二∶采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 相信都很难控制。
方案三：采用8038单片压控函数发生器，8038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。
三、系统工作原理与分析
3.1、ICL8038的应用
ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为：可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形；改变外接电阻、电容值可改变，输出信号的频率范围可为0.001Hz～300KHz；正弦信号输出失真度为1%；三角波输出的线性度小于0.1%；占空比变化范围为2%～98%；外接电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比（不对称度）；频率的温度稳定度（典型值）为120*10-6（ICL8038ACJD）～250*10-6（ICL8038CCPD）；对于电源，单电源（V+）：+10～+30V，双电源（+V）（V-）：±5V～±15V。图1-2是管脚排列图，图1-2是功能框图。8038采用DIP-14PIN封装，管脚功能如表1-1所示。
3.2、ICL8038内部框图介绍
函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示（图1-1），共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为IS1和IS2，且IS1=I，IS2=2I；两个电压比较器Ⅰ和Ⅱ的阈值电压分别为 和，它们的输入电压等于电容两端的电压uC，输出电压分别控制RS触发器的S端和 端；RS触发器的状态输出端Q和 用来控制开关S，实现对电容C的充、放电；充点电流Is1、Is2的大小由外接电阻决定。当Is1=Is2时，输出三角波，否则为矩尺波。两个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强带负载能力；三角波变正弦波电路用于获得正弦波电压。
3.3、内部框图工作原理
★当给函数发生器ICL8038合闸通电时，电容C的电压为0V，根据电压比较器的电压传输特性，电压比较器Ⅰ和Ⅱ的输出电压均为低电平；因而RS触发器的，输出Q=0，；
★使开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流为
IS1=I
因充电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性上升。
★当上升为VCC/3时，电压比较器Ⅱ输出为高电平，此时RS触发器的，S=0时，Q和 保持原状态不变。
★一直到上升到2VCC/3时，使电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，此时RS触发器的 时，Q=1时，导致开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2-IS1=I因放电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性下降。
起初，uC的下降虽然使RS触发的S端从高电平跃变为低电平，但，其输出不变。
★一直到uC下降到VCC/3时，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，此时，Q=0，使得开关S断开，电容C又开始充电，重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。
由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为三角波，Q和 为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。
结论：改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出也得不到正弦波了。
3.4、方案电路工作原理（见图1-7）
当外接电容C可由两个恒流源充电和放电，电压比较器Ⅰ、Ⅱ的阀值分别为总电源电压（指+Vcc、-VEE）的2/3和1/3。恒流源I2和I1的大小可通过外接电阻调节，但必须I2＞I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，恒流源I1给C充电，它的两端电压UC随时间线性上升，当达到电源电压的确2/3时，电压比较器I的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2＞I1（设 I2=2I1），I2将加到C上进行反充电，相当于C由一个净电流I放电，C两端的电压UC又转为直线下降。当它下降到电源电压的1/3时，电压比较器Ⅱ输出电压便发生跳变，使触发器输出为方波，经反相缓冲器由引脚9输出方波信号。C上的电压UC，上升与下降时间相等（呈三角形），经电压跟随器从引脚3输出三角波信号。将三角波变为正弦波是经过一个非线性网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波的两端变为平滑的正弦波，从2脚输出。
其中K1为输出频段选择波段开关，K2为输出信号选择开关，电位器W1为输出频率细调电位器，电位器W2调节方波占空比，电位器W3、W4调节正弦波的非线性失真。
图1-1
3.5、两个电压比较器的电压传输特性如图1-4所示。
图1-4
3.6、常用接法
如图（1-2）所示为ICL8038的引脚图，其中引脚8为频率调节（简称为调频）电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成正比。引脚7输出调频偏置电压，数值是引脚7与电源+VCC之差，它可作为引脚8的输入电压。如图（1-5）所示为ICL8038最常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL至+VCC。在图(a)所示电路中，RA和RB可分别独立调整。在图(b)所示电路中，通过改变电位器RW滑动的位置来调整RA和RB的数值。
图1-5
当RA=RB时，各输出端的波形如下图(a)所示，矩形波的占空比为50％，因而为方波。当RA≠RB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波了，图(b)所示为矩形波占空比是15%时各输出端的波形图。根据ICL8038内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为
故RA<2RB。
为了进一步减小正弦波的失真度，可采用如图（1-6）所示电路，电阻20K与电位器RW2用来确定8脚的直流电压V8，通常取V8≥2/3Vcc。V8越高，Ia、Ib越小，输出频率越低，反之亦然。RW2可调节的频率范围为20HZ20~KHZ。V8还可以由7脚提供固定电位，此时输出频率f0仅有Ra、Rb及10脚电容决定，Vcc采用双对电源供电时，输出波形的直流电平为零，采用单对电源供电时，输出波形的直流电平为Vcc/2。两个100kΩ的电位器和两个10kΩ电阻所组成的电路，调整它们可使正弦波失真度减小到0.5%。在RA和RB不变的情况下，调整RW2可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到100:1。在引脚8与引脚6之间直接加输入电压调节振荡频率，最高频率与最低频率之差可达1000:1。
3.7、实际线路分析
可在输出增加一块LF35双运放，作为波形放大与阻抗变换，根据所选择的电路元器件值，本电路的输出频率范围约10HZ～20KHZ；幅度调节范围：正弦波为0～12V，三角波为0～20V，方波为0～24V。若要得到更高的频率，还可改变三档电容的值。
图1-6
表 1-1 ISL8038管脚功能
管 脚 符 号 功 能
1，12 SINADJ1，SINADJ2 正弦波波形调整端。通常SINADJ1开路或接直流电压，SINADJ2接电阻REXT到V-，用以改善正弦波波形和减小失真。SINOUT 正弦波输出TRIOUT 三角波输出
4，5 DFADJ1，DFADJ2 输出信号重复频率和占空比（或波形不对称度）调节端。通常DFADJ1端接电阻RA到V+，DFADJ2端接RB到V+，改变阻值可调节频率和占空比。V+ 正电源 FMBIAS 调频工作的直流偏置电压FMIN 调频电压输入端SQOUT 方波输出 C 外接电容到V-端，用以调节输出信号的频率与占空比V-负电源端或地
13，14 NC 空脚
四、制作印刷电路板
首先，按图制作印刷电路板，注意不能有断线和短接，然后，对照原理图和印刷电路板的元件而进行元件的焊接。可根据自己的习惯并遵循合理的原则，将面板上的元器件安排好，尽量使连接线长度减少，变压器远离输出端。再通电源进行调试，调整分立元件振荡电路放大元件的工作点，使之处于放大状态，并满足振幅起振条件。仔细检查反馈条件，使之满足正反馈条件，从而满足相位起振条件。
制作完成后，应对整机进行调试。先测量电源支流电压，确保无误后，插上集成快，装好连接线。可以用示波器观察波形发出的相应变化，幅度的大小和频率可以通过示波器读出。
五、系统测试及误差分析
5.1、测试仪器
双踪示波器 YB4325(20MHz)、万用表。
5.2、测试数据
基本波形的频率测量结果
频率/KHz
正弦波 预置 0.01 0.02 2 20 50 100
实测 0.0095 0.0196 2.0003 20.0038 50.00096 100.193 方波 预置 0.01 0.02 2 20 50
实测 0.095 0.0197 1.0002 2.0004 20.0038 三角波 预置 0.01 0.02 1 2 20 100
实测 0.0095 0.0196 1.0002 2.0004 20.0038 100.0191 5.3、误差分析及改善措施
正弦波失真。调节R100K电位器RW4，可以将正弦波的失真减小到1%，若要求获得接近0.5%失真度的正弦波时，在6脚和11脚之间接两个100K电位器就可以了。
输出方波不对称，改变RW3阻值来调节频率与占空比，可获得占空比为50%的方波，电位器RW3与外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节RW3可使波形对称。
没有振荡。是10脚与11脚短接了，断开就可以了
产生波形失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此问题。也有可能是因为2030功率太大发热导致波形失真，加装上散热片就可以了。
5.4、调试结果分析
输出正弦波不失真频率。由于后级运放上升速率的限制，高频正弦波（f>70KHz）产生失真。输出可实现0.2V步进，峰-峰值扩展至0～26V。
图1-2
图 1−7
六、结论
通过本篇论文的设计，使我们对ICL8038的工作原理有了本质的理解，掌握了ICL8038的引脚功能、工作波形等内部构造及其工作原理。利用ICL8038制作出来的函数发生器具有线路简单，调试方便，功能完备。可输出正弦波、方波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高。系统输出频率范围较宽且经济实用。
七、参考文献
【1】谢自美《电子线路设计.实验.测试（第三版）》武汉：华中科技大学出版社。2000年7月
【2】杨帮文《新型集成器件家用电路》北京：电子工业出版社，2002.8
【3】第二届全国大学生电子设计竞赛组委会。全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编。北京：北京理工大学出版社，1997.【4】李炎清《毕业论文写作与范例》厦门：厦门大学出版社。2006.10
正弦信号函数发生器设计 第3篇
函数信号发生器是一种不可缺少的通用信号源, 是生产设计、仪器维修及实验室不可或缺的仪器。采用了现场门阵列 (FPGA) 技术实现了可以产生正弦信号且频率步进可调的正弦信号函数发生器, 该正弦函数发生器其频率调整范围是1kHz ～10MHz, 能实现了幅度调制 (AM) , 频率调制 (FM) 以及二进制信号PSK、ASK。
1 硬件电路设计
硬件设计以微控制器AT89C55WD为控制核心[1], 基于RTX51实时多任务操作系统, 以 FGPA和微控制器为核心并结合所需的外围模块, 实现键盘输入数据处理、红外无线收发、正弦信号和PSK, ASK, AM, FM等调制信号的发生和LCD演示[2], 如图1所示。
1.1 直接数字频率合成 (DDFS) 模块设计
DDFS模块的设计采用VHDL语言实现, 其设计框图如图2所示, 在FPGA中, 其RTL门级图如图3所示。
在图2中相位累加器是DDFS的核心, 它由一个N位字长的二进制加法器和一个由固定时钟控制的N位相位寄存器构成。相位寄存器的输出与累加器的一个输入端相连, 而MCU送来的频率控制字K经同步寄存后与累加器的另一个输入端相连。当每个时钟脉冲到达时, 相位寄存器采样上一个时钟周期内的值与频率控制字K的和, 取其高位部分作为这一时钟周期的输出序列。频率控制字K决定了相应的相位增量, 相位累加器则不断的对该相位增量进行线性累加, 当相位累加器计满会产生一次溢出, 完成DDFS合成信号的一个频率周期。DDFS的输出频率Fout和步进Δf可采用式 (1) 和式 (2) 表示, 其中N为相位累加器字长, Fclk为基准时钟信号;K为频率控制字[3]。
为了使输出结果最优化, 在本设计中将输出划分为10Hz～100kHz和100kHz～10MHz两个档次, 由FPGA根据输入频率字自动选择, 为了使为了使频率扩展到10MHz, 步进达到10Hz, 选用波形表宽度为10位、深度为1024位, 即每周期波形有1024点。相位累加器字长N为24位 (224=1677216) , 在FPGA上通过使用内部锁相环PLL将50M晶振倍频得到 (Fclk≈166.66667M) 以及通过3分频得到 (Fclk≈16.66667M) , 使得2N≈Fclk, 这样输出频率Fout就近似等于频率控制字K, 且步进为式 (3) 和式 (4) ;频率控制字K为2位, 则最高输出频率为式 (5) 和式 (6) 。
1.2 信号调制模块设计
信号调制模块设计利用FPGA的DDFS技术, 产生一路1kHz的正弦信号, 采用高速A/D转换器TLC5510采样, 然后在FPGA中在FPGA中通过调制信号、载波信号数据点的运算产生所需要的AM, FM, FSK, ASK波形数据, 送入12位并行输入高速D/A转换器THS5651输出所需波形[4]。
1.2.1 幅度调制模块 (AM)
AM调制模块硬件设计原理如图4所示。
调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅, 即让调幅信号的幅值按调制信号x线性函数变化。调幅信号us的一般表达式可写为
Δus= (Um+max) cosωct (7)
式中, ωc为载波信号的角频率;Um为调幅信号中载波信号的幅度;ma为调制度, 在本模块设计宽带模拟乘法器AD834及必要的外围器件实现, 载波由IN1端输入, 调制信号由IN2端输入, X1、Y2端为交流地电位。外接W1组成Y通道馈通调节电路。调节W1可改变Y1、Y2的直流电位实现AM波或DSB波。宽带模拟乘法器AD834输出端经LC双端变单端送入T1放大输出[5]。
1.2.2 频率调制模块
调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频, 即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。调频信号us的一般表达式可写为
us=Umcos (ωc+max) t (8)
式中, ωc为载波信号的角频率;Um为调频信号中载波信号的幅度;ma为调制度, 在本设计中, 正弦波256级量化后每一级所对应频偏值写入ROM, 然后由8位高速A/DTLC5510将1kHz基波值读入, 读入数值作为ROM的输入地址, 读出值与要求的载波频率相加后作为频率字输出到DDS模块, 最终产生FM信号。
1.3 红外遥控模块设计
红外键盘遥控系统由发射和接收两大部分组成:发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器;接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。本模块设计采用主控和从控两个单片机实现。红外遥控系统通过从控单片机系统解码后, 由FPGA以总线方式提供给主控单片机系统, 并由FPGA给主控单片机系统提供中断。这样极大地节省了主控单片机的系统开销, 这样大大节省了主控单片机的资源, 并且使主控单片机实现了与82C79键盘共同操作系统。
1.4 FPGA与主单片机通信
微控制器与大规模的可编程逻辑器件有着很强的互补性。前者性价比高、功能灵活、易于人机交互且又有良好的数据处理能力;后者则具有高速、高可靠以及开发便捷、规范等特点。此两类器件相结合的电路结构可以大幅提高系统的性能和设计的灵活性。本设计选择了Altera公司的FPGA器件EP1C3T144C8与单片机相搭配, 在FPGA里构建了与单片机的模拟总线接口, 作为之间数据交换的“通道”, 如图5所示。
2 软件设计
软件设计基于RTX51嵌入式系统[6]。RTX51是应用于MCU的一种多任务实时操作系统 (Real Time Operation System) 。支持任务按时间片循环任务调度和任务间的信号传递, 并且可以并行地利用中断。应用在微控制器上, 可大大提高系统的执行效率和实时性。
FPGA系统采用硬件描述语言VHDL按模块化方式进行设计, 通过Quartus II8.0软件开发平台对设计文件自动完成逻辑编译、逻辑化简、综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真, 最后对FPGA芯片进行编程, 实现系统的设计要求。硬件使用Altera公司的Cyclone EP1C3T144C8。其程序主流程图如图6所示。
3 系统测试与分析
系统测试采用双通道数字示波器、数字频率计GFC—8131H;系统存在的误差主要为相位量化误差, 波形是通过一系列有限的离散采样点表示的, 这就不可避免地引入了相位量化误差, 增加采样点数可以减小这种误差。本文在一个周期内取了256个采样点, 这样就大大减少了误差, 使其在允许的范围内。
4 结束语
FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。它采用高速CHMOS工艺, 功耗低, 可以与CMOS、TTL电平兼容, 本文采用FPGA技术实现的正弦函数发生器具有红外遥控输入, 键盘输入, 能输出频率范围的1kHz～10MHz的正弦波, 能产生幅度调制 (AM) 信号, 频率调制 (FM) 信号。具有比较强的实用价值。
摘要：以微控制器和FPGA为核心, 基于RTX51编写软件系统, 结合必要的外围电路, 完成正弦信号发生器的设计, 该系统由红外控制模块、键盘输入模块、LCD显示模块, 直接数字频率合成模块, 信号调制模块组成, 根据输入的频率字, 能自动产生1kHz10MHz的正弦波, 实现了幅度调制 (AM) , 频率调制 (FM) 以及二进制信号PSK、ASK等功能。
关键词：现场可编程门阵列,微控制器,直接数字频率合成
参考文献
[1]纪宗南.单片机外围器件实用手册——输入通道器件手册[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.
[2]曹龙汉.MCS-51单片机原理与应用[M].重庆:重庆出版社, 2004.
[3]黄智伟.FPGA系统设计与实践[M].北京:电子工业出版社, 2004.
[4]潘松, 黄继业.EDA技术实用教程[M].2版.北京:科学出版社, 2005.
[5]邵时.数字电路设计与实践[M].上海:华东大学出版社, 2003.
函数信号发生器 开题报告 第4篇
题目
函数信号发生器
专 业 名 称
电子信息工程
班 级 学 号
118501106
学 生 姓 名
蔡伟攀
指 导 教 师
邓洪峰
填 表 日 期
201年 3 月 日
说
明
开题报告应结合自己课题而作，一般包括：课题依据及课题的意义、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。以下填写内容各专业可根据具体情况适当修改。但每个专业填写内容应保持一致。
一、选题的依据及意义
1.选题依据
信号发生器（signal generator）又称信号源或振荡器，是输出供给量，产生频率、幅度、波形等主要参数都可调的信号，用于测量的信号发生器指的是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则的信号源，在电子系统的测量、实验、校准和维护中的得到广泛的应用。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波甚至任意波形，各种波形曲线均可用三角函数方程式表示。如在制作和调试音频功率放大器时，就需要人为的输入一个标准音频信号，才能测量功率放大器的输出，得到功率放大器的相关参数，此时要用到的这个标准音频信号就是由信号发生器提供的，可见信号发生器的应用很广。信号发生器其作用是：测量网络的幅频特性、相频特性；测量网络的瞬态响应；测量接收机；测量元件参数等。
信号源可以分为通用和专用两种，通用信号源包括:正弦信号源、脉冲信号源、函数信号源、高频信号源、噪声信号源；专用信号源包括：电视信号源、编码脉冲信号源。信号发生器根据输出波形可以分为：正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器和噪声信号发生器。
（1)正弦信号发生器
主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按照其不同性能和用途还可以分为低频（20Hz~10MHz）信号发生器、高频（100kHz~300MHz）信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控发生信号发生器、频率合成式信号发生器等。
（2）函数（波形）信号发生器
能产生特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可以从几微赫兹到几十兆赫兹。除供通信、仪表和自动控制系统测试外，还广泛用于其他非电测量领域。
（3）脉冲信号发生器
能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。
（4）随机信号发生器
通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两种。噪声信号发生器的主要用途为：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计行误差，可用伪随机信号来解决。
信号发生器按照用途分可以分为专用信号发生器和通用信号发生器等；按照性能有普通信号发生器和标准信号发生器；按照调制类型可以分为调幅信号发生器、调频信号发生器、调相信号发生器、脉冲调制信号发生器及组合调制发生器等；按照频率调节方式可以分为扫频信号发生器、程控信号发生器等。
传统的波形发生器大多是采用分立元件组成的，这种电路存在波形质量差、控制难、可调范围小、电路复杂和体积大等特点，特别是对于低频信号而言，这些问题更是突出。而用单片机构成的函数信号发生器可以克服这些问题，还能产生正弦波、三角波、方波等波形，而且波形的幅度和频率都是可以改变的。
2.选题意义
函数发生器是电子电路等各种实验中必不可少的实验设备之一，设计函数发生器是一个很好的选题，因此我们要熟悉的掌握它的工作原理。本课题是研究设计一个基于51单片机的函数信号发生器，和其他方案的设计比起来成本较低而且精度较高，最重要的是开发起来简单易于调试，相对来说具有一定程度的社会和经济价值。在如今的社会，电子科技发展猛速，社会依靠电子科技有了本质的改变，人们的价值观和需求也在改变，因此基于单片机的函数信号发生器会越来越进入我们的使用范围。
二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）
以前，信号发生器全部属于模拟方式，借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。频率的变动由机械驱动可变元件，如电容器或谐振腔来完成，往往调节范围受到限制，因而划分为音频、高频、超高频、射频和微波等信号发生器。随着无线电应用领域的扩展，针对广播、电视、雷达、通信的专用信号发生器亦获得发展，表现在载波调制方式的多样化，从调幅、调频、调相到脉冲调制。
后来，数字技术日益成熟，信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路，从一个频率基准由数字合成电路产生可变频率信号。调制方式更加复杂，出现同相/正交调制至宽频数字调制。数字合成技术使信号发生器变为非常轻便、覆盖频率范围宽、输出动态范围大、容易编程、适用性强和使用方便的激励源。过去测量1GHz以上的射频和微波元部件需要几个信号要手动操作，现在一台高档信号发生器可提供1MHz至65GHz的带宽，而且全部程控操作，从实验室的台式，生产车间的便携式至现场的手持式应用都有大量信号发生器可供选择。特别是微处理器的出现，更促使了信号发生器向着智能化、自动化方向发展。
现在，许多信号发生器除带有微处理器，因而具备了自校、自验、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外，还带有IEEE-488或RS232总线，可以和控制计算机及其他测量仪器仪器方便地构成自动测试系统。目前比较让大家熟悉的发生器有这么一些，如正弦信号发生器、低频和高频信号发生器、微波信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生器等等。
正弦信号发生器：正弦信号主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器；按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器（即信号源）、标准信号发生器（输出功率能准确地衰减到-100分贝毫瓦以下）和功率信号发生器（输出功率达数十毫瓦以上）；按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。
低频信号发生器：包括音频（200～20000赫）和视频（1赫～10兆赫）范围的正弦波发生器。主振级一般用RC式振荡器，也可用差频振荡器。为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。
高频信号发生器：频率为100千赫～30兆赫的高频、30～300兆赫的甚高频信号发生器。一般采用 LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。主要用途是测量各种接收机的技术指标。输出信号可用内部或外加的低频正弦信号调幅或调频，使输出载频电压能够衰减到1微伏以下。
微波信号发生器：从分米波直到毫米波波段的信号发生器。信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势。仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达10毫瓦以上。简易信号源只要求能加1000赫方波调幅，而标准信号发生器则能将输出基准电平调节到1毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值；还必须有内部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。
锁相信号发生器是由调谐振荡器通过锁相的方法获得输出信号的信号源。这类信号发生器频率的精度和稳定度很高，但要实现快速和数控比较困难，同时输出信号的频率分辨率较差。实现高分辨率的信号发生器，采用锁相环来实现有一定的难度，尤其是覆盖低频和高频的信号发生器采用锁相实现比较困难。
合成信号发生器是采用频率合成方法构成的信号发生器。合成信号发生器中使用一个晶体参考频率源，所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到的，因而合成器输出频率的稳定性和精度与参考源一样，现在绝大多数频率合成技术都使用这种合成方法。这类信号发生器具有频率稳定度高、分辨率高、输出信号频率范围宽、频率易于实现程序控制、可以实现多种波形输出及频率显示方便等优点。
当前信号发生器总的趋势是向着宽频率、高频率精多功多用自动化和智能化方向发展。
我国已经开始研制函数信号波形发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说我国的函数信号波形发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看，多为一些PC仪器插卡，独立的仪器和VXI系统的模块很少，并且我国目前在函数信号波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。
三、研究内容及实验方案
1.研究内容：
（1）系统的硬件设计：利用51单片机作为控制电路和DAC0832芯片进行数模转换构成函数信号发生器。使得电路能产生正弦波、三角波、方波、锯齿波和梯形波。同时对幅度和频率进行相应的控制。
（2）系统的软件设计：在本次设计中要用到Altium Designer软件进行PCB制图，然后编写程序要在Keil C51环境中编译，再把程序导入STC89C51芯片中，最后利用示波器观察所要得到的波形结果。
2.实验方案：
函数信号发生器系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成。这次设计的函数信号发生器由单片机（STC89C51）作为主控制电路，和DAC0832芯片进行数模转换构成函数信号发生器。另外由复位电路、稳压电源控制电路、整流部分、波形放大电路、按键控制部分、LCD液晶显示电路等构成，系统框图如下图所示：
系统组成框图
波形由所编程序控制产生，由单片机为核心控制电路，向D/A的输入端按照一定的规律传送数据，将数字信号转变成模拟信号，再由DAC0832的输出端输出信号，输出的信号经过波形转换电路运算放大器LM324得到不同的波形。通过程序和按键控制部分来选择波形的类型、调制波形的幅度和频率。最后在LCD1602上显示波形的类型及数值。
四、研究目标、主要特色及工作进度
1.研究目标：
（1）设计函数发生器，利用51单片机作为控制电路，使该函数发生器能产生正弦波、三角波、方波、锯齿波、梯形波。
（2）使用同一按键选择五个波形，依次输出。要求幅度范围控制在0~5V,正弦波的频率范围控制在10~50Hz，步进值为10Hz；三角波的频率范围控制 在50~250Hz，步进值为50Hz；方波的频率范围控制在200~1000Hz，步进值为200Hz；锯齿波的频率范围控制在100~500Hz,步进值为100Hz；梯形波的频率范围控制在50~250Hz,步进值为50。（3）输出波形的同时实物上的LCD第一行显示内容为：
输出正弦波时显示：Sine Wave；
输出三角波时显示：Triangle Wave；
输出方波时显示：Square Wave；
输出锯齿波时显示：Sawtooth Wave；
输出梯形波时显示：Trapezoidal Wave；
第二行显示内容为：Frequency: *** Hz。
2.主要特色：
设计的信号发生器功能比较齐全能输出几种波形、性能高、波形精度高失真小、电路结构框图较简单，容易调试和操作，使用程序控制单片机使得修改起来方便。
3.工作进度：
1.完成外文资料翻译 第1周——第2周 2.上网查询相关资料，完成开题报告，确定设计方案 第3周——第4周 3.完成软硬件设计 第5周——第6周 4.进行软硬件调试 第7周——第9周 5.毕业设计论文初稿 第10周——第13周 6.修改和完善毕业论文 第14周——第15周 7.提交毕业论文准备论文答辩 第16周——第17周
五、参考文献
基于移频函数的语音信号加密 第5篇
1 语音加密原理
语音信号通常是指人类发出与人类可以接收的信号。人耳可以分辨的声音频率从300~3400Hz;对于低于或者高于此范围的声音,人耳无法对其识别。
一段时间固定的语音信号在MATLAB中是以一个长度为的一维数组V所存储的,其中T为语音信号的固定时间长度,F为信号的采样频率。 本文中采样频率一般取较大,为22050Hz。对于数组V,可以看成一段离散时间的数值序列,可以对其进行离散Fourier变换(FFT),将其变换到频域上,得到数组Y。Y为一维复数数组,我们再对Y进行频域上的搬迁,理论上只要搬迁超过3000Hz就可以实现加密的效果,但是实际中通常会取大一点。
对于搬迁(即调制)所选的频率f,f就是我们的‘密码’,再对语音信号进行解密的时候,必须知道调制的频率f,才能够进行正确解密(解调),否则就会出现‘密码错误’的情况,得到的结果自然也是错误的。
2 语音加密方法
2.1 移频函数cos ωct
对于一个函数信号y=f(t) (t>0),假设其Fourier变换为F( jω) ,F( jω) 为f(t)在频域上的表示形式。
考虑函数g(t)=f(t)×cosωct[2],假设g(t)对应的Fourier变换为G(jω),根据Fourier变换的卷积特性我们可以得到:
利用卷积的性质可以求出:
可以看出,此时的频谱向左右各平移 ωc,并且幅度变为原来的一半。并且信号的形状保持不变,但是在时域上看来,信号已经完全变化了。这时,只要我们加的 ωc能够使得信号移动到人耳所能分辨的频率范围之外,那么就实现了加密的功能。
同样解密的时候,将再乘以cos ωct ,那么得到的频域中的表达形式为:
此时只要使用一个低通滤波器就可以将G1( jω) 中高阶分量F( j(ω - 2ωc))+ F( j(ω + 2ωc)) 两项滤去,从而得到原函数,不过幅度变为了原来的一半。
2.2 加密过程及结果
对于一个语音信号,其原始波形如下图所示:
该信号是一个离散时间信号,可用离散Fourier变换对其进行频域分析,得到其幅频曲线如下所示:
从这个曲线中我们可以看到,幅度最大的部分大约小于3000Hz,并且在两条最高的幅度之间还有间隙,这就证明在小于某个频率之间人类是识别不出也发不出的。鉴于此曲线,先对该信号进行低通滤波,截止频率选择3000Hz,得到幅频曲线如图3:
此处可以清晰地看到,频率大于3000Hz的分量全都被滤除了。
这时对信号进行加密,即加上信号,这里的=7000Hz,调制后得到的语音信号的幅频曲线如下图4:
该曲线横坐标可以看出,原信号的中心频率为0,此时经过载波的搬迁作用,中心频率变为了-7000Hz和7000Hz。同时从纵坐标可以看出,幅度变为了原来的一半。但是曲线的整体形状没有变化,整个信号具有保真性。
此时声音播放出来听到的都是刺耳的尖鸣声,人耳根本无法分辨出来原始的信号是什么。
此时如果进行解密,必须知道原始的载波频率的值才能够进行解调。如果不知道载波频率,比如我们此时加上一个频率为7500Hz的解调信号,得到的信号波形图如下(已滤波):
这时候幅频曲线虽然已经和原信号很接近,但是还是有一些差别,此时的声音播放出来,依旧无法分辨清楚具体内容。
正确解调后,所得的波形图基本和原信号一致,此时也能清楚分辨出信号声音内容。
3 改进的加密方法
3.1 分割加密
上述讨论的加密方法具有一定的可行性,但是由于只有一个调制频率,得到的结果加密性不强,只要对加密信号进行频谱分析,然后多尝试几次解调,基本就可以大致解密,得到原始信号的信息。
但是上述方法简单实用,如果能对上述方法进行改进,肯定是非常不错的。那么如何进行改进呢?一种很自然的想法就是加长密码长度。
前面的方法中,密码只是一个载波频率,通常只有三位有效数字(此时已经能分辨出具体语音信息了),容易被破解。但是如果单纯的加大载波频率那么效率会非常低,载波频率加大10倍,密码有效位数才能加大一位。
这里提出一种分割的思想。我们对一个语音信号分成N段,然后将每一段看成是一个待加密的子信号,然后我们对每个子信号进行加密,假如第i子信号的载波频率为,这样的话我们就得到了N个载波频率,这N个频率数字就组成了一长串密码,我们还可以对这N个数字进行位置排列,这样就可以大大加强密码的可靠性,同时实现简单。
3.2 分割加密结果
对于图3 所示的信号,我们将其分割成六等份,每份所加的载波频率如下:
得到的加密信号的幅频曲线如下:
从这个信号幅频曲线中,虽然我们可以看出每部分的中心频率,但是无法得到每部分频率的顺序,所以很难得到正确的密码,如果将子信号数量变多,那么加密的效果就会越好。此时的声音播放出来无法分辨出来。假如我们知道了密码的一部分,即解调时各部分对应频率如下:
得到的信号幅频曲线如下:
此时得到的信号幅度曲线虽然和原信号很像,但是播放出来之后声音呈现断断续续的情况,无法分辨出正确信息。
4 结语
基于FPGA的函数信号发生器设计 第6篇
利用FPGA来完成设计。FPGA编程灵活, 可以实现三角波和正弦波的数字化处理, 将一个周期内的采样点存储起来, 生成频率和幅值都可调的正弦波或者三角波, 再通过D/A转换和滤波电路, 便可得到模拟波形。利用该方法, 编程简单, 实现灵活。
1.1 系统组成及工作原理
完整的系统由4个部分组成:波形发生控制电路, 波形数据ROM, D/A转换和滤波电路。波形发生控制电路由FPGA来完成, 正弦波在一个周期内的波形可以通过数字采样, 即用N个幅值离散的等间隔采样点表示。图一所示为正弦波和三角波采样的原理, 设其周期为T, 采样点数为N, 采样间隔为△t, 则T=N×△t。那么就可以得到图示的数字信号。要改变其频率只需要改变其采样的时间间隔△t, 由于采样点数N不变, N=△t×T, 因此, △t越小, T就越大, 对应的频率就越大。再通过数模转换, 便可以得到光滑的正弦波和三角波[1]。
FPGA波形发生控制电路通过外来控制信号和高速时钟信号, 向波形数据ROM发出地址信号, ROM的大小由采样点的个数决定。波形ROM中存有发生器的波形数据, 如正弦波或三角波数据。当接受来自FPGA的地址信号后, 将从数据线输出相应的波形数据。取出采样点的幅值, 这样就可以产生数字化的波形。采样点越多, 那么得到的波形就越光滑, 但是相应的存储器的容量就越大, 因此, 需要正确的选择采样点数[2]。
1.2 系统工作原理
系统工作原理如图二所示。
图二为其系统工作原理框图。D/A转换器负责将ROM输出的数据转换为模拟信号, 经滤波电路后输出。输出波形的上限频率和D/A器件的转换速度有重要关系, 采用的是DAC0832作为A/D转换器件。
2 单元电路设计
2.1 输入模块设计
输入模块采用普通的按键输入, 即通过按键选择输出波形是正弦波还是三角波, 同时也通过键盘输入来改变波形的幅值和频率。
2.2 波形发生模块的设计
由于波形发生控制器和波形数据ROM都是利用硬件描述语言VHDL编程实现的, 所以统称为波形发生模块。波形发生控制器的作用是利用FPGA选择产生正弦波或者三角波, 然后再发出地址信号, 取ROM中存好的正弦波或三角波的采样数据。
波形发生模块包括幅度设置、正弦波/三角波切换和频率设置三个进程。幅度设置模块可以对输出波形的幅度进行设置, 可以得到基波幅度的1~10倍幅度值。正弦波/三角波切换进程的作用是完成通过按键来选择输出三角波或者三角波。频率设置进程主要是对输出的频率进行设置, 此前已经介绍过正弦波发生的原理, 基于此原理, 在程序设计的时候, 只要合适的改变采样点的时间间隔就可完成频率设置[3]。
ROM数据存储模块主要用来存储正弦波或者三角波的数据。当接收来自FPGA的地址信号后, 将从数据线输出相应的波形数据, 这样便得到数字化的波形。由于所选的D/A转换器一次只能转化8位二进制码, 而且模拟波的电压幅度由幅度比例系数决定[Vo= (Vr/) *K], 所以限定了波形的幅值比例系数为0~255。如果相邻之间的采样点所对应的幅值比例系数是线性变化的, 则波形是一个三角波;如果是非线性变化的, 那得到的就是正弦波。对波形采样点数目越多, 波形的精准度越高, 但随着采样点数的增加, 需要的ROM数量也会增加, 会消耗系统更多资源。实验证明, 只要在一个周期内的取样点数超过32个就可实现较准确的正弦波形。在本系统中, 取采样点数为64个。每个采样点都对应了该点的幅值比例系数。每个ROM单元对应一个地址值, FPGA只要向ROM存储器输入相应的地址值就可以确定其幅值。
2.3 D/A转换模块的设计
D/A转换器负责将ROM输出的数据转换成模拟信号, 经滤波电路后输出。输出波形分频率上限与D/A器件的转换速度有重要关系。采用DAC0832作为A/D转换器件。DAC0832是8位D/A转换器, 转换周期为1μs, 其引脚信号可以直接与FPGA目标芯片相接。
程序中的正弦波或者三角波的波形数据由64个点构成, 此数据经DAC0832, 并经过滤波器后, 得到光滑的正弦波。D/A转换量是以电流形式输出的, 所以必须将其变为电压信号才能送入滤波电路[4]。
2.4 滤波电路模块的设计
滤波电路可考虑采用二阶巴特沃兹低通滤波器或者RC低通滤波器。巴特沃兹滤波器的幅度函数是单调下降的, 由于n阶低通巴特沃斯滤波器的前 (2n-1) 阶导数在ω=0处为零, 所以巴特沃斯滤波器也称为最大平坦幅度滤波器, 该方案滤波性能较好, 但构造和参数设置比较复杂, 价格也比较昂贵。而RC低通滤波器可以消除在信号产生过程中有干扰性的高频信号, 由于不须运算发大器, 参数计算容易, 对系统要求不高。因此在本设计中, 利用RC低通滤波器就可以达到要求。RC低通滤波电路如图三所示。
3 软件设计
相关软件采用VHDL硬件描述语言编写。VHDL是用于逻辑设计的硬件描述语言, 为IEEE标准。利用它, 硬件的功能描述可完全在软件上实现。它支持自顶向下 (Top Down) 和基于库 (Library_Based) 的设计方法, 支持同步电路、异步电路、FPGA以及等随机电路的设计, 范围很广, 语言的语法比较严格, 给阅读和使用都带来极大好处。
软件设计分为三个进程。正弦波/三角波切换进程、频率幅值设置进程以及波形数据ROM。ROM中存储的是产生波形的采样点数据。如正弦波, 分为64个采样点, 最高采样点值为255, 对应的八位二进制数为11111111, 第二个采样点为254, 对应的八位二进制数为11111110。如果预置的八位二进制数为11111110, 那么时钟跳变一次就产生一个脉冲来让FPGA取出波形数据ROM中的采样点数据, 变化比较快, 相应的△t就比较小, 得到的波形频率就高;如果预置的数是11110101, 即245, 那么就要过10个脉冲才会采样一次, 因此△t就比较大, 得到的波形频率就小。
4 系统仿真波形
系统仿真波形如图四和图五所示。
5 系统测试
5.1 频率和幅度测试 (见表一)
5.2 测试结果
由表一数据可以看出, 该方法可实现正弦波和三角波两种波形的切换, 并且得到平滑的频率和幅值都可调的波形。但是在频率高的地方会有一定的误差。
6 结束语
由以上的分析和实验结果可以看出, 利用FP-GA来完成波形发生器的设计, 使其产生频率和幅值可调的正弦波和三角波的方法行之有效。利用VHDL硬件描述语言完成程序的设计, 并且下载到Xilinx公司SpartanⅡ芯片上调试通过, 在示波器上得到的波形和期望值一致。如果修改一下程序还可以得到其他的任意波形, 简单易行, 利于控制。
参考文献
[1]李冬梅.PLD器件与EDA技术[M].北京:北京广播学院出版社, 2000.
[2]赵俊超.集成电路设计VHDL教程[M].北京:北京希望电子出版社, 2002.
[3]赵曙光, 郭万有, 杨颂华.可编程逻辑器件原理、开发与应用[M].西安:电子科技大学出版社, 2000.
不同窗函数对信号短时能量影响分析 第7篇
短时能量[1]是语音信号时域特征之一。语音信号短时能量值随着语音信号幅度的变化而变化, 因此, 通过短时能量的变化可以粗略地判断出语音信号的起始端点及结束端点。短时能量的比较被广泛应用于语音识别[2,3]技术中。窗函数[4,5]用于将信号数据截短。利用不同的窗函数求取截短后语音信号短时能量的值有所不同。本文对使用不同窗函数截短语音信号后短时能量的值进行对比分析, 以期深刻了解窗函数的区别及短时能量值的变化规律。
2、经典窗函数综述
下面分别给出矩形窗、三角窗及汉明窗函数的时域及频域公式。
2.1矩形窗
矩形窗函数的时域、频域表示形式分别为公式 (1) 及公式 (2) 所示。
2.2三角窗
三角窗函数的频域表示形式如公式 (5) 所示。
2.3汉明窗
汉明窗函数的时域、频域表示形式分别为公式 (6) 及公式 (7) 所示。
3、不同窗函数下语音信号短时能量的计算及对比实验
短时能量的计算如公式 (8) 所示。
不同窗函数截短后短时能量的对比实验如下所述。基于Matlab, 文中对原始语音信号:"河南警察学院" (音频波形如图1所示) , 分别基于矩形窗、三角窗、汉明窗函数进行对比分析, 结果如图2所示 (图中虚线表示基于矩形窗的短时能量值, 圆点表示基于三角窗的短时能量值, 实线表示基于汉明窗的短时能量值) 。
鉴于, 对比图1, 图2可知, 图2中出现峰值的位置正是语音信号中汉字的位置。由于短时能量的计算过程对信号进行平方, 所以, 从图2的变化曲线可以粗略确定每个音节的位置。基于不同窗函数截短后求得的短时能量差别较大, 如图2所示, 同样的原始信号, 经过矩形窗截短后, 信号短时能量值明显高于三角窗及汉明窗截短得到的结果, 幅度变化更为剧烈。
4、结论
本文对经典窗函数进行综述总结, 并对不同窗函数截短后的语音信号短时能量进行对比分析。理论研究和实验结果表明, 短时能量能够直接反映出语音信号的分布情况, 基于不同窗函数截短的相同语音信号得到短时能量值有较大差异。在实际应用中, 应根据应用环境的不同, 适当选取窗函数, 以期达到更好的研究结果。本文的研究对于信号处理相关技术人员有一定借鉴意义。
摘要：本文阐述了经典窗函数在时域及频域中的计算公式。并讲述了短时能量的作用和实际意义。文中对音频信号在不同窗函数截短后短时能量进行对比分析。理论研究及实验结果说明了短时能量能够直接区分音频信号中每个音节的位置, 不同窗函数的选取直接影响短时能量值的大小。
关键词：窗函数,短时能量,语音信号
参考文献
[1]韩纪庆, 张磊, 郑铁然.语音信号处理[M].北京:清华大学出版社.pp:48-50.2004.
[2]刘胜伟.语音识别系统的设计、FPGA验证及其物理实现[D].西安:西安理工大学.2010.03.
[3]朱淑琴.语音识别系统关键技术研究[D].西安:西安电子科技大学.2004.01.
[4]刘树棠译.信号与系统[M].西安:西安交通大学出版社.pp:302-349.2003.
函数信号 第8篇
关键词：信号,时域,频域,抽样,周期性,Matlab仿真
0 引言
现实中的信号非常复杂, 连续信号经过"抽样", 再对得到的抽样信号量化、编码变成数字信号。信号的抽样是对信号的初步处理, 同时也是对具体信号性质正确分析的前提和基础。信号的"抽样[1]"是抽样定理的基础。正确理解和应用信号的时域和频域"抽样"过程, 并且理清并学会应用他们之间的复杂的周期关系, 对今后的学习和研究大有裨益。
1 抽样过程
本文所要讨论的问题都是在"抽样"的基础上进行的, 首先给出下面"抽样"的定义:
"抽样"就是利用抽样脉冲序列p (t) 从连续信号f (t) 中"抽取"一系列的离散样值, 这种离散信号通常称为"抽样信号", 并且以fs (t) 表示。
2 连续信号的时域抽样[2,3]
抽样脉冲序列p (t) 的傅里叶变换为p (w) =F[p (t) ];
抽样后信号fs (t) 的傅里叶变换为Fs (w) =F[fs (t) ]
本节我们将给出连续信号的时域抽样的具体过程。如下:为了简化过程采用均匀抽样, 并且抽样周期为Ts, 对f (t) 的时域抽样即为:
由于p (t) 是周期信号, 根据周期信号傅里叶变换可以得到它的傅里叶变换为:
由频域卷积定理得到
从 (1) 式中我们可以发现:信号在时域被抽样后, 它的频谱FsFw F是连续信号频谱F FwF的形状以抽样频率ws为间隔周期地重复而得到, 在重复的过程中幅度被p (t) 的傅里叶系数pn所加权.因为pn只是n的函数, 所以FFwF在重复过程中不会使形状发生变化。
3 单脉冲信号的频域抽样
由于单脉冲信号的频域是连续函数, 为了与前面的连续信号的时域抽样进行对照, 在这一节我们给出单脉冲信号的频域抽样的过程。
周期序列的逆变换为:
上式表明如果f (t) 单脉冲信号的频谱被间隔为ω1的冲激序列抽样, 则在时域中相当于f (t) 以T1为周期进行周期延拓, 信号强度为原来信号的倍。
4 离散时间信号的频域采样[4,5]
序列 的傅里叶正变换为:
由上得知乙是以N为周期的频域函数。
由 (2) 式说明频域采样所对应的时域周期序列是原序列x (n) 的周期延拓序列, 并且延拓周期为N。
5 结论
本文重点讨论了时域抽样和频域抽样的详细过程和信号的时域和频域函数采样后, 所对应的频域函数和时域函数与原信号的周期关系。最终我们得到了对模拟信号进行时域等间隔采样, 频域采样信号的频谱是原模拟信号频谱的周期延拓函数。对连续频谱函数在频域等间隔采样, 则采样得到的频谱对应的时域序列必然是原序列的周期延拓序列的结论。类似的结论对离散时间信号也有同样适用。综合以上, 得到的最终结论为:时域采样, 频域周期延拓, 频域采样, 时域周期延拓。
参考文献
[1]郑君里.信号与系统[M].北京北京:高等教育出版社.2011.
[2]贾中云.李秀梅, 等.数字信号处理[J].中采样定理的探索.中国电力教育.2012.
[3]验证时域采样定理和频域采样定理[J].西京学院课程设计报告.2012.
[4]汪飞.理解数字信号处理中的频域采样定理[J].科技创新导报.2012.
函数信号 第9篇
关键词：AT89C51,DAC0832,运算放大器,信号发生器
0引言
信号发生器不仅是高校实验室的标准仪器配备之一,同时在交通、水文监测、 工业自动化生产以及国防等社会各领域都有广泛的应用。一般的函数信号发生器是由一些元器件构成,比如晶体管、运放IC等。随着电信技术向智能化、信息化方向迅猛发展,以及各社会部门对信号发生器有着越来越广阔的需求,基于单片机的信号发生器与以往的信号发生器相比更具优势。比如系统结构更加紧凑,输出信号频率较高、输出波形更加稳定、波形波幅频率调节简便且易于修改等,更能满足各领域对信号源的实际需求。
1系统整体设计
该发生器系统的主要思路是应用单片机、数模转换、运算放大器等元器件及其外围电路设计出能输出方波、锯齿波、 三角形波以及正弦波等四种波形的函数信号发生器,并能实现频率和幅度的可调。
首先编辑好相关波形的源代码,并将其烧录到单片机储存器中,要求输出指定波形时将调用读取相关波形程序,然后通过数模转换放大以及滤波器滤波等处理, 最后输出期望波形信号。该信号发生器设计由硬件和软件两部分设计完成。图1为系统整体设计图。
2系统硬件电路设计
硬件电路MCU采用AT89C51单片机。 此系统选择主要参数为分辨率8位,功耗20nw,工作方式为双缓冲的D/A转换集成芯片DAC0832。AT89C51的P1口通过和DAC0832转换模块的数据口连接来传输预设波形编码。经过DAC0832转换后的波形输出到741运算放大器,进而放大转换后的波形信号, 741的信号输出口作为波形信号输出口, 最后通过示波器探测输出的波形。把AT89C51的P0.0-P0.3四个端口分别连接四个按键开关,能够通过对应按键开关的控制触发中断进而输出需要的波形;通过AT89C51的P0.4-P0.7口分别同数码管的位选线对接实现位选数据的传送;传送段选数据则通过AT89C51的P2.0-P2.7八个端口和数码管的段选线连接来完成;输出波形的频率通过LED显示;AT89C51的计数器T0、T1端口接按键开关,输出波形的频率能够通过计数溢出中断来调节。
3系统软件设计
信号发生器的软件设计主要指单片机编程,包含主干程序和中断处理程序两部分内容。主干程序的功能是:系统启动后实现对按键的扫描及LED显示,然后查询所按的键号并跳转到与之相应的中断处理程序。中断处理程序则负责对信号幅值及频率的调整,实现正弦波、锯齿波和方波的输出和示波器成像。软件设计流程图如图2所示:
4结语
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