前言
波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。 在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。
在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理
器对 DAC的程序控制，就可以得到各种简单波形。
90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为 HP770S的信号模拟装置系统，它由 HP8770A任意波形数字化和 HP1776A波形发生软件组成。HP8770A实际上也只能产生8 中波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic公司推出了型号为 Data-2020的多波形合成器，Lecroy 公司生产的型号为9100 的任意波形发生器等。
到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过 GHz 的DDS 芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003 年，Agilent的产品 33220A能够产生丛文景17种波形，最高频率可达到 20M，2005 年的产品N6030A能够产生高达 500MHz的频率，采样的频率可达 1.25GHz。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：
（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可
以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成羟基磷酸钙 v=f (t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如Visual Basic ,Visual C 等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。
（2）与VXI资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便。
（3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。
以下给出了几种波形发生器的性能指标，从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在
波形发生器上的研制水平。
公司 | Tektronix | Tektronix | 横河电机 | Wavetek |
型号 | AG320 | AWG710 | AG5100 | 295 伦敦铜 |
最高采用频率 | 16MS/s | 4GMS/s | 1GMS/s | 50MS/s |
通道数 | 2 | 2 | 2 | 4 |
垂直分辨率 | 12bit | 8bit | 8bit | 12bit |
存储容量 | 64K | 8M | 8M | 64K |
输出电压 | 10V | 2.5V | 2V | 15V |
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1．总体设计方案与论证
1.1 总体设计框图
图1 总体设计框图
波形发生器使用内调制（软件调制），通过单片机中断，对外来模拟调制信号进行采样，采样速率为32KHz，然后对采样值进行转换，把电压转换成对应的频偏，然后转换成相应的频率控制字送DDS，采用专用DDS芯片产生正弦波。
1.2 方案与论证
1.2.1 信号产生
方案一：使用传统的锁相频率合成的方法。要求产生1KHz到10MHz的信号，用锁相环直接产生这么宽的范围很困难，所以先产生50.001M到60M的可调信号，然后把此信号与一个50M的本振混频，得到需要的频率。此方法产生的频率稳定度高，但波形频谱做纯很困难，幅度也不恒定，实现也麻烦。
方案二：采用专用DDS芯片产生正弦波。优点：软件设计，控制方便，电路易实现，容易直接达到题目要求的频率范围和步进值,且稳定性和上法一样，频谱纯净，幅度恒定，失真小。
综上所述，选择方案二用专用DDS芯片AD9850产生正弦波。AD9850是采用DDS技术、高度集成化的器件，当它在并行工作方式时，有8根数据线、3棕树蛇根控制线与单片机相连。AD9850的频率控制字为：
其中FTW为频率控制字, 为要输出的正弦的频率， 为系统时钟的频率，由晶振产生。
1.2.2 模拟频率调制
方案一：使用内调制（软件调制），通过单片机中断，对外来模拟调制信号进行采样，采样速率为32KHz，然后对采样值进行转换，把电压转换成对应的频偏，然后转换成相应的频率控制字送DDS，以实现对1KHz正弦信号的调频，这样可以满足最大频偏的精度要求。
方案二：使用外调制，通过锁相环控制DDS总时钟，在锁相环电路中进行频率调制，来改变DDS输出信号频率，间接实现调频，这样实现简单，频域内频谱连续，但是很难做到精确的10KHz和5KHz的最大频偏。
综合以上方案，选择方案一，实际中要求调制信号是固定不变的1KHz正弦信号，所以，我们直接把正弦信号存储在单片机中，并且换算好频率控制字。
1.2.3 模拟幅度调制
方案一：使用二极管调幅电路。较常用的二极管调幅电路有二极管平衡调幅电路和二极管环形调幅电路。但由于二极管的特性不一致，会造成电路不可能完全对称，造成控制信号的泄漏。
方案二：充分利用单片机的资源，1K的调制信号使用单片机的DA口输出，经滤波放大后送MC1496与DDS产生的载波进行混频，这样效果非常好，而且成本低。
综合以上方案，选择方案二。
1.2.4 键盘
非编码式键盘有行扫描法和线反转法，采用线反转法，并建立一张键码转换表，如下表（1）所示。
表1 键码转换表
键名 | 特征码 | 顺序码 |
0 | 0x7E | 0x00 |
1 | 0xBE | 0x01 |
2 | 0xDE | 0x02 |
3 | 0xEE | 0x03 |
4 | 0x7D | 0x04 |
5 | 0xBD | 0x05 |
6 | 0xDD | 0x06 |
7 | 0xED | 0x07 |
8 | 0x7B | 0x08 |
9 | 0xBB | 0x09 |
A | 0xDB | 0x0A |
B | 0xEB | 0x0B |
C | 0x77 | 0x0C |
D | 0xb7 | 0x0D |
E | 0xD7 | 0x0E |
F | 0xE7 | 0x0F |
空键国家新型城镇化规划(2014-2020年) | 0xFF | 0xFF |
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2．主要器件简介
2.1 LM8962简介
德州仪器(TI)公司Stellaris®所提供一系列的微控制器是首款基于ARM® CortexTM-M3的控制器，它们为对成本尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的32位运算能力。这些具备领先技术的芯片使用户能够以传统的8位和16位器件的价位来享受32位的性能，而且所有型号都是以小占位面积的封装形式提供。
LM3S8962微控制器包含了下列特性：
通用定时器
－32位定时器模式
可编程的单次触发定时器
可编程的周期定时器
当接入32.768-KHz外部时钟输入时可作为实时时钟使用
当控制器在调试期间使CPU暂停标志有效时，用户可以在周期和单次触发模式中使能中止（stalling）
ADC事件触发器
－16位定时器模式
通用定时器功能，并带一个8位的预分频器
可编程的单次触发定时器
可编程的周期定时器
ADC事件触发器
－16位输入捕获模式
提供输入边沿计数捕获功能
提供输入边沿时间捕获功能
－16位PWM模式
简单的PWM模式，对PWM信号输出的取反可由软件编程决定
遵循ARM FiRM规范的看门狗定时器
－32位向下计数器，带可编程的装载寄存器
－带使能功能的独立看门狗时钟
－带中断屏蔽功能的可编程中断发生逻辑
－软件跑飞时可锁定寄存器以提供保护
－带使能/禁能的复位发生逻辑
控制器局域网（CAN）
－支持CAN协议版本2.0 part A/B
－传输位速率可达1Mb/s
－32个消息对象，每个都带有独立的标识符屏蔽
－可屏蔽的中断
－可禁止TTCAN的自动重发模式
－可编程设定的循环模式用于自检操作
10/100以太网控制器
－遵循IEEE 802.3-2002规范
－遵循IEEE 1588-2002精确时间协议（PTP）
－在100Mbps和10Mbps速率运作下支持全双工和半双工的操作方式
－集成10/100Mbps收发器（PHY）
－自动的MDI/MDI-X交叉校验
－可编程MAC地址
－节能和断电模式
同步串行接口（SSI）
－主机或从机操作
－可编程控制的时钟位速率和预分频
－独立的发送和接收FIFO，16位宽，8位深
－可编程的数据帧大小，范围为4到16位
－内部循环测试模式可用于诊断/调试测试
UART
－2个完全可编程的16C550-type UART，支持IrDA
－带有独立的16×8发送（TX）和16×12接收（RX）FIFO，减轻CPU中断服务负载
－可编程的波特率发生器，带有小数分频器
－可编程设置FIFO长度，包括1字节深度的操作，以提供传统的双缓冲接口。
－FIFO触发水平可设为1/8、1/4、1/2、3/4和7/8
－标准异步通信位：起始位、停止位、奇偶位
－无效起始位检测
－行中断的发生和检测
ADC
－单输入和差分输入配置
－当用作单终端输入时的4个10位通道（输入）
－采样速率：500,000样片/秒
－灵活、可配置的模数转换
－4个可编程的采样转换序列，从1到8单元(entries)长，带有相对应的转换结果FIFO
－每个序列由软件或内部事件（定时器、模拟比较器、PWM或GPIO）触发
－片上温度传感器
模拟比较器
－1个集成的模拟比较器
－可以把输出配置为：驱动输出管脚、产生中断或启动ADC采样序列
－比较两个外部管脚输入或者将外部管脚输入与内部可编程参考电压相比较
I2C
－在标准模式下主机和从机接收和发送操作的速度可达100Kbps，在快速模式下可达400Kbps
－中断的产生
－主机带有仲裁和时钟同步功能、支持多个主机、以及7位寻址模式
PWM
－3个PWM信号发生模块，每个模块都带有1个16位计数器、2个比较器, 1个PWM信号发生器和1个死区发生器
－1个16位的计数器
运行在递减或递增/递减模式
输出频率由一个16位的装载值控制
可同步更新装载值
中国同学录5460 当计数器的值到达零或者装载值时产生输出信号
－死区发生器
产生2个带有可编程死区延时的PWM信号，适合驱动半H桥
可以被旁路，不修改输入PWM信号
－可启动ADC采样序列
QEI
－2个QEI模块
－硬件位置积分器跟踪编码器位置
－速度捕获使用内置定时器
－在索引脉冲、速度定时器时间到达、方向改变或正交错误检测时产生中断
GPIO
－输入/输出可承受5V
－中断产生可编程为边沿触发或电平检测
－在读和写操作中通过地址线进行位屏蔽
－可启动ADC采样序列
－GPIO端口配置的可编程控制
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