android实时声音信号波形_电子设计竞赛教程-信号源类
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1. 实用信号源的设计和制作[2] (第2届,1995年)
(1)设计任务
在给定±15V电源电压条件下,设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。
(2)设计要求
①基本要求
第1部分:正弦波信号源
a. 信号频率:20Hz~20kHz步进调整,步长为5Hz。
b. 频率稳定度:优于10-4。
c. 非线性失真系数≤3%。
第2部分:脉冲波信号源
a. 信号频率:20Hz~20kHz步进调整,步长为5Hz。
b. 上升时间和下降时间:≤1μs。
c. 平顶斜降:≤5%。
e. 脉冲占空比:2%~98%步进可调,步长为2%。
第3部分:上述两个信号源公共要求
a. 频率可预置。
b. 在负载为600Ω时,输出幅度为3V。
c. 完成5位频率的数字显示。
②发挥部分
a. 正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。
b. 正弦波和脉冲波幅度可步进调整,调整范围为100mV~3V,步长为100mV。
c. 正弦波和脉冲波频率可自动步进,步长为1Hz。
d. 降低正弦波非线性失真系数。
2.波形发生器[5] (第五届,2001年)
(1)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、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形。示意图如图1.3.5所示。
(2)要求
①基本要求
a. 具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。
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,以及由基波及其谐波(5次以下)线性组合的波形。
c. 具有波形存储功能。
d. 输出波形的频率范围为100Hz~20kHz(非正弦波频率按10次谐波计算);重复频率可调,频率步进间隔≤100Hz。
e. 输出波形幅度范围0~5V(峰-峰值),可按步进0.1V(峰-峰值)调整。
f. 具有显示输出波形的类型、重复频率(周期)和幅度的功能。
②发挥部分
a. 输出波形频率范围扩展至100Hz~200kHz。
b. 用键盘或其他输入装置产生任意波形。
c. 增加稳幅输出功能,当负载变化时,输出电压幅度变化不大于±3%(负载电阻变化范围:100Ω~∞)。
d. 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. 可产生单次或多次(1000次以下)特定波形(如产生1个半周期三角波输出)。
f. 其它(如增加频谱分析、失真度分析、频率扩展>200kHz、扫频输出等功能)。
3. 电压控制LC振荡器[6] (2003年,第六届 )
(1)设计任务
设计并制作一个电压控制LC振荡器。
(2)设计要求
①基本要求
a. 振荡器输出为正弦波,波形无明显失真。
b. 输出频率范围:15MHz~35MHz。
c. 输出频率稳定度:优于10-3。
d. 输出电压峰-峰值:Vp-p=1V±0.1V。
e. 实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值,精度优于10%。
f. 可实现输出频率步进,步进间隔为1MHz±100kHz。
②发挥部分
a. 进一步扩大输出频率范围。
b. 采用锁相环进一步提高输出频率稳定度,输出频率步进间隔为100kHz。
c. 实时测量并显示振荡器的输出频率。
d. 制作一个功率放大器,放大LC振荡器输出的30MHz正弦信号,限定使用E=12V的单直流电源为功率放大器供电,要求在50Ω纯电阻负载上的输出功率≥20mW,尽可能提高功率放大器的效率。
e. 功率放大器负载改为50Ω电阻与20pF电容串联,在此条件下50Ω电阻上的输出功率≥20mW,尽可能提高放大器效率。
f. 其它。
(3)说明
需留出末级功率放大器电源电流IC0(或ID0)的测量端,用于测试功率放大器的效率。
3.方案例:波形发生器[8]
(1)基于单片机和EPLD的波形发生器
基于DDFS原理的波形发生器方框图如图1.3.6所示。系统由波形产生电路、键盘输入模块、液晶显示模块、任意波形输入模块、波形 A/D采集模块、频谱分析模块、单片机控制模块组成。
①波形产生电路:用EPLD控制DDFS电路,从存储器读出波形数据,把数据交给D/A转换器进行转换得到模拟波形。
②键盘输入模块:用 8279控制4 X 4键盘,8279得到键盘码,通过中断服务程序把键盘信息送给单片机。此方案不用单片机控制键盘,使单片机可以腾出更多资源。
③液晶显示模块:采用液晶显示可以显示很多信息,接口电路简单,控制方便。
④任意波形输入模块:采用触摸屏将手写的任意波形的数据从单片机串口送入系统,也可通过具有RS232接口的外设输入波形数据,供单片机处理。
⑤波形 A/D采集模块:用 MAX574,以 10 k速率对输入信号进行采集。
⑥频谱分析模块:采用高效实序列FFT算法计算采样信号的频谱。
⑦单片机控制模块:系统的主控制器,控制其他模块协调工作。
(2)基于单片机和FPGA的波形发生器(方案1)
基于单片机和FPGA的波形发生器(方案1)方框图如图1.3.7所示。系统以单片机89C52为核心,89C52完成处理键盘数据、生成波形表存储于双口 RAM中、控制LED显示、控制DAC0832进行幅值转换、传送频率控制字K值给FPGA处理等功能。双口RAM的使用减少了单片机和FPGA之间的通信,从而节省了单片机的资源,也使系统更为可靠。FPGA主要用于实现DDFS技术中累加器的功能,一方面在很大程度上提高了系统的速度,另一方面可以将单片机的外围芯片74LS377、74TH373、74LS138、74IS02都集成在 FPGA内,既充分利用了FPGA的资源,又减少了单片机与外部的接口,提高了系统的可靠性。双口RAM中传输出的数据经DAC08完成数模转换,由DAC032内部的电阻分压网络实现幅度控制,继而经过二阶巴特沃兹低通滤波器进行滤波,再经运放和三极管进行扩流,从而得到任意一种具有一定带载能力的所需波形。
(3)基于单片机和FPGA的波形发生器(方案2)
基于单片机和FPGA的波形发生器(方案2)方框图如图1.3.8所示。系统采用可编程逻辑器件(FPGA)完成硬件扫描、模拟波形的发生及输出到D/A,由单片机实现系统控制。
波形发生器采用直接数字合成技术,将要产生的波形数据存入FPGA的RAM中,然后在一定的频率作用下使计数器循环计数,并且将计数器的输出作为读取波形存储器RAM的地址,将读出的波形数据送至D/A转换器,D/A转换器输出的波形经低通滤波处理后,输出光滑的模拟信号。FPGA采用ALTERA公司生产的高速FPGA芯片(EPF 10K10W84-4), D/A转换器采用DAC0832。
单片机的控制部分主要实现以下功能,将需要的波形数据存储在EPROM 27C512中,单片机根据要输出的波形获取相应的数据,经处理后由8155的PA口传输给FPGA。单片机的P1口和P3口也与FPGA相连,作为控制口使用。FPGA接收到数据后存储于自己的RAM中,采用硬件扫描技术将其发送给DAC0832(l),此时单片机也将由键盘输入的幅值调整信息通过8155的PB口发送给DAC0832(2),用来控制 DAC0832(l)的输出幅值。最后,波形模拟量经过4阶巴特沃兹低通滤波器和稳幅电路后输出。为了实现掉电存储功能,单片机先将波形信息(幅值、频率、采样点数)存储在具有非易失性数据存储器的实时时钟芯片(DS12887)中,系统启动以后,单片机先将实时时钟芯片中的存储数据读出,处理后并通过系统输出,用以显示上次掉电时的波形,然后转到其他处理程序。
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