函数信号发生器设计报告

1、( 江苏联合职业技术学院电子产品设计(论文)课题名称：函数信号发生器系 部 电信工程系 专 业 电子信息工程技术 年 级 班 级 姓 名 学 号 指导教师 2013年 3 月 25 日 摘要本文介绍一种用AT89C51单片机构成的波形发生器，可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波等多种波形，波形的周期可用程序改变，并可根据需要选择单极性输出或双极性输出，具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点。在介绍DAC0832芯片特性的基础上,论述了采用DAC0832芯片设计数字函数信号发生器的原理以及整机的结构设计。对其振荡频率控制、信号输出幅度控制以及频率和幅度数显的实现作了较详细的论述。该函数信号发生器可

2、输出三角波,方波和正弦波文章给出了源代码，通过仿真测试，其性能指标达到了设计要求【关键字】单片机；DAC；函数信号发生器；形调整目 录1 绪论11.1 函数信号发生器11.1.1 函数信号发生器概述11.1.2 函数信号发生器的分类11.1.3 函数信号发生器的用途11.2 总体方案设计与选取21.2.1 分立元件搭建的函数信号发生器21.2.2用模拟电路搭建的函数信号发生器21.2.3用专用芯片搭建的函数信号发生器21.2.4 基于单片机的函数信号发生器21.2.5 基于DDS函数信号发生器31.3模拟电路搭建的函数信号发生器总体方案设计32 电路设计42.1 正弦波产生电路设计42.1.1

3、 工作原理42.1.2正弦波电路设计42.2方波产生电路设计52.2.1工作原理52.2.2方波电路设计623三角波产生电路设计62.3.1设计原理62.3.2三角波电路设计72.4 输出电路的设计72.5直流稳压电源的设计73 电路图及仿真93.1 正弦波电路图及仿真93.1.1 正弦波电路图93.1.2 仿真分析93.2 方波电路图及仿真113.2.1 方波电路图113.2.2仿真分析113.3 三角波电路图及仿真123.3.1 三角波电路图123.3.3仿真分析124函数信号发生器原理图与PCB设计134.1函数信号发生器原理图绘制134.2 生成PCB板144.2.1 单面板144.2

4、.2 双面板144.3成品板展示145相关技术文件175.1技术说明书175.1.1 技术说明书的内容175.1.2 使用说明书176总结187致谢198 参考文献209附录219.1附录1：清单21241 绪论1.1 函数信号发生器1.1.1 函数信号发生器概述信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。众所周知，数字合成式函数信号源无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟，其锁相环（ PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动(phase Jitter)及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但毕竟是数字式信号源，数

5、字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发. 这是通用模拟式函数信号发生器的结构，是以三角波产生电路为基础经二极管所构成的正弦波整型电路产生正弦波，同时经由比较器的比较产生方波,换句话说，如果以恒流源对电容充电，即可产生正斜率的斜波。同理，右以恒流源将储存在电容上的电荷放电即产生负斜率的斜波1.1.2 函数信号发生器的分类信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为：正弦信号发生器和非

6、正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器，函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。1.1.3 函数信号发生器的用途作用 ： 信号发生器的作用信号调制功能:信号调制是指被调制信号中，幅度、相位或频率变化把低频信息嵌入到高频的载波信号中，得到的信号可以传送从语音、到数据、到视频的任何

7、信号。信号调制可分为模拟调制和数字调制两种，其中模拟调制，如幅度调制(AM)和频率调制(FM)最常用于广播通信中，而数字调制基于两种状态，允许信号表示二进制数据。应用：信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内

8、，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。1.2 总体方案设计与选取1.2.1 分立元件搭建的函数信号发生器用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。1.2.2用模拟电路搭建的函数信号发生器可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。1.2.3用专用芯

9、片搭建的函数信号发生器利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。鉴于此，美国美信公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了（2）中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。1.2.4 基于单片机的函数信号发生器采用单片机编程的方法来实现。该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换。此外，由于通过编程方法产生的是数字

10、信号，所以信号的精度可以做的很高。1.2.5 基于DDS函数信号发生器利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。1.3模拟电路搭建的函数信号发生器总体方案设计函数信号发生器系统框图2 电路设计2.1 正弦波产生电路设计2.1.1 工作原理反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路。它由放大器和反馈网络两大部分组成。放大器通常以某种选频网络（如振荡回路）作负载, 是一种调谐放大器；反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。起振-非线性过程-稳幅振荡2.1.2正弦波电路设计正弦信号发生器的设计正弦信号发生器的设计正弦信号发生器的设计正弦信号发生器

11、的设计 正弦信号发生器主要由芯片定时器555、两片4518BP、开关电容滤波MF10、TL082等元件构成，分别以各元件为核心，组成正弦信号发生器的各个功能部分：脉冲生成、频率分频、波形滤波、功率放大等。 原理说明和电路连接原理说明和电路连接原理说明和电路连接原理说明和电路连接： a无稳态多谐振荡器，它不需要外加输入信号，只要接通电源，就能自动产生矩形脉冲信号。并且其矩形脉冲的频率只由电路参数R、C决定，调节R或C即可改变频率，所以输出的脉冲较稳定，抗干扰能力强，频率覆盖范围较广，且易于调节，用此芯片实现此电路低频正弦信号的产生比较适合2.2方波产生电路设计2.2.1工作原理设某一时刻输出电压

12、uO=+UZ，则同相输入端电位uc=+UT。uO通过R对 电容C正向充电。反相输入端电位uc随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷时，uc 趋于+UZ；一旦uc=+UT，再稍增大，uO就从+UZ跃变为-UZ，与此同时uc从+UT跃变为 -UT。随后，uO又通过R对电容C放电。反相输入端电位uc随时间t增长而逐渐降低， 当t趋近于无穷时，uc趋于-UZ；一旦uc=-UT，再稍减小，uO就从-UZ跃变为+UZ，与此 同时，uc从-UT跃变为+UT，电容又开始反向充电。而上述过程周而复始，电路产生了输 出状态的自动转换，便输出方波。2.2.2方波电路设计23三角波产生电路设计 2.3.1设计原理假设

13、t=0时滞回比较器输出端为高电平，即uo1=+Uz，而且假设积分电容上初始电压为零。由于A1同相输入端的电压u+同时与uo1和uo有关，根据叠加原理，可得： u+=12RRR+uo1+ 212RRR+ 则此时u+也为高电平。但当uo1=+Uz时，积分电路的输出电压uo将随着时间往负方向线性增长，u+随之减小，当减小至u+=u-=0时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使uo1=-Uz，同时u+将跳变成一个负值。以后，积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性增长，u+也随之增大，当增大至u+=u-=0时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使uo1=+Uz，同时u+也将跳变成一个正值。然后重复以上过程，

14、于是可得滞回比较器的输出电压uo1为矩形波，而积分电路的输出电压uo为三角波。2.3.2三角波电路设计2.4 输出电路的设计输出电路采用LM358或LM833（15MHZ宽带）组成的电压跟随器，如图所示。调解W4可改变信号幅度。2.5直流稳压电源的设计直流稳压电源用于给集成运放供电，由于集成运放在工作时的电压为士12v，所以选用三端稳压块的型号为LM7812和LM7912。根据经验值，LM7812的输入端电压应为（1520）V左右为宜，LM7912的输入端电压应为（-20-15）v为宜，所以选用双15v输出的变压器。整流管选用IN41007即可满足要求。式中表示已建类似项目的费用；表示拟建项目

15、的费用；表示已建类似项目的生产能力；表示拟建项目的生产能力；表示不同时期、不同地点建设项目的造价调整系数； X表示生产能力指数。3 电路图及仿真3.1 正弦波电路图及仿真3.1.1 正弦波电路图正弦波由RC振荡器产生在W。=1/RC时，经RC选频网络组成正反馈，产生震荡，振荡频率为f。=1/2RC，起震时，要求放大倍数Au=1+Rf/R1略大于3，达到稳定平衡状态时Rf减小至使Au=3,即Rf/R1略大于2。3.1.2 仿真分析3.1.1.1高频段：C最小，R最大，仿真出波形，读出频率是否大于50KHz，若达不到，则改变固定电阻（1.5K往小了调）高频段Fmax=66.7KHz3.1.1.2低

16、频段：改变开关，C=22nF，把两个电阻调到最大，仿真出波形，是否小于200Hz。低频段Fmin=6.6K3.2 方波电路图及仿真3.2.1 方波电路图R710kR8680U2BTL074ACN561147D31N4731AD41N4731A13VCC12V0XSC1ABExt Trig+_+_15VCC701617VDD-12VVDD前面家加上正弦波电路3.2.2仿真分析致3.3 三角波电路图及仿真3.3.1 三角波电路图3.3.3仿真分析. 4函数信号发生器原理图与PCB设计电路板设计主要包括两个阶段：原理图绘制和PCB板设计。原理图绘制就是在原理图编辑器将设计完成的电路图绘制出来，通过进

17、行元器件封装和创建网络表，为电路板的设计奠定基础。4.1函数信号发生器原理图绘制原理图绘制的基本流程如下：新建原理图设置图纸参数载入原理图图库添加元件编辑元件原理图布线原理图保存设计规则检查修改完善生成元件列表生成网络表。4.2 生成PCB板4.2.1 单面板4.2.2 双面板4.3成品板展示5相关技术文件5.1技术说明书技术说明书（JS）是对产品用途、性能、组成、工作原理、调整和使用维修方法等的技术说明。供使用、维修本产品之用。5.1.1 技术说明书的内容技术说明书一般由下列内容构成：概述、技术特性、工作原理、结构特征、安装和调整、使用和操作、故障分析与排除、维修和保养及产品的成套等。根据产

18、品具体要求也可以增减或合并某些内容。5.1.2 使用说明书使用说明书是对产品用途、性能、结构特性、工作原理和使用方法的说明，供使用本产品之用。对产品类型，可按编制使用说明书。使用说明书一般包括：概述、技术参数、工作原理、结构特性信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。能够产生多种波形的信号发生器，如产生三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的信号发生器称为函数信号发生器 信号发生器也称信号源，是用来产生振荡信号的一种仪器，为使用者提供需要的稳

19、定、可信的参考信号，并且信号的特征参数完全可控。所谓可控信号特征，主要是指输出信号的频率、幅度、波形、占空比、调制形式等参数都可以人为地控制设定。随着科技的发展，实际应用到的信号形式越来越多，越来越复杂，频率也越来越高，所以信号发生器的种类也越来越多，同时信号发生器的电路结构形式也不断向着智能化、软件化、可编程化发展。信号发生信号发生器也称信号源，是用来产生振荡信号的一种仪器，为使用者提供需要的稳定、可信的参考信号，并且信号的特征参数完全可控。所谓可控信号特征，主要是指输出信号的频率、幅度、波形、占空比、调制形式等参数都可以人为地控制设定。随着科技的发展，实际应用到的信号形式越来越多，越来越复

20、杂，频率也越来越高，所以信号发生器的种类也越来越多，同时信号发生器的电路结构形式也不断向着智能化、软件化、可编程化发展。6总结为期一周的课程设计已经进入了收尾阶段。我在和同组同学的奋斗中，充实地渡过了这忙碌的时光。我充分体会到：实践，是检验真理的唯一标准。理论知识知道很多，但一动起手来就不知所措了。这就是所谓的读万卷书不如行百里路的实例吧！课程设计，是完全由我们学生自己动手动脑的一次尝试。因此，团队合作就相当重要了。从找材料（资料）到设计电路、从仿真到实际焊接、从失败到成功，这都需要合理分配团队中的每个人，从而达到省时、省力、省心的效果。在这次课程设计中，我不仅在函数信号发生器这个项目中学到了

21、理论知识，还学会了电路仿真的原理，更重要的是学到一种精神、一种团队精神，一种分享收获的喜悦，一个小组一个团队要有统一的目标，统一的意见，和一个优秀的领导人，这样才能更有效的完成我们前进中遇到的难题和困难。从学校走向社会，首要面临的问题便是角色转换的问题。从一个学生转化为一个单位人，在思想的层面上，必须认识到二者的社会角色之间存在着较大的差异。学生时代只是单纯的学习知识，而社会实践则意味着继续学习，并将知识应用于实践，学生时代可以自己选择交往的对象，而社会人则更多地被他人所选择。诸此种种的差异。不胜枚举。但仅仅在思想的层面上认识到这一点还是不够的，而是必须在实际的工作和生活中潜心体会，并自觉的进

22、行这种角色的转换。通过一周的课程设计，我们掌握了课本外的实际知识，将书本上理论的知识，通过我们有着共同爱好的小组一起完成了这次实训内容。除了完成了老师给的实训任务，我们收获更多的是一个集体的力量，一起共同完成一项任务后的满足感，真的很感谢学校和老师在期末给我们怎么好的实习机会，所以每次我都十分珍惜这些机会，这次也不例外。所以我非常感谢学校和老师给我们这么好的学习机会，在项目中我们也体会到一位优秀的教师为我们这次项目的付出，在老师的精心组织下，我们班顺利完成了规定任务。课程是短暂的，但它让我们在学校里学到了我们平常在书本上没能学到的动手方面的实践，那也是我们毕业前与社会工作的接触，它让我们感受集

23、体的力量，感受了与社会类似的工作。为我们毕业后的社会工作做好准备。此次课程不仅学到了课本上的知识，还在网上学到了其他的许多知识，这是在平时都不会的知识，在这次设计中，我收获了很多。 7致谢实验总结为期一周的课程设计已经结束，在这一周的学习、设计过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了很大的认识。 整个课程设计中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。 这次模拟电子技术课程设计真正的能够锻炼我们，我们通过此次设计对模拟电子技术的重要性有了更深的了解，提升了我对它的兴趣。在此，我非常感谢老师的悉心指导。在设计时老师耐心

24、的给我解决问题、讲解波形，从中使我受益匪浅。另外感谢帮助我的同学，是他们的支持使得我发现我存在的问题，每次在我纠结问题的时候都是他们在一旁点醒我，让我重新找回目标。通过合作和交流，听取经验教训，终于使这个设计较圆满的完成了。本次课程设计过程中，不仅学到了专业知识，还学到了如何到百度文库里查阅资料，业余知识也提高了不少，很感谢老师这一周的指导，让我受益匪浅。8 参考文献 1 康华光.电子技术基础（模拟部分）M.第五版.北京：高等教育 出版社，2006.1 2 何玉祥 模拟电路及其应用 清华大学出版社 2008.9第一版3 赵淑范 电子技术实验与课程设计 清华大学出版社 2006.8第一 版4周润

25、景，张丽娜。基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真。北京：人民邮电出版社，2009.5赵景波等。Protel 99 SE应用于实例教程。北京：人民邮电出版社，2008.6老虎工作室。Protel 99 入门与提高。北京：任命邮电出版社，2006.7王俊峰。电子产品开发设计与制作。北京：人民邮电出版社，2005.8王慧玲、沈月来，电路实验与综合训练电路综合训练，北京：电子工业出版社，20059王卫平，电子产品工艺基础（第二版），北京：电子工业出版社，200310解相吾，解文博，电子产品开发设计与实践教学。北京：清华大学出版社，200811廖芳，电子产品生产工艺与管理。北京：电子工业出版社

26、，20039附录9.1附录1：清单DescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantityCapacitorC1RAD-0.3Cap1CapacitorC2RAD-0.3Cap1CapacitorC3RAD-0.3Cap1CapacitorC4RAD-0.3Cap1CapacitorC5RAD-0.3Cap1CapacitorC6RAD-0.3Cap1CapacitorC7RAD-0.3Cap1Polarized Capacitor (Axial)C8POLAR0.8Cap Pol21CapacitorC9RAD-0.3Cap1Polarized Capacit

27、or (Axial)C10POLAR0.8Cap Pol21Polarized Capacitor (Axial)C11POLAR0.8Cap Pol21Polarized Capacitor (Axial)C12POLAR0.8Cap Pol21Polarized Capacitor (Axial)C13POLAR0.8Cap Pol21CapacitorC14RAD-0.3Cap1CapacitorC15RAD-0.3Cap1CapacitorC16RAD-0.3Cap1CapacitorC17RAD-0.3Cap1High Conductance Fast DiodeD1DIO7.1-3

28、.9x1.9Diode 1N41481High Conductance Fast DiodeD2DIO7.1-3.9x1.9Diode 1N41481Zener DiodeD5DIODE-0.7D Zener1Zener DiodeD6DIODE-0.7D Zener11 Amp General Purpose RectifierD7DIO10.46-5.3x2.8Diode 1N400711 Amp General Purpose RectifierD8DIO10.46-5.3x2.8Diode 1N400711 Amp General Purpose RectifierD9DIO10.46

29、-5.3x2.8Diode 1N400711 Amp General Purpose RectifierD10DIO10.46-5.3x2.8Diode 1N400711 Amp General Purpose RectifierD11DIO10.46-5.3x2.8Diode 1N400711 Amp General Purpose RectifierD12DIO10.46-5.3x2.8Diode 1N40071Typical INFRARED GaAs LEDD13LED-0LED01Zener DiodeD?DIODE-0.7D Zener1Zener DiodeD?DIODE-0.7D Zener1Header, 3-PinJ0HDR1X3Header 31Header, 2-PinJ1HDR1X2Header 21Header, 4-PinJ2HDR1X4Header 41Header, 4-PinJ3HDR1X4Header 41ResistorR1AXIAL-0.4Res21ResistorR2AXIAL-0.4Res21ResistorR3AXIAL-0.4Res21ResistorR5AXIAL-0.4Res21ResistorR6AXIAL-0.4Res21ResistorR7AXIAL-0.4Res21R