函数信号发生器设计报告

1、( 江苏联合职业技术学院江苏省惠山中等专业学校（办学点）电子产品设计(论文)课题名称：函数信号发生器 系 部 专 业 年 级 班 级 姓 名 学 号 指导教师 年 月 日 29 摘要此设计的信号发生器是有正弦波电路开始的。采用的是文氏桥正弦波振荡电路。他适用于产生低于1MHz的低频正弦振荡信号。振幅和频率稳定，而且频率调节方便。然后是方波产生电路（即让正弦信号通过电压比较器）能产生良好的方波。而后是利用方波产生矩形波和锯齿波，用RC积分电路。使方波通过积分电路产生锯齿波。达到频率要求是由正弦电路的RC选频网络决定：f=1RC。鉴于所要求得到频率跨度较大，选频网络采用两组不同容值的电容和同轴电位

2、器构成来调节频率本文介绍一种用AT89C52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。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。关键词 信号发生器,AT89C52，正弦波，积分电路，滤波电路目 录1 绪论11.1. 选题背景及意义11.1.1 本课题的研究现状11.1.2 选题目的及意义11.2 分类11.2.1 按频率覆盖范围11.2.2 按输出电平可调节范围和稳定度21.2.3 按频率改变的方式21.2.3.1 扫频和程控信号发生器21.2.1

3、.2频率合成式信号发生器21.3函数信号发生器的作用、用途31.4 研究的内容32 函数发生器系统设计42.1 设计方案的比较42.1.1 方案一42.1.2 方案二42.1.3 方案三42.2分析42.3 设计原理43. 硬件实现及单元电路设计53.1 单片机最小系统的设计53.1.1 时钟电路73.2 LM35873.2.1 认识LM35873.2.2 积分电路83.2.3 滤波电路93.3直流稳压电路103.4 电源电容退耦电路114 软件设计125 函数信号发生器的说明书22结论23致谢24参考文献24附录25附录1 电路原理图25附录2 源程序26附录3 元器件清单281 绪论1.1

4、. 选题背景及意义函数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。在通信、广播、电视系统，在工业、农业、生物医学等领域内，函数信号发生器在实验和设备检测中具有十分广泛的用途。1.1.1 本课题的研究现状1.1.2 选题目的及意义函数发生器是一种经常使用的设备，由纯粹物理器件构成的传统的设计方法存在许多弊端，如：体积较大、重量较沉、移动不够方便、信号失真较大、波形种类过于单一、波形形状调

5、节过于死板，无法满足用户对精度、便携性、稳定性等的要求，研究设计出一种具有频率稳定、准确、波形质量好、输出频率范围宽、便携性好等特点的波形发生器具有较好的市场前景，以满足军事和民用领域对信号源的要求。 本次设计的主要目标是学习和运用单片机的C语言和汇编语言，通过现有多功能电子学习机部分已有器件，实现利用单片机AT89C52和8位D/A转换芯片DAC0832共同实现正弦波，方波，三角波，锯齿波这四种常见波形的发生，并且可以接收外接键盘输入而在一定范围内改变频率。 在无标准函数发生仪器时，本设计可以作为简单的函数发生器使用。本次设计准备在成本交低廉的前提下完成，使用的都是该学习机上器件，主要是用单

6、片机AT89C52， DAC0832，性能指数都不是很高，所以对此信号源的基本要求是能发生几种常见的波形，正弦波，方波，三角波，锯齿波，并且能够在一定的范围内改变频率。通过该课题的设计掌握以AT89C52为核心的单片机系统的软硬件开发过程和基本信号的产生原理、测量及误差分析方法，同时掌握函数发生器系统的设计流程；培养我们综合运用所学的基本知识、基本理论和基本技能的能力，学习解决一般工程技术和有关专业问题的能力，学习工程设计和科学研究的基本方法，完成对所学知识的综合训练。1.2 分类1.2.1 按频率覆盖范围低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器。1.2.1.1 低频信号发生器包括音频（

7、20020000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。1.2.1.2 高频信号发生器频率为 100千赫30兆赫的高频、30300兆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。1.2.1.3 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

8、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。1.2.2 按输出电平可调节范围和稳定度简易信号发生器（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）。1.2.3 按频率改变的方式调谐式信号发生器、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。1.

9、2.3.1 扫频和程控信号发生器扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化的信号。在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件（如变容管或磁芯线圈）来实现扫频振荡；在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频，以YIG铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流控制直流磁场改变小球的谐振频率。扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控和远控等工作方式。1.2.1.2频率合成式信号发生器这种发生器的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成所需之任意频率的信号，具有与标准频率

10、源相同的频率准确度和稳定度。输出信号频率通常可按十进位数字选择，最高能达11位数字的极高分辨力。频率除用手动选择外还可程控和远控，也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波和放大等电路组成，变换频率迅速但电 路复杂，最高输出频率只能达1000兆赫左右。用得较多的间接式频率合成器是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器（在环路中同时能实现倍频、分频和混频），使之产生并输出各种所需频率的信号。这种合成器的最高频率可达26.5吉赫。高稳定度和高分辨力的频率合成器，配上多种调制功能（调幅、调频和调相），加上放大、稳幅和衰减等电路，便构成一种新型的高性能、可程

11、控的合成式信号发生器，还可作为锁相式扫频发生器。1.3函数信号发生器的作用、用途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，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

12、的振荡器。1.4 研究的内容 本文是做基于单片机的信号发生器的设计，将采用编程的方法来实现三角波、锯齿波、矩形波、正弦波的发生。根据设计的要求，对各种波形的频率进行程序的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序运行中，当接收到来自外界的命令，需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序，经电路的数/模转换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端口输出。2 函数发生器系统设计2.1 设计方案的比较2.1.1 方案一用差分放大电路实现三角波到正弦波以及集成运放组成的电路实现函数发生器。波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越

13、好;三角波的幅度应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。2.1.2 方案二用二极管折线近似电路以及集成运放组成的电路实现函数发生器。根据二极管折线近似电路实现三角波正弦波的变换频率调节部分设计时，可先按三个频率段给定三个电容值：1000pF、0.01f、0.1F然后再计算R的大小。手控与压控部分线路要求更换方便。为满足对方波前后沿时间的要求，以及正弦波最高工作频率（10kHz）的要求，在积分器、比较器、正弦波转换器和输出级中应选用Sr值较大的运放（如LF353）。为保证正弦波有较小的失真度，应正确计算二极管网络的电阻参数，并注意调节输出三角波的幅度和对称度。输入波形中不能含有直流成分。2.1.3

14、 方案三利用单片机AT89C51和8位D/A转换芯片DAC0832共同实现正弦波，方波，三角波，锯齿波这四种常见波形的发生，并且可以接收外接键盘输入而在一定范围内改变频率。2.2分析上面三种方案中，方案一与方案二中三角波正弦波部分原理虽然不一样，但是他们有共通的地方就是都要认为地搭建波形变换的电路图。而方案三利用单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统扩展、系统配置灵活。容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。综上所述我选择了第三种设计方案。2.3 设计原理数字信号可以通过数/模转换

15、器转换成模拟信号，因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。89C51单片机本身就是一个完整的微型计算机，具有组成微型计算机的各部分部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等，只要将89C51再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指示灯及其接口等四部分，即可构成所需的波形发生器，其信号发生器构成原理框图如图2.1所示。89C51是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样的信号，并从键盘接收数据，进行各种功能的转换和信号幅度的调节。当数字信号经过接口电路到达转换电路，

16、将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。3. 硬件实现及单元电路设计3.1 单片机最小系统的设计89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图（2） 89C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点： (1) 有可供用户使用的大量I/O口线。 (2) 内部存储器容量有限。 (3) 应用系统开发具有特殊性。见图2。3.1.1 时钟电路8051单片机有两个引脚（XTAL1，XTAL2）用于外接石英晶体和微调电容，从而构成时钟电路

17、，其电路图如图3.5所示。 电容C1、C2对振荡频率有稳定作用，其容量的选择为30pf，振荡器选择频率为12MHz的石英晶体。由于频率较大时，三角波、正弦波、锯齿波中每一点的延时时间为几微秒，故延时时间还要加上指令时间才能获得较大的频率波形。3.2 LM3583.2.1 认识LM3583.1.1.1 应用LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。3.2.1.2 特性 内部频率补

18、偿直流电压增益高(约100dB)单位增益频带宽(约1MHz)电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(±1.5 一±15V)低功耗电流，适合于电池供电 低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)。3.2.2 积分电路· 根据“虚短”，得，即根据“虚断”，得因此电容器被充电，其充电电流为i2设电容器C的初始电压为零，则式中，负号表示vO与vS在相位上是相反的。当vS为阶跃电压时，电容将以恒流的方式进行充电，输出电压vo与时间t成近似线性关系:当t=时，-vo=Vs。当t

19、>时，vo增大，直到-vo=+Vom，即运放输出电压的最大值Vom受直流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，vo保持不变，而停止积分。3.2.3 滤波电路利用R、L、C所组成的滤波电路称作无源滤波器，它有很多的缺点。其中的电感L本身具有电阻与电容，使得输出结果会偏离理想值，而且会消耗电能。若只利用R、C再附加放大器则形成主动滤波器即有缘滤波器，它有很多的优点，例如：不使用电感使得输出值趋近理想值；在带通范围能提高增益，减少损失；用放大器隔离输出、入端，使之可以使用多级串联。3.3直流稳压电路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

20、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。3.4 电源电容退耦电路这种方法对提高瞬态电流的响应速度，降低电源分配系统的阻抗都非常有效。 对于电容退耦， 很多资料中都有涉及， 但是阐述的角度不同。 有些是从局部电荷存储 （即储能）的角度来说明，有些是从电源分配系统的阻抗的角度来说明，还有些资料的说明更为混乱，一会提储能，一会提阻抗，因此很多人在看资料的时候感到有些迷惑。其实，这两种提法，本质上是相同的，只不过看待问题的视角

21、不同而已。从等效的角度出发，可以说去耦电容降低了电源系统的阻抗。另一方面，从电路原理的角度来说，可得到同样结论。电容对于交流信号呈现低阻抗特性，因此加入电容，实际上也确实降低了电源系统的交流阻抗。 从阻抗的角度理解电容退耦，可以给我们设计电源分配系统带来极大的方便。实际上，电源分配系统设计的最根本的原则就是使阻抗最小。 最有效的设计方法就是在这个原则指导下产生的。4 软件设计4.1 程序流程图 本文中子程序的调用是通过按键的选择来实现，在取得按键相应的键值后，启动计时器和相应的中断服务程序，再直接查询程序中预先设置的数据值，通过转换输出相应的电压，从而形成所需的各种波形。 主程序的流程图如图4

22、.1所示，在程序开始运行之后，首先是对8155进行初始化，之后判断信号频率值，如符合所需的频率，则重置时间常数，并通过显示器显示出来，不符则返回。在中断结束后，还要来判断波形是否符合，如符合，则显示其频率，不符则返回，重新判断。 图4.2为各波形子程序的流程图。如图所示，在中断服务子程序开始后，通过判断来确定各种波形的输出，当判断选择的不是方波后，则转向对正弦波的判断，如此反复。如果选择的是方波，则用查表的方法求出相应的数据，并通过D/A转换 器将数据转换成模拟信号，形成所需波形信号。 4.2 软件程序;*;*测量仪器课程项目*;*波形发生器源代码*;*KHZ_CNTDATA30HbHZ_CN

23、TDATA31HKUP_CNTDATA32HKDN_CNTDATA33HKEY_VALDATA35H;=;=ORG0000HRESET:LJMPBEGIN;-;中断向量表;-ORG0003HINT_0:RETIORG000BHTIME0:LJMPT0_INTRORG0013HINT_1:RETI;-;开机初始化代码;-ORG0030HBEGIN:MOVSP,#60H;-CLR_RAM:MOVR0,#00HDJNZR0,CLR_RAM;-INI_SFR:MOV TMOD,#01H ;-T0 =count modeMOVIE,#00000010B;-ET0=1MOVTH0,#0FFH;MOVTL0

24、,#0D2H;-50uS FOR 11.0592MHz;-INI_VAL:MOVKHZ_CNT,#0AH;10次MOVbHZ_CNT,#0AH;-START:SETBTR0;SETBEA;-M_LOOP:;NOP;-本项目这里无事要做;SJMPM_LOOPLCALLKEY_SCANJNBKEY_OK,M_LOOPASK_:CJNEA,M_LOOP;-SJMPM_LOOP;=;中断服务程序;=T0_INTR:MOVTH0,#0FFHMOVTL0,#(0D2H+09H);-实际需要修正！;-O_10K:CPLP2.0;Out 10kHz;-O_1K:DJNZKHZ_CNT,T0_ENDMOVKHZ

25、_CNT,#0AHCPLP2.1;OUT 1kHz;-T0_END:RETI;=;键盘扫描程序;=KEY_SCAN:MOVP1,#0FFH;读端口前的规范MOVA,P1;读端口值CPLA;ANLA,#03H;仅取P1.1/P1.0;-CJNEA,KEY_VAL,KEY_NEWINCKEY_CNTMOVA,KEY_CNTCJNEA,#100,KEY_END;-KEY_NEW:MOVKEY_VAL,AMOVKEY_CNT,#0KEY_END:RETEND;=4.3 原理图4.4 PCB板4.5 板子的安装5 函数信号发生器的说明书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

26、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

27、、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。结论课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经

28、成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。 回顾起此次单片机课，我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在好几个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第

29、一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件的使用方法的使用方法，对单片机汇编语言掌握得不好.通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在王晓林老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在王晓林老师那里我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢。致谢本课题在选题及研究过程是在王晓林老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。老师们多次询问研究进程，并为我们指点迷津，帮助我们开

30、拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。老师严谨细致、一丝不苟的工作作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对老师的感激之情是无法用言语表达的。 感谢带过我的老师的教育培养。他们细心指导我们的学习与研究， 从课题的选择到项目的最终完成，老师们都始终给予细心的指导和不懈的支持。在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬并致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢在一起愉快的度过4年生活的各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!。参考文献1 程全.基于AT89C52实现的多种波形发生器的设计J.周口师范学院学报，2005.22(5)：5758.2 童诗白.模拟电路技术基础M.北京：高等教育出版社，2000.171202. 3 杜华.任意波形发生器及应用J.国外电子测量技术，2005.1：3840. 4 张友德.单片微型机原理、应用与实践M.上海：复旦大学出版社，2004.4044. 5 程朗.基于8051单片机的双通道波形发生器的设计与实现J.计算机工程与应用，2004.8：100103. 6