精密函数波形发生器.docx

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精密函数波形发生器

目录

1绪论1

1.1引言1

1.2课题研究与发展意义2

1.3波形发生器的发展2

2波形发生器的理论分析与设计方案5

2.1设计方案5

2.1.1直接模拟法5

2.1.2直接数字法5

2.2信号发生器的基本结构框图6

3硬件系统设计6

3.1单片机功能模块7

3.1.1AT89S51单片机的选取与分析7

3.1.2复位电路8

3.1.3时钟电路8

3.2键盘显示系统硬件电路设计8

3.2.1基于8279芯片的键盘显示电路分析与设计9

3.2.2键盘控制电路设计11

3.2.3数码显示电路设计11

3.3数模转换电路的分析与设计12

3.3.1DAC0832芯片的选取分析12

3.3.2集成电路运算放大器LM358的功能分析13

3.4电源电路设计13

4软件实现14

4.1主程序分析14

4.2输出方波子程序：

SQUN15

4.3输出三角波子程序：

TRIAN16

4.4输出锯齿波子程序：

SANTOO17

4.5输出正弦波子程序：

SINE17

5结束语19

致谢19

参考文献20

附录总电路图21

1绪论

1.1引言

函数信号发生器是一种能够产生多种波形，通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。

信号发生器采用模拟电子技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形，这种信号发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。

一般的传统发生器都是采用的谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。

但也可以根据频率合成技术来获得所需频率。

利用频率合成技术制成的信号发生器，被称为合成信号发生器。

随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D/A以及相关硬件、软件构成的波形发生器。

它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比以往复杂。

实质上它采用了软件控制，利用微处理器控制D/A,就可以得到各种简单波形。

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。

本设计用单片机与DAC0832构成的波形发生器，可产生方波、三角波、锯齿波、正弦波等多种波形，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。

1.2课题研究与发展意义

当今世界在以电子信息技术为前提下推动了社会跨跃式的进步，科学技术的飞速发展日新月异带动了各国生产力的大规模提高。

由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子信息技术更显得尤为重要，在国民生产各部门电子信息技术得到了广泛的应用。

据统计，我国的单片机年容量已达1－3亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。

特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片,并不断地辐射向内地,这说明单片机应用在我国才刚刚起步，有着广阔的前景。

培养单片机应用人才，特别是在工程技术人员中普及单片机知识有着重要的现实意义。

波形发生器是信号源的一种，主要给被测电路提供所需要的己知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。

可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中，它的应用非常广泛。

它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。

随着科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求，波形发生器己成为测试仪器中至关重要的一类。

传统的波形发生器采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活。

本设计充分利用单片机灵活的控制、丰富的外设处理能力，实现频率、幅值可调的信号的输出，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。

1.3波形发生器的发展

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。

早在20年代，当电子设备刚出现时，他就出现了。

随着通信和雷达技术的发展，40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器。

同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调试器的脉冲信号发生器。

由于早期的信号发生器的机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，（与数字仪器，示波器相比），因此发展比较缓慢。

直到1964年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。

自60年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。

各类信号发生器的性能指标也有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的发展。

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的波形。

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VisualBasic,VisualC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。

早在1978年，由美国Wavetek公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为5MHz，可以形成256点（存储长度）波形数据，垂直分辨率为8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。

变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。

波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。

波形发生器是信号源的一种，主要给被测电路提供所需要的己知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。

可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中，它的应用非常广泛。

它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。

目前我国己经开始研制波形发生器，并取得了可喜的成果。

但总的来说，我国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。

2波形发生器的理论分析与设计方案

在测试与测量技术过程中，常用到已知函数波形的数字化生成，它在许多与测量有关的领域有着不可替代的作用。

例如，数字化仿真，常被用于算法研究、模型研究、系统辨识或以蒙特卡罗法搜索模型与算法。

任意波形发生器出现以后，给人们提供的不仅是一个通用的基础技术平台，而是在人们面前打开了通往无限宽广空间的一扇门，使得人们对于信号波形的掌握与应用再也不必局限于简单的正弦波、方波等几种有限的波形了，它可以按照人们提供的测量序列产生出几乎任意形状的连续波形信号。

2.1设计方案

目前信号发生的主要实现方法由直接模拟法、直接数字法两种。

2.1.1直接模拟法

图4直接模拟法框图

这是传统函数发生器的简化基本结构，一般都是由自由振荡器产生原始波形，然后经过转换电路将原始波形转换成其他波形，在上图中三角波是由振荡器产生的，方波是三角波通过比较器转变而成的，正弦波是三角波通过一个波形整形电路（正弦波整形器）演变而来的，所需要波形经过放大和衰减输出，显然这种方式产生的波形种类有限，每增加一种波形，都要增加相应的转换电路，整个电路变得很复杂，最重要的是要产生用户所需要的任意波形复杂的波形几乎不可能[5]。

2.1.2直接数字法

直接数字法是采用直接数字合成（DirectDigitalSynthesis）的方法实现信号产生。

该技术具有频率转换速度快、频率分辨率高、易于控制的突出特点。

直接数字合成技术近年来发展得很快，而要产生任意波形就必须采用直接数字合成技术。

随着DDS技术的发展，出现了各种各样的直接数字合成的结构，但基本上可以发成两种：

（1）基于地址计数器的数字频率合成法；

（2）基于相位累加器的数字频率合成法。

由于直接数字法在设计上的的优点，本课题设计采用的是基于地址计数器的直接数字合成法。

2.2信号发生器的基本结构框图

基本结构框图如图1所示

图1硬件电路的功能示意图

单片机向0832发送数字编码，产生不同的输出。

先利用采样定理对各波形进行抽样，然后把各采样值进行编码，得到的数字量存入各个波形表，执行程序时通过查表方法依次取出，经过D/A转换后输出就可以得到波形。

假如N个点构成波形的一个周期，则0832输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，即一个周期。

重复输出N个点，成为第二个周期。

利用单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制了输出的波形的频率。

这样就控制了输出的波形及其幅值和频率。

3硬件系统设计

根据课题要求，画出整个硬件系统的功能示意图如图1所示。

从图1中可以看到本仪器的硬件系统主要分为以下几个模块：

单片机功能模块、显示接口电路，波形变换DAC转换模块、放大电路和电源等。

3.1单片机功能模块

单片机模块：

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

与单片机相连的是D/A电路功能：

将波形样值的编码转换成模拟值，完成双极性的波形输出。

D/A转换部分是由一片DAC0832数模转换器和两块LM358组成。

DAC0832是一个具有两个输入数据寄存器的8位DAC。

目前生产的DAC芯片分为两类，一类芯片内部设置有数据寄存器，不需要外加电路就可以直接与微型计算机接口。

另一类芯片内部没有数据寄存器，输出信号随数据输入线的状态变化而变化，因此不能直接与微型计算机接口，必须通过并行接口与微型计算机接口。

DAC0832是具有20条引线的双列直插式CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换，故不需要外加电路。

0832是电流输出型，示波器上显示波形，通常需要电压信号，电流信号到电压信号的转换可以由运算放大器实现，可以实现双极性输出。

3.1.1AT89S51单片机的选取与分析

该单片机的功能是形成扫描码，键值识别、键处理、参数设置；形成显示段码；产生定时中断；形成波形的数字编码，并输出到D/A接口电路和显示驱动电路。

AT89S51外接12M晶振作为时钟频率。

并采用电源复位设计。

复位电路采用上电复位，它的工作原理是，通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过对电容充电。

RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始工作。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

AT89S51的P2口作为功能按钮和TEC6122的接口，P1口做为D/A转换芯片0832的接口。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

3.1.2复位电路

复位电路如图2所示

图2复位电路

控制引脚RST，引脚9，复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上2个机器周期的高电平可以实现复位操作。

本文采用上电复位，上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

图中电容C1和电阻R7对+5V的电源来说构成微分电路，使在刚启动电源时向RST引脚输入高电平信号，完成系统的复位操作。

3.1.3时钟电路

时钟引脚XTAL1和XTAL2：

XTAL1，引脚18，内部振荡器外接晶振的一个输入端，XTAL2，引脚19，内部振荡器外接晶振的另一个输入端。

AT89C51内部有一个高增益的反相放大器，通过XTAL1和XTAL2引脚外接石晶振子、微调电容构成振荡器，该振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路。

本设计中Y1为石英振子，当选用石英振子时，电容通常选择30PF，振荡频率范围为1—12MHz，本设计选用12MHz。

时钟电路如图3所示。

3.2键盘显示系统硬件电路设计

显示电路：

其主要功能是驱动8位数码管显示，扫描按钮。

由集成驱动芯片8279、8位共阴极数码管和5个按钮组成。

当某一按钮按下时，扫描程序扫描到

之后，通过P0口将数字信号发送到8279芯片。

8279可按其功能分为：

键盘功

图3时钟电路

能块；显示功能块；控制功能块；与CPU接口功能块控制功能块包括控制和定时寄存器，定时和控制，扫描计数器三部分，它主要用来控制键盘和显示功能块工作。

3.2.1基于8279芯片的键盘显示电路分析与设计

8279是Intel公司生产的通用可编程键盘/显示器接口芯片。

8279可实现对键盘/显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合键的键号。

这样不仅可节省CPU对键盘/显示器的操作时间，而且显示稳定，程序简单，不会出现误动作。

8279可按其功能分为:

键盘功能块；显示功能块；控制功能块；与CPU接口功能块。

控制功能块包括控制和定时寄存器，定时和控制，扫描计数器三部分，它主要用来控制键盘和显示功能块工作。

8279能自动完成键盘输入和显示控制两种功能。

键盘控制部分提供一种扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘连接，能对键盘进行自动扫描、自动消抖、自动识别出按下的键并给出编码，能同时按下双键或Ｎ键实行保护，其接收键盘上的输入信息存入内部FIFO缓冲器，并可在有键输入时向CPU请求中断。

8279提供了按扫描方式工作的显示接口，其内部有一个168的显示缓冲器，能对8位或16位LED自动进行扫描，将显示缓冲器的内容在LED上显示出来。

8279通过74LS138译码器扩展4×4键盘、6位显示器。

由3-8译码器对SL0～SL2译出键扫描线，由另一3-8译码器译出显示器的位扫描线，并采用了编码扫描方式。

为了防止出现重键现象，扫描输出线高位SL3不参加键扫描译码。

CPU对8279的监视采用了查询方式，故8279的中断请求信号IRQ悬空未用，整个电路结构如图4所示。

芯片8279与89S51单片机接口电路如图5所示

图48279芯片的键盘显示电路

图5芯片8279与89S51单片机接口电路

对8279的编程一般可分成三部分，第一部分对8279初始化编程，规定其键盘和显示器的工作方式以及对外部CLK信号的分频系数等；第二部分为检查键盘情况，当有键按下时，读取键值，然后，进行相应的处理；第三部分为显示部分，即将待显示字符的段码送写入显示RAM进行显示。

相应地，8279的接口电路也大致可分为三部分，即与单片机的接口和键盘的接口和与显示器的接口。

常见的由8279组成的8位LED显示器、16个按键接口。

电路工作原理如下，与单片机接口，DB7~DB0直接边至P0口；读引脚/RD接单片机的读信号（/RD）；写引脚接单片机的写信号（/WR）；CLK引脚接单片机的ALE信号，ALE信号的频率为系统晶体振荡器频率的1/6；A0接地址总线A0。

当有键闭合时，IRQ变为高电平，可以通过中断或查询方式读取键值。

与键盘的接口电路，16个按键接成矩阵形式，由RL7~RL0组成行线，外部译码器74LS138的输出Y0和Y1组成列线（或扫描线）。

当有键闭合时，读入的RL7~RL0不全为零，根椐RL7~RL0和SL2~SL0的状态即可确定闭合键所在的位置。

3.2.2键盘控制电路设计

矩阵式键盘也称为行列式键盘。

行线通过上拉电阻接到VCC电源上，列线上逐列给低电平，如果有键按下，相应的行线就能够接收到低电平，据此就可以判断出相应的键值。

单片机中所需按键较少,多采用独立式键盘。

此种键盘结构简单,每个按键接单片机的一条I/O线,通过查询即可分别出每个按键的状态来。

但由于本系统按键较多,在这里采用矩阵式排列键盘,如图5所示,这样可以合理应用硬件资源,把16只按键排列成4*4矩阵形式,用一个8位I/O口控制,如图6所示。

把键盘上的行和列分别接在IOA0~IOA3和IOA4~IOA7 先置IOA0~IOA3为带数据缓存器的高电平输出,置IOA4~IOA7为带下拉电阻的输管脚,此时若有键按下,取IOA4~IOA7的数据将得到一个值,把此值保存下来,再置IOA4~IOA7为带数据反相器的高电平输出,置IOA0~IOA3为带下拉电阻的输入管脚,此时若键仍没弹起,取IOA0~IOA3的数据将得到另一个值,把这两个值组合就可得知是哪个键按下了,再通过查表得到键值。

图6键盘控制电路

 3.2.3数码显示电路设计

本设计中将第一个74LS164的A、B联在一起，接收由单片机串口送来的信号，它的Q7输出端又与下一个164的A、B端联在一起，以此类推，实际组成了N

8位的移位寄存器，与数码管联接，可同时显示多位数字。

在设计中为了节省芯片资源，采用了汇编语言实现了日期和时间分屏，仅采用六个74LS164驱动六位的数码管，显示由于数码管实际上是由多个正常工作电压为3V的发光二极管组成的，系统没有必要单独为数码管提供电源，而是直接从主电源上引出一路为数码管供电，在实际应用中，可以在数码管电源与系统主电源之间加上三个二极管来降压，刚好使其端电压为3V左右，符合数码管长时间工作的要求。

数码管显示电路的具体联接方式图7所示。

图7数码显示电路

3.3数模转换电路的分析与设计

3.3.1DAC0832芯片的选取分析

DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换电路组成。

输入寄存器和DAC寄存器作为双缓冲，因为在CPU数据线直接接到DAC0832的输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在CPU执行输出指令的瞬间内，输入寄存器可用于保存此瞬间出现的数据。

有时，微机控制系统要求同时输出多个模拟量参数，此时对应于每一种参数需要一片DAC0832，每片DAC0832的转换时间相同，就可采用DAC寄存器对CPU分时输入到输入寄存器的各参数在同一时刻开始锁存，进而同时产生各模拟信号。

转换的8位数字量由芯片的8位数据输入线D0～D7输入，经DAC0832转换后，通过2个电流输出端IOUT1和IOUT2输出，IOUT1是逻辑电平为"1"的各位输出电流之和，IOUT2是逻辑电平为"0"的各位输出电流之和。

另外，ILE、

、

、

和

是控制转换的控制信号。

8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。

输入可有28-256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。

DAC0832的逻辑框图和引脚排列如图8所示。

图8D/A转换器的连接电路

3.3.2集成电路运算放大器LM358的功能分析

LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

输入偏置电流45nA，输入失调电流50nA，输入失调电压2.9mV，VCC1.5V共模抑制比80dB，电源抑制比100dB 。

放大器LM358如图9所示：

图9放大器LM358

LM358通用运放倍数：

LM833是差分输入的高速运放，主要应用于音频前置放大，及功放、CD机摩机,优于NE5532,放大倍数一般调控在5--100左右。

（太高易自激）。

功率放大器外围电路，LM358是双运放IC，把输出与输入负端直接相连，输入信号与输入正端相连，就是电压跟随器，即使输出电压与输入电压相等而输出电流大。

3.4电源电路设计

电源电路如图10所示，采用220V供电，220交流电经过变压器T1降压、二极管D1～D4整流、电容C1滤波后产生12V直流电，可以作为控制继电器的驱动电压。

12V电压经过稳压器7805稳压后产生5V电压，作为控制电路的主电源。

电容C2作为高频旁路电容，将各种高频干扰信号旁路接地。

在设计的过程中，滤波电容C1要尽量选择的大，因为在单片机向EEPROM中写数据的过程中，持续时间很长，典型时间为8ms，这里选用的是2200uF。

所以只有选用较大容量的电容，才能