河南城建学院 函数信号发生器的设计.docx

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河南城建学院函数信号发生器的设计

毕业设计[论文]

题目：

函数信号发生器的设计

学院：

电气与信息工程学院

专业：

电子信息工程

姓名：

学号：

指导老师：

陈英

完成时间：

05/28/2013

摘要

函数信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。

且特殊波形发生器的价格昂贵。

目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器，它具有价格低、性能高和在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等特点。

本设计发生器采用AT89c52单片机作为控制核心，外围采用模拟/数字转换电路（DAC0832）、运放电路（TL082）、按键和LCD液晶显示电路等。

设计采用AT89S52单片机和一片DAC0832数模转换器以及一些外围电路组成低频信号发生器。

此发生器能产生从10—100HZ，200—2000HZ的低失真正弦波、三角波、矩形波等信号。

输出波形的频率和种类可用程序控制改变。

在单片机上加外围按键，通过按键控制波形频率的增减以及波形的选择，并用了LCD显示频率大小和波形种类。

在单片机的输出端口接DAC0832进行D/A转换，再通过运算放大器进行波形幅度调整，最后输出波形接在示波器上显示。

本设计根据要求主要研究了软件编程实现波形和频率的可调。

外围电路实现数模转换和信号波形放大。

由于采用了TL082运算放大器和稳压电路，使其电路更加具有较高的稳定性能，性能比高。

此电路清晰，出现故障容易查找错误，操作简单、方便。

具有典型性。

[关键词]：

函数信号发生器；单片机；DAC0832；AT89c52

Abstract

Signalgeneratorisacommonsignalsource,widelyusedinelectroniccircuits,automaticcontrolsystems,andteachingexperimentsandotherfields.waveformgeneratorandaspecialpriceofexpensive.Currentlyusedmostlyfunctionsignalgeneratorsignalgenerator。

ithaslowcost,highperformanceandgoodstabilityatlowfrequencywithintherange,easyoperation,smallsize,powerconsumptionandsoon.

ThedesigngeneratorusingAT89c52microcontrollerasthecontrol,externalanalog/digitalconversioncircuit（DAC0832）,operationalamplifierscircuit（TL082）,buttonsandLCDliquidcrystaldisplaycircuit.，etc..DesignusingAT89c52microcontrollerandaDAC0832DACaswellassomeperipheralcircuitalowperiodofwave.Thegeneratorcanproducefromthe10-100HZ,200-2000HZ,low-distortionsinewave,trianglewave,squarewavesignal,etc..theperiodofwavecanbecontrolledbyprocedure,atoutercirclesparepartofthemachine,plusindependencetypekeyboard,whichcancontrolwaveincreaseordecreaseofform-frequencyandthechoiceofwave-form,atthesametimeLEDdisplayfrequencysize.TheoutputofthemachineconnectDAC0832tocarryonaDAconversion，againpassoperationamplifiertoputanendexportationwave-form.

Themajordesignrequiredstudyasoftwareprogrammingwaveformandfrequencyadjustable.Externaldigital-analogconversioncircuitandsignalwaveformstoenlarge.BecauseusetheLM324operationalamplifierandvoltageregulatorcircuit,sothecircuitiswithhigherperformance,thehighperformance.Thecircuitclear,easytofindfailureerror,simpleandconvenient.Isatypicalcircuit.

Keywords：

signalgenerator;SCM;DAC0832;AT89c52

第1章绪论

1.1课题背景、目的及意义

随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。

尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。

现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。

当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。

在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。

而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波信号是常用的基本测试信号。

信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。

但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。

加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。

该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：

波形的设定，D/A转换，单片机（c52单片机，显示电路，键盘控制），显示和各模块的连接通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。

1.2信号发生器概述

目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以下几种：

超高频：

频率范围1MHz以上，可达几十兆赫兹。

高频：

几百KHZ到几MHZ。

低频：

频率范围为几十HZ到几百KHZ。

超低频：

频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。

超高频信号发生器，产生波形一般用LC振荡电路。

高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，即RC振荡电路，通过改变电容和电阻值，改变频率。

1.3信号发生器国内外发展状况

（一）国内研究现状

我国已经开始研制函数信号波形发生器，并取得了可喜的成果。

但总的来说我国的函数信号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，并且我国目前在函数信号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。

中国市场常见的主流低端信号发生器：

主流低端信号发生器产品均来自中国厂商，安捷伦、泰克等几家国际大厂并没有在低端市场投入什么战斗力，这主要缘于普及型产品不断提升的技术成本——DDS技术的向下移植。

所谓DDS技术是直接数字合成技术（DirectDigitalSynthesis）的简称，包括安捷伦、泰克、普源精仪等厂商的高性能信号源都基于DDS技术。

该技术1971年3月由美国学者J.Tierncy、C.M.Rader和B.Gold最先提出，这是一种从相位概念出发直接合成所需要波形的新的全数字频率合成技术。

同传统频率合成技术相比，DDS技术具有频率分辨率高、变频速度快、变频相位连续、相位噪声低等优点，易于功能扩展、便于全数字化集成、容易实现对输出信号的多种调制，是近年来任意波形发生器的基础。

这里需要特别说明，虽然大部分厂商都已经应用了DDS技术，但是由于实现方式不同，产生任意波的任意程度有本质的差别。

现行的两种DDS实现方式包括：

1、应用可编程逻辑和DAC搭建DDS电路；2、直接利用采购的DDS芯片。

在刚刚列举的产品中，只有普源精仪采用的是前者，其余厂商或者直接采购DDS芯片，或者尚未脱离模拟技术。

目前市面上直接采购的DDS芯片，价格昂贵、功能固定单一，采用这一方案的信号发生器并不能够真正实现“任意波”，而且所谓的“任意波”采样率也很低，应用受到很大限制。

而普源精仪的DG系列产品基于FPGA的技术设计实现DDS，不仅可以根据实际需要对其功能进行灵活地修改、配置，还让信号发生器的功能更加强大，可以实现深存储的任意波功能或调制功能。

如果信号发生器不能提供真正的任意波，将会给实验带来诸多不便，因此采用哪种DDS实现方式是选购过程中特别要注意的一点。

在具体的性能指标方面，四家产品则各有优劣。

其中普源精仪DG1000较为实用，输出的波形全部均14bit/100MSa，任意波的带宽最高达5MHz；石无四的TFG2000也同样是不错的选择，不过在三角波、锯齿波、指数、对数、噪声方面的8bit/1MHz输出略显不足。

频率计测量方面，普源精仪DG1000达到了200MHz，盛普、石无四都是100MHz，固纬的SFG-830没有设置这项功能。

屏显方面，普源精仪DG1000的256×64的LCD显示更多内容，具有图形化输出波形显示方式，石无四TFG2000的LCD稍小一些，盛普、固纬的字符显示均不如能图形化输出波形的LCD直观易懂。

除了通用指标之外，每款产品还具有自己独特的卖点：

普源精仪的DG1000自带10种语言用户界面和嵌入式帮助系统，连续按住几秒钟会自动显示帮助明细，给实际操作提供了方便；石无四的TFG2000可存储40组用户设置的工作参数，为多种信号检测提供便利；固纬的SFG-830可输出频率较高的正弦和方波，对正弦和方波要求高的用户可以考虑。

另外，只有高性能产品才具有的USBHOST接口和任意波编辑下载功能也开始出现在低端产品上。

由于性能的提升，普及型产品已经可以满足电子工程实验室日常实验、AM和FM信号通信原理教学实验和扫频信号滤波器特性分析等内容要求，成为教育等市场的首选产品。

中端产品：

波形下载功能为设计检测提供有力支持。

目前中端信号发生器的价格大致定位在万元左右，电子电路设计、功能检测、信号模拟这些工作越来越离不开任意波功能，选购时除关心传统信号源的缺陷之外，更应关心它的波形生成和下载能力，同时也要注意它的输出通道数，以便同步比较两信号的相移特性，进一步达到仿真实验状态。

主流中端信号发生器：

中端信号发生器中比较有价值的产品如下：

安捷伦的33220A、泰克的AFG3021/3022和普源精仪的DG2000系列。

在中端市场，以上三者竞争异常激烈，而作为兵家争夺重地的基本性能指标，就是招标过程中的第一个重要参考依据。

首先，采样率方面，安捷伦33220A是50MSa/s，普源精仪DG2000为100MSa/s,泰克AFG3021/3022最高，达250MSa/s。

其次，波形长度方面，普源精仪以512K遥遥领先，安捷伦与泰克同为64K。

第三，垂直分辨率方面相差不大。

第四，屏幕显示方面，泰克的5.6英寸LCD效果较好，安捷伦与普源精仪为256×64LCD。

另外，在军事、航空、交通、制造等领域中，有些电路运行环境很难估计，实验设计完成之后，在现实环境还需要作更进一步实验，有些实验的成本很高或者风险性很大（如火车高速实验时铁轨变换情况、飞机试机时螺旋桨的运行情况等），人们不可能长期作实验判断所设计产品（高速火车、飞机）的可行性和稳定性等，这时就需要利用任意波形发生器的波形下载功能。

在作一些复杂、费用高、风险性大的实验时，通过数字示波器等仪器把波形实时记录下来，然后通过计算机接口传输到信号发生器，直接下载到设计电路，便可更进一步多次重覆实验验证。

在信号发生器市场，除了安捷伦、泰克、普源精仪之外，其它产品基本都没有USBHOST接口和任意波下载功能，这在很大程度上限制了它们的应用。

最后，随着LXI概念的逐渐传播，仪器测量对远程控制与PC配套软件的呼声越来越高，LAN接口与控制软件渐行渐热。

普源精仪基于对用户需求的了解，对软件实行免费赠送。

高端产品：

高性能信号源注重产品设计细节。

对于绝大部分工程师和研发人员来说，3万元人民币这就是高性能信号发生器的价格上限，目前市场中高端信号发生器主要包括以下几种：

安捷伦的33250A、泰克的AFG3101和普源精仪的DG3000系列。

主流高端信号发生器：

仪器中，泰克AFG3101的采样率表现不错，在波形长度16K以内时可达到1GSa/s，不过波形长度大于16K时是250MGa/s，普源精仪DG3000与安捷伦33250A则分别稳定于300MGa/s、250MGa/s；存储深度和垂直分辨率方面33250A的64K和12bit较为单薄，最小输出频率和波形长度方面AFG3101的1mHz和128K也略显不足；至于屏显，33250A、DG3000、AFG3101的屏幕分别是256×64单色液晶、4.0英寸彩色液晶、5.6英寸彩色液晶，后两者在显示复杂波形时将体现出优势。

此外，普源精仪DG3000系列信号发生器是业界第一款带有数字逻辑输出功能（16路数据通道和2路时钟通道）的混合信号发生器（MSG），性能指标稍低的DG2000系列也同样可以选装数字逻辑输出模块，配合模拟通道可以重现更多的混合信号。

（二）国外研究现状

国外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州一系列的点、直线和同定的函数段把波形数据存入储器。

同时可以利用一种强有力的数学方程式输入方式，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。

日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而板，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系统测量产牛复杂的波形，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、军事及国防等人型领域。

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，都比过去的类做产品减少了一半。

例如美国安捷伦生产的33250A型任意波形发生器可以产生稳定，精度高和低失真的任意波形。

但由于信号发生器功能越来越多品牌、型号分布日趋复杂单凭产品性能指标已经不能左右用户的选择只有更具性价比、更有行业适用性、更方便工程师操作的产品才能获得用户的青睐。

1.4设计要求和任务

设计一个多功能信号发生器，可以产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等多种波形。

波形的频率、幅值均为连续可调。

实现多功能信号发生器波形种类、波形的频率、幅值的状态及数据的显示。

自选器件，实现多功能信号发生器的硬件设计。

可自行扩展功能，使之更加完善。

根据所设计的硬件部分做出完整的电路原理图；编写完整的程序并proteus平台上进行仿真。

第二章系统设计方案

2.1系统分析

2.1.1方案的设计和分析

常用的函数信号发生器的实现方法有如下几种：

1.采用分立元件实现信号的输出，主要是通过模拟电路实现正弦信号的输出，在通过各种积分微分电路实现各种不同波形的输出。

但是这种方法频率和幅值的调整比较困难，而且模拟电路受外部因素的影响较大，输出的波形难以控制。

2．采用集成信号发生芯片MAX038输出各种波形，并通过外接电阻值改变实现对幅值和频率的调整。

这种方法实现起来比较容易，但是频率和幅值的调节比较困难。

3.采用DAC0832通过查表得方式输出需要的波形，通过单片机定时向DAC转化器发送转换数据，实现不同的幅值和频率的输出。

这种方法能够实现各种需要的波形的输出，成本也不高，只是在扩展外设的时候浪费了大量的接口，以后的系统扩展可能会有影响。

4.采用DDS频率合成器，能输出各种波形，而且能够轻松调节幅值和频率。

DDS同DSP（数字信号处理）一样，是一项关键的数字化技术。

DDS是直接数字式频率合成器（DirectDigitalSynthesizer）的英文缩写。

与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。

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图2-1DDS的原理框图

一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分。

频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据DDS频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。

DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。

依据以上，可以用单片机89c52,加上一片DAC0832,就可以做成一个简单的信号发生器，其频率受单片机运行的程序的控制。

我们可以把产生各种波形的程序，写在ROM中，装入本机，按用户的选择，运行不同的程序，产生不同的波形。

再在DAC0832输出端加上一些电压变换电路，就完成了一个频率、幅值可调的多功能信号发生器的设计。

2.1.2方案构想

基于单片机的信号发生系统是一个实际应用系统，可为相关实验及实际应用提供支持。

本论文包括硬件系统的详细设计及C语言在基本控制中的应用。

此系统具有的功能如下：

（一）硬件部分

（1）单片机所需的平稳电压（电源设计±12V,5V）；

（2）LCD液晶显示；

（3）独立键盘；

（4）时钟电路与复位电路；

（5）具有8位精度的D/A转换功能；

（6）波形产生与电压变换功能。

（二）软件部分

（1）系统复位初始化；

（2）键盘扫描与处理；

（3）按键服务程序；

（4）定时器0中断服务程序；

（5）正弦波发生程序；

（6）三角波发生程序；

（7）方波发生程序；

（8）锯齿波发生程序。

2.1.3系统可行性分析

（1）设计环境

本设计主要用Proteus7.5电子设计软件进行电子线路的设计和仿真。

电路原理图的设计是仿真中的第一步，也是非常重要的一步。

电路原理图设计得好坏将直接影响到后面的工作。

电路原理图的设计过程可分为以下几个步骤：

①设置电路图纸参数及相关信息

②装入所需要的元件

③设置元件

④连线电路图

⑤调整、检查和修改

⑥补充完善

⑦仿真，焊接实物并调试。

（2）可行性分析

根据技术指标及系统设计目的，经研究芯片的选择如下：

①主控芯片采用ATMEL公司的89c52；

②采用12MHz的晶振器为89c52提供时钟信号；

③稳压块选用7812与7805相串联，提供12V和5V电压,7912产生-12V电压；

④对于89c52的P0口的数据经过DAC0832进行D/A转换；

⑤数码显示器采用LCD液晶显示屏；

⑥8位D/A转换器采用DAC0832；

⑦运算放大器采用TL082。

（3）设计中可能存在的问题及解决方案——排除问题的可行性讨论

此设计要求最终制作出实体，因此，设计原理图时应着重考虑设计最终的电路板的可行性。

在设计时要对每一个电路模块仔细检查，查阅其他书籍进行校对，还要进行实物实验，以确保设计的可实现性。

在最后的电路板的调试阶段，需要诊断模块程序和单片机仿真机合作进行，从而克服调试程序本身的不可靠性，可方便地进行调试及错误诊断。

（4）经济上的可行性讨论

本设计是一个实验系统，芯片的选择在前面已经讨论，从前面的讨论中可见芯片大部分都是常用芯片。

因此，设计费用主要集中在购买元器件上，而大部分的元器件，在市场上很容易找到不是很贵，所以经济上本设计完全可行。

2.2方案设计

算法设计：

本设计涉及的算法较少，将在第四章软件设计中介绍。

系统总体结构框图设计:

一个单片机主系统的硬件电路设计包含两部分内容：

一是单片机系统扩展部分设计，它包括存储器扩展和接口扩展。

存储器扩展指EPROM、EEPROM和RAM的扩展。

接口扩展是指各接口芯片以及其他功能器件的扩展。

二是各功能模块的设计，如信号检测功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通讯功能模块等，根据系统功能要求配置相应的D/A、键盘、显示器等外围设备。

本设计主要包括硬件设计和软件设计。

其中硬件主系统框图如图2-2所示。

波形输出

图2-2主系统结构框图

2.3硬件设计

单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：

一是系统扩展，即单片机内部的功能单元（如ROM、I/O、定时/计数器等）容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计适当的电路。

二是系统配置，即按照功能要求配置外围设备如显示设备、D/A转换等。

（1）程序存贮器：

89c52内部自带8K的ROM，512B的RAM，所以不需要对其扩展存储器。

（2）键盘接口：

本设计使用按键较少，采用独立式键盘控制。

（3）D/A转换：

本设计D/A转换部分采用DAC0832芯片，由于它自带锁存器，故在使用时不必加74LS373进行数据锁存。

（4）信号变换部分：

对信号的变换部分采用四运放集成芯片TL082，它采用8脚双列直插塑料封装，它的内部包含二组形式完全相同的运算放大器。

2.4系统模块设计

2.4.1单片机控制模块

单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价