函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)目錄1緒論 緒論1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和用戶(hù)定義信號(hào)，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和易操作性的電子儀器，也稱(chēng)波形發(fā)生器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為實(shí)驗(yàn)信號(hào)源，是現(xiàn)今各種電子電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一，也被廣泛用于電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域。本課題擬采用Proteus軟件進(jìn)行函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的仿真設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中要完成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。能夠產(chǎn)生方波、正弦波、鋸齒波、三角波。當(dāng)按1鍵時(shí)輸出方波，按2鍵時(shí)輸出正弦波，按3鍵時(shí)輸出鋸齒波，按4鍵輸出三角波。調(diào)節(jié)電位器能改變波形的頻率，并顯示當(dāng)前輸出的是什么波形。1.2總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心通過(guò)鍵盤(pán)掃描來(lái)選擇相應(yīng)的波形，將輸入的值通過(guò)DA轉(zhuǎn)換成模擬量，并且在示波器上顯示波形。波形頻率通過(guò)電位器調(diào)節(jié)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并進(jìn)行相應(yīng)的處理改變其大小?？偡桨冈O(shè)計(jì)的硬件框架圖如下圖2.1所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路數(shù)碼管顯示電路時(shí)鐘與復(fù)位電路單片機(jī)控制電路數(shù)碼管顯示電路時(shí)鐘與復(fù)位電路D/A轉(zhuǎn)換電路按鍵電路D/A轉(zhuǎn)換電路按鍵電路波形輸出波形輸出圖1.1總方案設(shè)計(jì)硬件框架圖2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)用89C51單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2.1所示。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。圖2.189C51單片機(jī)最小系統(tǒng)DS1302是一個(gè)高性能、低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302和微控制器連接只需要三行，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)時(shí)鐘所采用的晶振為50MHz的有源晶振，活躍的晶體主要使用3.3V直流電源，該電源系統(tǒng)時(shí)鐘電路。DS1302是一個(gè)高性能、低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302和微控制器連接只需要三行，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)時(shí)鐘所采用的晶振為50MHz的有源晶振，活躍的晶體主要使用3.3V直流電源，該電源系統(tǒng)時(shí)鐘電路。外部振蕩方式是把已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)。這種方式適宜用來(lái)使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號(hào)保持一致。2.2系統(tǒng)操作顯示電路設(shè)計(jì)2.2.1鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)是最常見(jiàn)的人機(jī)接口設(shè)備，通過(guò)鍵盤(pán)人們可以向AT89C51單片機(jī)輸入各種操作指令和數(shù)據(jù)，AT89C51單片機(jī)捕捉到這些按鍵信息后，有AT89C51單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理。本系統(tǒng)使用行掃描法來(lái)管理鍵盤(pán)子程序。并通過(guò)程序代碼對(duì)按下的鍵值進(jìn)行判斷，以確保按下鍵值的有效性，同時(shí)通過(guò)按下鍵值的不同來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。消抖動(dòng)程序是這樣實(shí)現(xiàn)的，本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)處理，按鍵是采用行列式鍵盤(pán)。圖2.2鍵盤(pán)電路原理圖圖2.3鍵盤(pán)示意圖2.2.2顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路主要是通過(guò)鍵盤(pán)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室的各功能設(shè)定、當(dāng)前參數(shù)等設(shè)定。本設(shè)計(jì)是用利用4為L(zhǎng)ED數(shù)碼管顯示波形代號(hào)和頻率，通過(guò)按鍵來(lái)控制輸出不同的波形，在數(shù)碼管上第一位字母a、b、c、d分別對(duì)應(yīng)著正弦波、三角波、方波、鋸齒波，后三位數(shù)碼管對(duì)應(yīng)信號(hào)的頻率，通過(guò)按鍵控制頻率輸出，其中單片機(jī)P1口接驅(qū)動(dòng)芯片74LS245用以增加P1口帶負(fù)載的能力，再利用74LS138譯碼器芯片對(duì)其進(jìn)行譯碼并通過(guò)數(shù)碼管顯示，顯示模塊圖如圖2.4所示:圖2.4顯示電路模塊2.3波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)由單片機(jī)采用編程方法產(chǎn)生三種波形、通過(guò)DA轉(zhuǎn)換模塊DAC0832在進(jìn)過(guò)濾波放大之后輸出。其電路圖如圖2.5所示：圖2.5波形產(chǎn)生電路LM324的5管腳與DAC0832的（IOUT2）12管腳相連，LM324的6管腳與DAC0832的（IOUT1）11管腳相連，LM324的7管腳與DAC0832的REF（9）管腳相連。AD9834內(nèi)部的相位累加器字寬為32位，SIN函數(shù)表有4096樣點(diǎn)值，因此32位的相位累加器輸出僅截取高12位用于查表。圖2.6輸出正弦波波形圖圖2.7輸出三角波波形第一級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將DAC0832輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)V1，第二級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將V1通過(guò)反向放大電路放大-（R2/R1）倍。在第二個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端連了一個(gè)20K的電位器。通過(guò)電位器來(lái)調(diào)節(jié)波形振幅的大小，同時(shí)在輸出端接到示波器的輸入端，通過(guò)示波器觀察產(chǎn)生的波形。2.4D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)D/A的輸出端的信號(hào)峰峰值在1.05V左右，經(jīng)過(guò)濾波器的濾波以后，能夠得到較為純凈的輸出信號(hào)。D/A輸出的控制電壓送入到可控增益放大器，從而實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)控制，并使輸出值達(dá)到預(yù)設(shè)值，將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的高頻帶寬展寬，實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器對(duì)高頻信號(hào)的放大，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了提高控制精度，本系統(tǒng)采用12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832來(lái)實(shí)現(xiàn)增益可控。圖2.8DAC0832典型接法2.4直流穩(wěn)壓電源模塊直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備的能源電路，關(guān)系到整個(gè)電路設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供5V或者15V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。模擬電路應(yīng)用中，電源對(duì)運(yùn)算放大器信號(hào)輸出影響很大，由于運(yùn)算放大器電源擬制能力有限，電源上的部分高頻噪聲可經(jīng)運(yùn)算放大器映射到輸出端，增加系統(tǒng)輸出噪聲，影響系統(tǒng)測(cè)量精度。源部分輸出±5V，±5V電壓供給整個(gè)系統(tǒng)。數(shù)字部分和模擬部分通過(guò)電感隔離。電路原理如圖2.9所示。圖2.9電路原理圖2.4.1三端固定式正壓穩(wěn)壓器LM78XX系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的固定輸出三端正穩(wěn)壓器集成電路。三端固定式穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖所示，只要把正輸入電壓U1加到MC7805的輸入端，MC7805的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱(chēng)正電壓UO。并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號(hào)的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個(gè)別集成穩(wěn)壓電路失效時(shí)導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。圖2.10三端固定式正壓穩(wěn)壓器電路2.4.2三端固定式負(fù)壓穩(wěn)壓器LM79XX系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的固定輸出三端負(fù)穩(wěn)壓器集成電路。圖所示為79的基本應(yīng)用電路(以MC7905為例)。圖2.11三端固定式負(fù)壓穩(wěn)壓器2.4.3正負(fù)輸出穩(wěn)壓電源圖2.12正負(fù)輸出穩(wěn)壓電源圖2.12所示為正負(fù)輸出電壓固定的穩(wěn)壓電源。它由輸出電壓極性不同的兩片集成穩(wěn)壓器MC7815和MC7915構(gòu)成，經(jīng)過(guò)整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。本電源不僅可以單獨(dú)使用，還可以置于其它電子設(shè)備中作為變壓穩(wěn)壓或穩(wěn)流源使用，電路十分簡(jiǎn)單。宿州學(xué)院2012屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果及調(diào)試173函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)3.1匯編語(yǔ)言軟件3.1.1C語(yǔ)言介紹匯編C語(yǔ)言是單片機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的重要形式，也是當(dāng)今單片機(jī)開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)最常用的語(yǔ)言形式。同時(shí)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程時(shí)，不必對(duì)單片機(jī)和接口結(jié)構(gòu)有很深的了解，編譯器就可以自動(dòng)的完成變量的存儲(chǔ)單元分配，開(kāi)發(fā)人員更可以專(zhuān)注于應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，從而大大加快軟件的開(kāi)發(fā)速度。因此，C語(yǔ)言的在單片機(jī)編程中具有重要地位。3.1.2仿真和編譯工具Proteus軟件提供多達(dá)30多個(gè)元件庫(kù)，元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等。能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒(méi)有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。在用Proteus進(jìn)行仿真和程序調(diào)試時(shí)，可以從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過(guò)程和結(jié)果。KeilC51是美國(guó)KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。KeilC51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面，是一個(gè)非常實(shí)用的編譯軟件。3.2軟件流程圖本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)，用編程的方法來(lái)產(chǎn)生四種波形，并通過(guò)編程來(lái)切換四種波形以及波形頻率的改變。具體功能有：各個(gè)波形的切換；各種參數(shù)的設(shè)定；頻率增減等；數(shù)碼管的顯示軟件調(diào)通后，通過(guò)編程器下載到AT89C51芯片中，然后插到系統(tǒng)中即可獨(dú)立完成所有的控制。軟件流程圖如圖3.1所示。圖3.1程序流程圖3.3電路模塊功能仿真對(duì)整體電路進(jìn)行了仿真測(cè)試，仿真測(cè)試結(jié)果如圖所示，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換放大器的信號(hào)輸入到差動(dòng)放大電路當(dāng)中，仍然采用電位器來(lái)控制增益控制部分。從計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果分析得出，該電路滿(mǎn)足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，基本達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。以下為四種波形的仿真結(jié)果示例。3.3.1正弦波仿真正弦波仿真：頻率分別為31HZ和260HZ。仿真結(jié)果分別如圖3.2、3.3所示。當(dāng)鍵K1第一次按下時(shí)，產(chǎn)生的波為正弦波，波形如圖3.2所示：圖3.2正弦波仿真圖圖3.3正弦波仿真輸出（257HZ）3.3.2三角波仿真當(dāng)鍵K2第一次按下時(shí)，產(chǎn)生的波為三角波，波形如圖3.4所示：圖3.4三角波仿真圖3.3.3方波仿真當(dāng)鍵K3第一次按下時(shí)，產(chǎn)生的波為方波，波形如圖3.5所示：圖3.5方波仿真圖3.3.4鋸齒波仿真當(dāng)鍵K4第一次按下時(shí)，產(chǎn)生的波為鋸齒波，波形如圖3.6所示：圖3.6鋸齒波仿真圖3.4測(cè)試結(jié)果與分析3.4.1頻率特性測(cè)量增益設(shè)為40dB檔，輸入端加10mV正弦波，由于信號(hào)源不能保證不同頻段的10mV正波幅度穩(wěn)定，因此每次測(cè)量前先調(diào)節(jié)信號(hào)源使得輸入信號(hào)保持在10mV左右，再測(cè)量輸出信號(hào)。測(cè)試的數(shù)據(jù)如表3.1所示。表3.1頻率特性測(cè)試數(shù)據(jù)頻率(kHZ)05102040增益(dB)37.038.340.040.0040.1頻率(kHz)90100300400500輸出RMS(V)0.9990.9980.9960.9971.00增益(dB)39.939.939.939.940.03.4.2增益誤差測(cè)量輸入端加有效值為10mV，頻率為1MHz的正弦信號(hào)，保持幅度穩(wěn)定，然后預(yù)設(shè)增益值測(cè)量輸出信號(hào)來(lái)計(jì)算增益誤差。測(cè)試的數(shù)據(jù)如表3.2所示。表3.2增益誤差測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)置增益(dB)1015202530輸出RMS（mV）32.363.8127254502實(shí)際增益(dB)10.215.120.125.130.0增益誤差(dB)+0.2+0.1+0.1+0.10.0由表中可以看出增益誤差在0.2dB之內(nèi)，頻率較高時(shí)，隨著輸出電壓的增大，增益有下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)楹蠹?jí)功放管工作狀態(tài)即將接近飽和，通過(guò)提高后級(jí)電源電壓可以使增益更加穩(wěn)定。4結(jié)論通過(guò)廣泛查閱和研究分析文獻(xiàn)資料，根據(jù)各種情況提出了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下按照系統(tǒng)最好的性能以及價(jià)格比確定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。89C51是整個(gè)波形信號(hào)發(fā)生器的核心部分，通過(guò)程序的編寫(xiě)和執(zhí)行，產(chǎn)生各種各樣的信號(hào)，并從鍵盤(pán)接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種功能的轉(zhuǎn)換和信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)。本論文對(duì)整個(gè)函數(shù)/任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的講解，分別從硬件、軟件模塊對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了的設(shè)計(jì)，然后針對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的具體設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)每一個(gè)組成部分的具體指標(biāo)參數(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)的功能仿真和實(shí)物的調(diào)試驗(yàn)證，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的硬件邏輯功能達(dá)到了基本的設(shè)計(jì)要求。結(jié)合軟件的靈活運(yùn)用，可產(chǎn)生幾種常見(jiàn)的波形，如正弦波、三角波和方波等信號(hào)波形。參考文獻(xiàn)[1]李娜,周成虎.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2013(03)[2]萬(wàn)永芳,余忠凱.一種采用80C51的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器硬件設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)理工卷.2008(03)[3]杜云,張凱,魏雅,劉泉海.平面旋轉(zhuǎn)磁極函數(shù)信號(hào)發(fā)生器及其應(yīng)用[J].電子測(cè)試.2013(22)[4]宋敏.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器測(cè)量不確定度分析與評(píng)定方法研究[J].科技廣場(chǎng).2013(03)[5]周大鵬,常峰,何光普.基于虛擬儀器的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].樂(lè)山師范學(xué)院學(xué)報(bào).2009(05)[6]李娜,周成虎.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2013(03)[7]馬玉麗,康麗娟.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器制作方法的比較與分析[J].青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報(bào).2007(02)[8]杜云,張凱,魏雅,劉泉海.平面旋轉(zhuǎn)磁極函數(shù)信號(hào)發(fā)生器及其應(yīng)用[J].電子測(cè)試.2013(22)[9]宋敏.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器測(cè)量不確定度分析與評(píng)定方法研究[J].科技廣場(chǎng).2013(03)[10]石玉軍,劉振來(lái).函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2008(09)[11]羅佰綏,熊小民,熊鍇.簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器與計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子元器件.2008(07)[12]Tierney,J.,R