【正文】 低頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)低頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄摘要 IAbstract I1 緒論 1 1 1 3 2 信號(hào)發(fā)生器的總體方案設(shè)計(jì) 4 信號(hào)發(fā)生器的總體方案 4 信號(hào)發(fā)生部分 4 信號(hào)幅值控制部分 4 信號(hào)頻率控制部分 5 5 軟件總體方案 6 本章小結(jié) 7 3 信號(hào)發(fā)生器的硬件電路設(shè)計(jì) 8 8 ICL8038內(nèi)部原理 9 電路分析 10 單片機(jī)最小系統(tǒng) 12 主要特性 13 管腳說(shuō)明（） 14 單片機(jī)電源 17 頻率控制模塊 17 幅值控制模塊 18 幅值控制模塊的原理 18 AD603簡(jiǎn)介 19 D/A轉(zhuǎn)換原理介紹 20 DAC0832引腳介紹 21 23 鍵盤控制模塊 25 本章小結(jié) 27 4 信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì) 28 主程序流程圖 28 頻率調(diào)節(jié)子程序設(shè)計(jì) 29 幅值調(diào)節(jié)子程序設(shè)計(jì) 30 32 矩陣鍵盤子程序設(shè)計(jì) 33 仿真結(jié)果 35 仿真軟件protues簡(jiǎn)介 35 方波、正弦波、三角波的產(chǎn)生 36 37 38 信號(hào)頻率的調(diào)節(jié) 39 本章小結(jié) 40 5 結(jié)論 41 謝辭 42 參考資料 43 附件1總電路圖 44 附錄2 外文資料翻譯 46 53 1 緒論在電子工程、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，經(jīng)常需要用到各種各樣的信號(hào)波形發(fā)生器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)成各種信號(hào)波形發(fā)生器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)波形發(fā)生器與其它信號(hào)波形發(fā)生器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高。波形發(fā)生器也稱函數(shù)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。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒波，正弦波，方波，三角波等波形。信號(hào)發(fā)生器作為一種常見(jiàn)的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用555振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路經(jīng)之一，不用依靠。但是這種電路存在波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大等缺點(diǎn)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，如工業(yè)過(guò)程控制，生物醫(yī)學(xué)，地震模擬機(jī)械振動(dòng)等領(lǐng)域常常要用到低頻信號(hào)源。而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號(hào)其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號(hào)源所需的RC很大；大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證；體積大，漏電，損耗顯著更是致命的弱點(diǎn)。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會(huì)大大增加。 波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和用戶定義信號(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。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號(hào)，還可對(duì)頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動(dòng)態(tài)、及時(shí)的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、震動(dòng)激勵(lì)、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。在 70 年代前，信號(hào)發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標(biāo)準(zhǔn)波形，產(chǎn)生其它波形時(shí)，需要采用較復(fù)雜的電路和機(jī)電結(jié)合的方法。這個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同時(shí)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)突出問(wèn)題，一是通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因此很難將頻率調(diào)到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。在 70 年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、A/D/和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。這時(shí)期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì) DAC的程序控制，就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。 90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價(jià)格的函數(shù)發(fā)生器、但是HP公司推出了型號(hào)為 HP770S的信號(hào)模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A任意波形數(shù)字化和 HP1776A波形發(fā)生軟件組成。HP8770A實(shí)際上也只能產(chǎn)生8 中波形，而且價(jià)格昂貴。不久以后，Analogic公司推出了型號(hào)為 Data2020的多波形合成器，Lecroy 公司生產(chǎn)的型號(hào)為9100 的任意波形發(fā)生器等。 到了二十一世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過(guò) GHz 的DDS 芯片，同時(shí)也推動(dòng)了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展，2003 年，Agilent的產(chǎn)品 33220A能夠產(chǎn)生 17 種波形，最高頻率可達(dá)到 20M，2005 年的產(chǎn)品N6030A 能夠產(chǎn)生高達(dá) 500MHz 的頻率，采樣的頻率可達(dá) 。由上面的產(chǎn)品可以看出，函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快近幾年來(lái)，國(guó)際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）過(guò)去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來(lái)越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開(kāi)發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點(diǎn)、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。同時(shí)可以利用一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個(gè)比較簡(jiǎn)單的公式復(fù)合成 v=f (t)形式的波形方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式產(chǎn)生。從而促進(jìn)了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的飛速發(fā)展也對(duì)任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動(dòng)作用。目前可以利用可視化編程語(yǔ)言(如Visual Basic ,Visual C 等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計(jì)算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的輸入。 （2）與VXI資源結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨(dú)立的臺(tái)式儀器和適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的插卡以及新近開(kāi)發(fā)的VXI模塊。由于VXI總線的逐漸成熟和對(duì)測(cè)量?jī)x器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用VXI系統(tǒng)測(cè)量產(chǎn)生復(fù)雜的波形，VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開(kāi)發(fā)VXI模塊的周期長(zhǎng)，而且需要專門的VXI機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器VXI模塊僅限于航空、軍事及國(guó)防等大型領(lǐng)域。在民用方面，VXI模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺(tái)式儀器更為方便。 （3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺(tái)式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來(lái)。不過(guò)現(xiàn)在新的臺(tái)式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺(tái)式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價(jià)格，都比過(guò)去的類似產(chǎn)品減少了一半。本文主要安排五個(gè)章節(jié)介紹基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器。第一章為緒論部分。主要介紹信號(hào)發(fā)生器的背景及意義，波形發(fā)生器的發(fā)展?fàn)顩r，本文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排。第二章為信號(hào)發(fā)生器總體方案設(shè)計(jì)。主要介紹了信號(hào)發(fā)生器的整體結(jié)構(gòu)，信號(hào)發(fā)生器的主電路結(jié)構(gòu)及工作方式，本文基于ICL8038的信號(hào)發(fā)生器的整體方案設(shè)計(jì)。第三章為信號(hào)發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)。主要包括信號(hào)波形產(chǎn)生電路，單片機(jī)控制電路，頻率控制電路，幅值控制電路，鍵盤電路及波形選擇電路的設(shè)計(jì)。第四章為信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)。主要包括主程序的設(shè)計(jì)，幅值調(diào)節(jié)程序，幅值調(diào)節(jié)程序，波形選擇程序和鍵盤程序等設(shè)計(jì)。第五章為結(jié)論部分。對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)，提出設(shè)計(jì)所取得的成效和不足。2 信號(hào)發(fā)生器的總體方案設(shè)計(jì) 信號(hào)發(fā)生器的方案選擇本設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是信號(hào)的控制問(wèn)題，其中包括信號(hào)選擇、信號(hào)頻率控制以及信號(hào)幅值的控制。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們針對(duì)信號(hào)發(fā)生部分、信號(hào)幅值控制部分、信號(hào)幅值控制部分進(jìn)行不同方案的比較。 信號(hào)發(fā)生部分方案一：采用震蕩電路（如RC振蕩電路或555震蕩電路）實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)，通過(guò)波形變換電路得到所需的波形。但是該電路對(duì)電阻和電容的要求較高，工作很不穩(wěn)定。方案二：采用專用波形IC芯片（如MAX038或ICL8038）實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變外圍電路參數(shù)設(shè)置輸出信號(hào)的頻率。該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，電路簡(jiǎn)單，可以參考。方案三：采用單片機(jī)、FPGA、DDS芯片等通過(guò)軟件編程生成波形數(shù)據(jù)，在經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)輸出。該方式能實(shí)現(xiàn)各種波形，且能達(dá)到各個(gè)頻率，但成本較高。根據(jù)以上比較采用方案二。 信號(hào)幅值控制部分方案一：采用可編程放大器，電路簡(jiǎn)單，對(duì)放大倍數(shù)以及信號(hào)輸出電壓有較高的要求，需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行預(yù)先處理。方案二：采用數(shù)字電位器，該方式能通過(guò)單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)幅值的調(diào)節(jié)。該方式線路簡(jiǎn)單，編程方便，可實(shí)施性強(qiáng)。方案三：采用單一放大電路，該方式能得到可調(diào)連續(xù)的幅值變化，但還得需要進(jìn)行峰值檢測(cè)，反饋給單片機(jī)輸出幅值信號(hào)，方法比較繁瑣。根據(jù)以上比較，采用方案一。 信號(hào)頻率控制部分方案一：采用純可變電阻調(diào)節(jié)，改變函數(shù)信號(hào)發(fā)生器芯片ICL8038輸出波形的頻率，該方法還得通過(guò)頻率計(jì)來(lái)得出頻率，實(shí)現(xiàn)太繁瑣。方案二：改變接入電路的電容大小，可以通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)，且容易通過(guò)編程顯示頻率。根據(jù)以上比較，采用方案二。ICL 8038 是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從 ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)頻信號(hào)輸入端, 所以可以用來(lái)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制。我們?cè)O(shè)計(jì)能輸出正弦波、方波、三角波。它是本制作的核心，通過(guò)鍵盤輸入，單片機(jī)AT89C52可控制ICL8038的輸出波形類型的選擇，并可由鍵盤設(shè)定電壓值及頻率，再經(jīng)由單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出對(duì)ICL8038的實(shí)現(xiàn)頻率和幅度的調(diào)控。硬件總體方案如下圖所示。波形選擇AT89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)4*4鍵盤模塊 幅值調(diào)節(jié)ICL8038函數(shù)信號(hào)發(fā)生器頻率調(diào)節(jié) 系統(tǒng)模塊圖本次設(shè)計(jì)所研究的就是所需要的某種波形輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，在通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)部分的轉(zhuǎn)換輸出一組連續(xù)變換的05V的電壓脈沖值。在設(shè)計(jì)時(shí)分塊來(lái)做，按照波形選擇模塊、頻率控制模塊、幅值控制模塊、鍵盤控制模塊四個(gè)電路模塊設(shè)計(jì)。模塊介紹：（1）4*4鍵盤模塊：實(shí)現(xiàn)波形的切換、幅值的控制和頻率的控制。（2）幅值控制模塊：通過(guò)單片機(jī)控制程控增益放大器AD603，改變其反饋電阻的大小，實(shí)現(xiàn)幅值的變化。（3）頻率控制模塊：通過(guò)單片機(jī)控制接入電路的電容的組合，改變輸出信號(hào)頻率的大小。（4）波形選擇模塊：通過(guò)控制輸出口，實(shí)現(xiàn)正弦波、三角波、方波的輸出 。通過(guò)以上的介紹，該信號(hào)發(fā)生器具有以下幾個(gè)功能：（1）通過(guò)按鍵能輸出三角波、正弦波、方波等幾種常用的波形。（2）通過(guò)按鍵能實(shí)現(xiàn)幅值的連續(xù)可調(diào)。（3）通過(guò)按鍵能實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié) 軟件總體方案軟件設(shè)計(jì)程序的基本思路是：程序開(kāi)始，先初始化。然后檢測(cè)鍵盤的按鍵：如果是波形類型變換的按鍵按下，則轉(zhuǎn)換波形種類；如果是頻率改變的按鍵按下，改變輸出頻率；如果是幅值變換的按鍵按下，則改變放大器的反饋電阻，實(shí)現(xiàn)幅值的變化。其主要完成的設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)部分： （1）主程序的設(shè)計(jì)：完成系統(tǒng)的初始化，各部分的配置以及在主循環(huán)中進(jìn)行系統(tǒng)的工作狀態(tài)檢測(cè)。（2）波形產(chǎn)生電路的編程：完成通過(guò)按鍵選擇波形類型的輸出。（3）幅值控制電路：通過(guò)檢測(cè)按鍵，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出數(shù)字量的改變，同時(shí)改變DAC0832輸出的模擬量，從而改變輸出波形的幅值。（4）頻率控制電路：通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)接入ICL8038的電容的選擇，從而實(shí)現(xiàn)頻率的改變。（5）鍵盤子程序：通過(guò)掃描單片機(jī)I/O端口確定是否有鍵按下，并判斷按下的是何種功能的按鍵。然后根據(jù)鍵值轉(zhuǎn)入相應(yīng)的入口執(zhí)行相應(yīng)的按鍵子程序 本章小結(jié)本章主要介紹了信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的總體思路。主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容：首先是信號(hào)發(fā)生器的方案選擇，通過(guò)比較實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器的各種方案的比較：例如信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)幅值調(diào)整模塊和頻率調(diào)整模塊等的比較中，選擇出最好的一種實(shí)現(xiàn)方式；然后簡(jiǎn)單介紹波形發(fā)生器的核心器件ICL8038的信息，畫出信號(hào)發(fā)生器的硬件框圖。之后是各個(gè)模塊的簡(jiǎn)介，簡(jiǎn)單介紹各個(gè)模塊的功能，最后是軟件編程。該章的作用是為下文的具體介紹做了個(gè)鋪墊。3 信號(hào)發(fā)生器的硬件電路設(shè)計(jì)本章將介紹信號(hào)發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)原理，對(duì)各個(gè)功能模塊分別進(jìn)行討論，主要包括波形產(chǎn)生電路、單片機(jī)控制電路、頻率控制電路、幅值調(diào)節(jié)電路和鍵盤電路。本設(shè)計(jì)主要基于函數(shù)發(fā)生器芯片ICL8038產(chǎn)生波形,該芯片是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從 ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。該芯片性能特點(diǎn)：具有在發(fā)生溫度變化時(shí)產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過(guò)50ppm／℃；具有正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)信號(hào)輸出；正弦波輸出具有低于1％的失真度；三角波輸出具有0．1％高線性度；工作變化周期寬，2％～98％之間任意可調(diào)；高的電平輸出范圍，從TTL電平至28V；易于使用，只需要很少的外部條件。ICL8038是精密波形產(chǎn)生與壓控振蕩器，其基本特性為：可同時(shí)產(chǎn)生和輸出正弦波、三角波、方波等波形。（1）ICL8038電源電壓范圍寬，采用單電源供電時(shí)，V+GND的電壓范圍+10+30V；采用雙電源供電時(shí)，V+V的電壓可在177。5177。15V內(nèi)選取。電源電流約15mA。（2）振蕩頻率范圍寬，頻率穩(wěn)定性好。，頻率溫漂僅50ppm/℃(1ppm=106)。（3）輸出波形的失真小。正弦波失真度＜5%，經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)整后，%。%。（4）矩形波占空比的調(diào)節(jié)范圍