【正文】 ....... 34 結(jié) 論 ........................................................................................................................... 36 致 謝 ........................................................................................................................... 37 參考文獻 ........................................................................................................................ 38 河北工程大學(xué) 機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 1 前 言 不論是在生產(chǎn)還是在科研與教學(xué)上，信號發(fā)生器都是電子工程師仿真實驗的最佳工具。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器采用專用芯片，成本高，控制方式不靈活。 河北工程大學(xué) 機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 2 第一章 數(shù)字信號發(fā)生器的介紹 第一節(jié) 數(shù)字信號發(fā)生器的定義 ●定義 數(shù)字信號指 幅度 的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個數(shù)值之內(nèi)。二進制碼受 噪聲 的影響小，易于有數(shù)字電路進行處理，所以得到了廣泛的應(yīng)用。在測試、 研究 或調(diào)整電子 電路及設(shè)備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應(yīng)、 噪聲系數(shù) ，為 電壓表 定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號，以模擬在實際工作中使用的待測設(shè)備的 激勵信號 。當(dāng)測試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時，又需使用前沿時間、脈沖寬度和重復(fù) 周期 已知的矩形脈沖源。 ●應(yīng)用 數(shù)字信號發(fā)生器是電子電路設(shè)計、自動控制系統(tǒng)和儀表測量校正調(diào)試中應(yīng) 用很多的一種信號發(fā)生裝置和 信號源。 信號發(fā)生器又稱信號源或 振蕩器 ，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能 夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。 ●數(shù)字信號的特點： （ 1） 抗干擾能力強、無噪聲積累。隨著傳輸距離的增加，噪聲累積越來越多，以致使傳輸質(zhì)量嚴(yán)重惡化。 （ 2） 便于加密處理。 （ 3） 便于存儲、處理和交換。 （ 4） 設(shè)備便于集成化、微型化。設(shè)備中大部分電路是數(shù)字電路，可用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，因此體積小、功耗低。采用數(shù)字傳輸方式，可以通過程控數(shù)字交換設(shè)備進行數(shù)字交換，以實現(xiàn)傳輸和交換的綜合。 （ 6） 占用信道頻帶較寬。隨著寬頻帶信道（光纜、 數(shù)字微波）的大量利用（一對光纜可開通幾千路電話）以及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展（可將一路數(shù)字電話的數(shù)碼率由 64kb/s 壓縮到 32kb/s 甚至更低的數(shù)碼率），數(shù)字電話的帶寬問題已不是主要問題了。近年來，我國數(shù)字通信得到迅速發(fā)展，正朝著高速化、智能化、寬帶化和綜合化方向邁進。主振級一般用 RC 式振蕩器，也可用差頻振蕩器。 2. 高頻信號發(fā)生器： 頻率為 100 千赫～ 30 兆赫的高頻、 30～ 300 兆赫的甚高頻信號發(fā)生器。主要用途是測量各種接收機的技術(shù)指標(biāo)。輸出信號電平能準(zhǔn)確讀數(shù)，所加的調(diào)幅度或頻偏也能用電表讀出。 按輸出波 形分類： 1. 正弦信號發(fā)生器： 正弦信號主要用于測量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。正弦波信號發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成 DDS技術(shù)，在 CPLD 上實現(xiàn)正弦信號查找表和地址掃描，經(jīng) D/A 輸出可得到正弦信號。全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控。它能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形（主要是正弦波 、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號。除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)域。施米特電路又能使三角波上升到某一閾值或下降到另一閾值時發(fā)生躍變而形成方波，頻率除能隨積分器中的 RC 值 的變化而改變外，還能用外加電壓控制兩個閾值而改變。 另一種構(gòu)成方式是用頻率合成器產(chǎn)生正弦波，再對它多次放大、削波而形成方波，再將方波積分成三角波和正、負(fù)斜率的鋸齒波等。 ： 產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，或用模擬信號來測試?yán)走_、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。主控振蕩器通常為多諧振蕩器之類的電路，除 能自激振蕩外，主要按觸發(fā)方式工作。有的能輸出成對的主脈沖，有的能分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。常用的白噪聲發(fā)生器主要有：工作于 1000 兆赫以下同軸線系統(tǒng)的飽和二極管式白噪聲發(fā)生器；用于微波波導(dǎo)系統(tǒng)的氣體放電管式白噪聲發(fā)生器；利用晶體二極管反向電流中噪聲的固態(tài)噪聲源（可工作在 18 吉赫以下整個頻 段內(nèi)）等。噪聲信號發(fā)生器主要用途是： ① 在待測系統(tǒng)中引入一個隨機信號，以模擬實際工作條件中的噪聲而測定系統(tǒng)的性能；河北工程大學(xué) 機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 ② 外加一個已知噪聲信號與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲相比較以測定噪聲系數(shù)； ③ 用隨機信號代替正弦或脈沖信號，以測試系統(tǒng)的動態(tài)特性。 按 頻率改變的方式 ： ：掃頻信號發(fā)生器能夠產(chǎn) 生幅度恒定、頻率在限定范圍內(nèi)作線 性變化的信號。掃頻信號發(fā)生器有自動掃頻、手控、程控和遠控等工作方式。輸出信號頻率通?？砂词M位數(shù)字選擇，最高能達 11 位數(shù)字的極高分辨率。 直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成，變換頻率迅速但電路復(fù)雜，最高輸出頻率只能達 1000 兆赫左右。這種合成器的最高頻率可達 吉 赫。 除了上述發(fā)生器外還有 偽隨機信號發(fā)生器 ， 微波信號發(fā)生器 等 河北工程大學(xué) 機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 第二節(jié) 研究數(shù)字信號發(fā)生器的目的及 其發(fā)展 信號發(fā)生器也稱信號源，是用來產(chǎn)生振蕩信號的一種儀器，為使用者提供需要的穩(wěn)定、可信的參考信號，并且信號的特征參數(shù)完全可控。隨著科技的發(fā)展，實際應(yīng)用到的信號形式越來越多，越來越復(fù)雜，頻率也越來越高，所以信號發(fā)生器的種類也越來越多，同時信號發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)形式也不斷向著智能化、軟件化、可編程化發(fā)展。由于信號源信號的特征參數(shù)均可人為設(shè)定，所以可以方便地模擬各種情況下不同特性的信號，對于產(chǎn)品研發(fā)和電路實驗特別有用。例如，用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率為 1kHz 的正弦波信號 ,輸入到一個被測的信號處理電路 (功能為正弦波輸入、方波輸出 )，在被測電路輸出端可以用示波器檢驗是否有符合設(shè)計要求的方波輸出。由此可看出，信號發(fā)生器可廣泛應(yīng)用在電子研發(fā)、維修、測量、校準(zhǔn)等領(lǐng)域 [5]。但總的來說，我國波形發(fā)生器還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)。函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1）過去由于頻率很低應(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)用于越來越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。從而促進了波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動作用。 （ 2）與 VXI資源結(jié)合。由于 VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用 VXI系 統(tǒng)測量產(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，但由于開發(fā) VXI模塊的周期長，而且需要專門的 VXI機箱的配套使用，使得波形發(fā)生器 VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。 （ 3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。 河北工程大學(xué) 機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 第二章 波形的概述 第一節(jié) 矩形波 矩形波被廣泛用于數(shù)字開 關(guān)電路， 矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因為輸出狀態(tài)應(yīng)按一定的時間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時間 [6]。 三角波波形如圖 ： 圖 三角波形 第三節(jié) 正弦波 正弦波即是頻率成分最為單一的一種信號 ，因這種信號的波形是數(shù)學(xué)上的正弦曲線而得名。我們可以設(shè)一個函數(shù)為 y=sin X，當(dāng) X 分別取 0、 60、 90、 1 150、 180 時， Y 數(shù)值分別為 0、 、 、 、 0。該圖像有一個特點，就是周期性變化，例如 X = 0 時， Y = 0， X = 180 時， Y = 0；若 X 取值【 180~360】，則我們可以看到，圖像正好與原來的相反（在第四象限）。正弦波是所有波中最普遍常見的波形，也是最容易生成的波形?？珊颖惫こ檀髮W(xué) 機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 以說是所有波形的基礎(chǔ)。 正弦信號與余弦信號，兩者只是在相位上相差 2π，可以統(tǒng)稱為正弦信號。上述三量是正弦信號的三要素。正弦信號是周期信號，其周期 T 與頻率 f 及角頻率 ω 之間的關(guān)系為： (23) 正弦波形如圖 所示： 圖 第四節(jié) 波形的產(chǎn)生 波形發(fā)生器可以基于模擬技術(shù)，也可以基于數(shù)字技術(shù)。而數(shù)字函數(shù)發(fā)生器采用直接數(shù)字綜合 DDS， DAC，數(shù)字信號處理，以及一個單周期存儲緩沖器來產(chǎn)生信號。 DDS能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高分辨率，高溫度穩(wěn)定度，高河北工程大學(xué) 機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 12 寬帶，以及隨機的和相位連續(xù)的頻率切換 [9]。 直接數(shù)字法是采用直接數(shù)字合成（ Direct Digital Synthesis）的方法實現(xiàn)信號產(chǎn)生。直接數(shù)字合成技術(shù)近年來發(fā)展得很快，而要產(chǎn)生任意波形就必須采用直接數(shù)字很成技術(shù)。這個詞一般在數(shù)字頻率合成河北工程大學(xué) 機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 器（ DDS）中出現(xiàn)，因為數(shù)字頻率合成時，要想輸出一個波形（比如正弦波）的話，當(dāng)然應(yīng)該輸出一個周期內(nèi)的很多個點才 能得到失真的很小的波形，所以時鐘的頻率會是輸出波形頻率的 x 倍。當(dāng) x 個周期后，也就輸出得到一個完整的正弦波了。 河北工程大學(xué) 機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14 第三章 方案的設(shè)計 第一節(jié) 信號發(fā)生電路的設(shè)計 方案一：通過單片機控制 D/A，輸出三種波形。但此方案電路簡單、成本低。通過芯片 IC145152，壓控振蕩器搭接的鎖相環(huán)電路輸出穩(wěn)定性極好的正弦波，再利用過零比較器轉(zhuǎn)換成方波，積分電路轉(zhuǎn)換成三角波。 方案三：利用 MAX038 芯片組成的電路輸出波形。但此方案成本高，程序復(fù)雜度高。 第二節(jié) 單片機的選擇 方案一： AT89S52 單片機是一種 低功耗、高性能 8 位單片微型計算機。 方案二： C8051F005 單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與 8051兼容的微控制器內(nèi)核，與 MCS51 指令集完全兼容。但其價格較貴 河北工程大學(xué) 機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 15 以上兩種方案綜合考慮， 由于方案二中 C8051F005 單片機價格明顯高于AT89S52，所以 選擇方案一。 LED 數(shù)碼管由 8 個發(fā)光二極管組成，每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。使用數(shù)碼管顯示編程較易，但要顯示內(nèi)容多，而且數(shù)碼管不能顯示字母。其功率小，效果明顯，顯示編程容易控制，可以顯示