波形发形器设计报告.docx

2013年全国大学生电子设计大赛报告波形发生器摘要：函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。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。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。本次设计使用的c8051f410单片机中的pca模块产生方波，然后经积分电路产生三角波，三角波经低通滤波器产生正弦波，波形的周期可以通过程序来改变，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，功能全面等优点在本设计的基础上，加上按钮控制则可通过按钮设定所需要的波形频率，波形可用示波器显示。关键字：函数信号发生器 c8051f410单片机 方波 三角波 正弦波 abstract: the function signal generator is a kind of can produce a variety of waveforms, such as the triangle wave, sawtooth wave, square wave (including square wave, sine wave) circuit. function signal generator is widely used in circuit experiment and test equipment in. the principle of the function waveform generator and analysis, a design of energy function waveform generator transform the triangular wave, square wave, sine wave. the pca module uses the design of the c8051f410 microcontroller produced in the square wave, and then the integral circuit generates a triangular wave, triangular wave passed through a low pass filter to generate sine wave, wave period can be changed by the program, and can choose according to the output unipolar or bipolar output, has the advantages of simple circuit, compact structure, complete functions and the like based on the design of the advantages, control plus button can be set through the buttons needed waveform frequency, waveform oscilloscope can display.keywords: function signal generator based on c8051f410 square wave, triangle wave and sine wave一、前言：在电子系统中，经常要使用到方波、三角波等波形的波形信号产生电路，常用于产生各种电子信号，完成电子系统间的通信以及自动测量和自动控制等系统中。本系统采用lm324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。该波形发生器具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定，能产生方波、三角波和正弦波等电子信号，可以作为其它电子系统的信号发生模块电路。二、总体方案设计：方案一采用icl8038集成函数信号发生器芯片外加电阻、电容元件，构成波形发生电路。icl8038集成函数信号发生器芯片是一种多用途的波形发生器芯片，它可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。它的振荡频率可以通过外加的直流电压进行调节，是一种压控集成函数信号发生器。虽然icl8038集成函数信号发生器的功能强大，但是它的价格昂贵，而且市面上也较难买到。如果用icl8038芯片来制作简易波形发生器系统，则会大大增加系统的制作成本。方案二采用lm324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。lm324是一种集成运算放大器芯片，它的内部有四个独立的运算放大器。根据所学的知识，运算放大器可以构成滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路，可以分别产生方波、三角波和正弦波。依靠这些电路的组合，就可以制作成简易波形发生器电路。该电路具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定等特点。而且lm324集成运放芯片价格低廉，又很容易买到，可以降低电路的制作成本。基于这种考虑，选用方案2。三、单元模块设计：1、各单元模块功能介绍及电路设计c8051f410单片机的最小系统该系统电路可以保证c8051f410单片机在没有外接显示原件的情况下可以正常工作，放大电路可以通过杜邦线与c8051f410单片机的最小系统相连接，单片机引脚输出的矩形波输入到lm324的输入引脚，从而可以实现波形的变换。c8051f410单片机的最小系统如下图所示：该最小系统中包括单片机的供电电路c8051f410的供电电路。c8051f410单片机vdd引脚需+3.3v电压供电，vio引脚采用+5v电压供电，因此使用稳压模块as1117进行稳压，输出的电压供给单片机的vdd引脚。电路原理图如图所示：信号产生电路框图如下图所示：电 源c8051f410中的pca模块积分器二阶有源低通滤波器方 波三角波正弦波 波系统采用12v双电源供电，由lm324集成运放芯片构成的滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路组成。它由滞回比较器产生方波信号，方波信号经过积分器后产生三角波信号。三角波信号一路反馈回滞回比较器，作为滞回比较器的vref；另一路经二阶有源低通滤波器滤波以后产生正弦波信号。使用时可以在电路系统的不同输出点得到不同的波形信号。电路原理图如下3图所示：2、电路参数的计算及元器件的选择由图3可以看出，电路分为三级，即由运算放大器构成的滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器。uo1、uo2、uo3是电路的三个输出端，分别输出方波、三角波和正弦波。电路的第一级是经过c8051f410的pca模块输出方波。它输出电压的幅度由程序决定，它们的幅度uz为：+uz=5v -uz=0v电路的第二级是一个积分器，用于输出三角波。当电路的第一级输出的方波信号uo1送入该级电路后，由该级电路对信号进行积分变换以后，产生三角波信号uo2。uo2分成两路，一路输入第三级电路，另一路反馈回滞回比较器，作为滞回比较器的vref。第二级电路的输出电压幅度为：+uo2r1/r2uz+ uz5.4(v)-uo2-(r1/r2uz)- uz-5.4(v)即第二级电路的输出电压幅度和第一级电路的输出电压幅度相同。第一级电路和第二级电路的振荡周期相同，可以由以下的公式求得：t4r1r4c1/ r2t420103121030.1106/(20103) t4.80(ms)则振荡频率为：f1/t1/4.8103208.33(hz)第三级电路是二阶有源低通滤波器，用于对第二级电路送来的信号uo2进行滤波。uo2经过第三级电路的滤波之后，变换成正弦波信号后由uo3输出。uo3输出信号的周期与uo2输出信号的周期相同。根据集成运算放大器的工作原理，集成运算放大器的两反向输入端“虚短”，即两反向输入端的电压相等。所以在第三级电路中，运放的第9引脚和第10引脚的电位相等。又因为r8、r9电阻的阻值相等，所以uo3的输出电压的幅度是uo2的两倍。即：uo32uo22uz10.8(v)而第三级电路的上限截止频率为：fh1/(2rc)上述公式中，rr6r73.9(k)cc2c30.1(f)fh1/(23.143.91030.1106)408.30(hz)这说明，第三级电路将阻止频率高于408.30hz的信号通过。3、特殊器件的介绍c8051f410单片机c8051f410的主要特点：高速流水线结构cpu（25-100mips）；完全兼容8051（源码和机器码级）；大多数指令执行时间为1-2时钟周期（标准为8051为12-24）；可在系统、在应用编程的flash（2kb-128kb）；指令高速缓存（对于50-100mips产品）；大容量内部sram（256b-8kb+256b）；扩展中断系统（最多可达22个中断源，可软件模拟中断）；多复位源，双向复位；多时钟（内部时钟频率可编程、多种外部时钟方式）；jtag接口：在系统调试、边界扫描、在系统编程 c2接口（小封装）。c8051f410引脚图如图所示 lm324lm324内部包括有四个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。lm324的特点：1、内部频率补偿 2、直流电压增益高(约100db) 3、单位增益频带宽(约1mhz) 4、电源电压范围宽：单电源(332v)、双电源(1.516v) 5、低功耗电流，适合于电池供电 6、低输入偏流、低输入失调电压和失调电流 7、共模输入电压范围宽，包括接地 8、差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 9、输出电压摆幅大(0至vcc-1.5v)lm324的引脚图：lm324内部电路图：四、系统调试：将做好的电路系统的地线端接到电源的地电位端，正、负电源端分别接到电源的12v接线端上。注意电源的极性不要接反。将示波器调于2v/1ms和5v/1ms处，用示波器的探头分别测试电路的uo1、uo2、uo3处，观察电路的输出波形。测得的数据如下表所示：被测项目峰-峰值vp-p（v）周期t（ms）频率f（hz）被测端口理论值实际值理论值实际值理论值实际值uo110.8010.804.804.50208.30222.20uo210.8010.804.804.50208.30222.20uo321.6021.804.804.50208.30222.20示波器的测试波形如下图所示输出波形五、系统功能、指标参数：该系统类似于一个信号发生器，能够产生周期性的方波，三角波和正弦波，在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，是一个非常实用的电路。在电路中测试观测电路uo3的输出频率，即观测电路的上限频率fh。测得的数据如下表所示：输入电压幅度vip-p（v）输入电压频率f（hz）输出电压幅度vop-p（v）4.00100.678.20150.488.60200.019.20300.4610.40350.8411.00459.9910.40574.367.80600.806.20800.903.401000.002.20从测试的结果可以得出电路的截止频率fh为574.36hz，这与理论计算值408.3hz相差较大。由上述的测试数据可以看出，输出电压和频率的理论计算值与实际测量值的误差不是很大。这证明前两级电路的设计和制作基本上是成功的。但在单独测量第三级二阶有源低通滤波电路时，测试得到的结果就与理论计算值相差较大。分析其结果，可能是由这几个原因造成的：电路中的电容使用的是瓷片电容，它的标称值与实际值误差较大；电路中的电阻等其它器件可能也存在着一定的误差；外界环境中存在着电磁干扰，也可能对测试结果产生一定的影响。经测试，电路的前两级的设计基本上符合设计的要求，但电路的第三级的误差较大。误差可能是由元器件的误差和外界的干扰引起的。为了减少误差，可以在电路的设计时选用精度更高的器件，并对电路做电磁屏蔽处理，以进一步改善电路的性能，减小电路的误差。六、设计总结：设计始终围绕通用的四运放芯片展开，电路中多采用借鉴相关的功能的电路，根据原理公式计算出需要的参数值并运用于电路。将各个设计的模块组合实现总的功能。设计过程中遇到了很多的问题，遇到问题后便要不断的收集资料，不断的分析，尝试怎样去解决问题。采取那种方法更好，能够更有效的解决出现的问题。在我们拿到课程设计的题目时，首先采取的是仿真电路，但结果并不是满意，实际电路中的数据和仿真过程有很大的差别，不断的调整电路最终解决问题。电路的前两级的设计基本上符合要求，但电路的第三级的误差较大。误差可能