低频信号发生器设计毕业论文

低频信号发生器设计I摘要函数信号发生器是各种测试和实验过程中必不可少的工具，在通信、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。不论是在生产、科研还是教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具，而且，信号发生器的设计方法很多，设计技术也越来越先进。研究函数信号发生器的设计方法，克服传统方法的缺点，以更好的方法设计出比较复杂的调频、调幅功能的信号发生器。本文采用函数信号发生器芯片 ICL8038 设计了一种信号发生器 ，完成了信号发生器的总体方案设计、硬件电路设计和软件设计。硬件电路主要包括信号产生电路、单片机最小系统、频率控制电路、幅值控制电路以及键盘电路。单片机最小系统负责系统控制，键盘电路用于波形的选择、频率的控制和幅值的控制。末级的放大电路则对生成的信号进行适当的放大，以提高信号的振幅和强度。软件部分主要实现输出信号的波形选择，输出信号的频率和幅值的调节。关键词：信号发生器， ICL8038，频率调节，幅值调节电气工程学院毕业设计（论文）IIAbstractFunction signal generator is all sorts of test and experiment process the essential tool, in communication, measuring, radar, control, teaching fields used widely. Both in production and scientific research or teaching, signal generator are electronic engineer signal simulation experiment, and the best tool, signal generator signal generator design technology is becoming more and more advanced. Research function signal generator design methods, overcome shortcomings of traditional methods, in order to better designed complex FM, attenuation function signal generator.In this paper, the function signal generator ICL8038 chip was adopted to design a kind of signal generator. This signal generator mainly includes the overall design of the whole system structure, the design of hardware and software. Hardware circuit is mainly including signal output circuit, single-chip microcomputer minimum system, waveforms output circuit, frequency control circuit, amplitude control circuit and keyboard circuit. Single chip minimize system is responsible for users interaction and system control, keyboard circuit for selection of waveform, frequency and amplitude control. The last stage amplifier circuit is the signal to generate proper amplifier, in order to improve the signal amplitude and strength. The software design mainly used to realize the selection of waveform type, change of frequency and amplitude.Keywords Signal generator,ICL8038,change of frequency, change of amplitude 低频信号发生器设计III目录摘要 .IAbstract .I1 绪论 .- 1 -1.1 信号发生器概述 .- 1 -1.2 信号发生器的发展状况 .- 1 -1.3 本文的主要工作 .- 3 -2 信号发生器的总体方案设计 .- 4 -2.1 信号发生器的总体方案 .- 4 -2.1.1 信号发生部分 .- 4 -2.1.2 信号幅值控制部分 .- 4 -2.1.3 信号频率控制部分 .- 5 -2.2 硬件总体方案 .- 5 -2.3 软件总体方案 .- 6 -2.4 本章小结 .- 7 -3 信号发生器的硬件电路设计 .- 8 -3.1 信号产生电路 .- 8 -3.1.1 ICL8038 内部原理 .- 9 -3.1.2 电路分析 .- 10 -3.2 单片机最小系统 .- 12 -3.2.1 主要特性 .- 13 -3.2.2 管脚说明（图 3.5） .- 14 -3.2.3 单片机电源 .- 17 -3.3 频率控制模块 .- 17 -3.4 幅值控制模块 .- 18 -3.4.1 幅值控制模块的原理 .- 18 -3.4.2 AD603 简介 .- 19 -3.4.3 D/A 转换原理介绍 .- 20 -3.4.4 DAC0832 引脚介绍 .- 21 -3.5 波形选择模块 .- 23 -3.6 键盘控制模块 .- 25 -3.7 本章小结 .- 27 -4 信号发生器的软件设计 .- 28 -4.1 主程序流程图 .- 28 -4.2 频率调节子程序设计 .- 29 -4.3 幅值调节子程序设计 .- 30 -电气工程学院毕业设计（论文）IV4.4 波形选择子程序设计 .- 32 -4.5 矩阵键盘子程序设计 .- 33 -4.6 仿真结果 .- 35 -4.6.1 仿真软件 protues 简介 .- 35 -4.6.2 方波、正弦波、三角波的产生 .- 36 -4.6.3 波形的转换 .- 37 -4.6.4 信号幅值的调节 .- 38 -4.6.5 信号频率的调节 .- 39 -4.7 本章小结 .- 40 -5 结论 .- 41 -谢辞 .- 42 -参考资料 .- 43 -附件 1 总电路图 .- 44 -附录 2 外文资料翻译 .- 46 -低频信号发生器设计- 1 -1 绪论1.1 信号发生器概述在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。波形发生器也称函数发生器，作为实验信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿波，正弦波，方波，三角波等波形。信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用 555 振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路经之一，不用依靠。但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的 RC 很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。1.2 信号发生器的发展状况 波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非电气工程学院毕业设计（论文）- 2 -常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC 的程序控制，就可以得到各种简单的波形。 90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是 HP 公司推出了型号为 HP770S 的信号模拟装置系统，它由 HP8770A 任意波形数字化和 HP1776A 波形发生软件组成。HP8770A 实际上也只能产生 8 中波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic 公司推出了型号为 Data-2020 的多波形合成器，Lecroy 公司生产的型号为 9100 的任意波形发生器等。 到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过 GHz 的 DDS 芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003 年，Agilent 的产品 33220A 能够产生 17 种波形，最高频率可达到 20M，2005 年的产品 N6030A 能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达 1.25GHz。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快近几年来，国际上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用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，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。目前可以利用可视化编程语言( 如 Visual Basic ,Visual C 等等)编写任意波形发生器的软面板，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以及新近开发的 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 系统测量产生复杂的波形，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，而且需要专门的VXI 机箱的配套使用，使得波形发生器 VXI 模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。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，都比过去的类似产品减少了一半。低频信号发生器设计- 3 -1.3 本文的主要工作本文主要安排五个章节介绍基于单片机的信号发生器。第一章为绪论部分。主要介绍信号发生器的背景及意义，波形发生器的发展状况，本文的主要内容及章节安排。第二章为信号发生器总体方案设计。主要介绍了信号发生器的整体结构，信号发生器的主电路结构及工作方式，本文基于 ICL8038 的信号发生器的整体方案设计。第三章为信号发生器的硬件设计。主要包括信号波形产生电路，单片机控制电路，频率控制电路，幅值控制电路，键盘电路及波形选择电路的设计。第四章为信号发生器的软件设计。主要包括主程序的设计，幅值调节程序，幅值调节程序，波形选择程序和键盘程序等设计。第五章为结论部分。对全文进行了总结，提出设计所取得的成效和不足。电气工程学院毕业设计（论文）- 4 -2 信号发生器的总体方案设计2.1 信号发生器的方案选择本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号选择、信号频率控制以及信号幅值的控制。在设计的过程中，我们针对信号发生部分、信号幅值控制部分、信号幅值控制部分进行不同方案的比较。2.1.1 信号发生部分方案一：采用震荡电路（如 RC 振荡电路或 555 震荡电路）实现频率的连续调节，通过波形变换电路得到所需的波形。但是该电路对电阻和电容的要求较高，工作很不稳定。方案二：采用专用波形 IC 芯片（如 MAX038 或 ICL8038）实现，通过改变外围电路参数设置输出信号的频率。该方案实现简单，电路简单，可以参考。方案三：采用单片机、FPGA、DDS 芯片等通过软件编程生成波形数据，在经过 D/A 转换电路实现模拟信号输出。该方式能实现各种波形，且能达到各个频率，但成本较高。根据以上比较采用方案二。2.1.2 信号幅值控制部分方案一：采用可编程放大器，电路简单，对放大倍数以及信号输出电压有较高的要求，需要对输出电压进行预先处理。方案二：采用数字电位器，该方式能通过单片机控制，实现幅值的调节。该方式线路简单，编程方便，可实施性强。方案三：采用单一放大电路，该方式能得到可调连续的幅值变化，但还得需要进行峰值检测，反馈给单片机输出幅值信号，方法比较繁琐。根据以上比较，采用方案一。低频信号发生器设计- 5 -2.1.3 信号频率控制部分方案一：采用纯可变电阻调节，改变函数信号发生器芯片 ICL8038 输出波形的频率，该方法还得通过频率计来得出频率，实现太繁琐。方案二：改变接入电路的电容大小，可以通过单片机编程实现频率的调节，且容易通过编程显示频率。根据以上比较，采用方案二。2.2 信号发生器的总体方案2.2.1 硬件总体方案ICL 8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部元件就能产生从 0.001HZ300kHz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。我们设计能输出正弦波、方波、三角波。它是本制作的核心，通过键盘输入，单片机AT89C52 可控制 ICL8038 的输出波形类型的选择，并可由键盘设定电压值及频率，再经由单片机程控输出数字信号，经过 D/A 转换器输出对 ICL8038 的实现频率和幅度的调控。硬件总体方案如下图所示。图 2.1 系统模块图4*4 键盘模块ICL8038 函数信号发生器AT89C52单片机控制系统波形选择幅值调节频率调节电气工程学院毕业设计（论文）- 6 -本次设计所研究的就是所需要的某种波形输出对应的数字信号，在通过D/A 转换器和单片机部分