函数发生器课程设计.doc

摘 要 函数发生器是一种用于产生标准信号的电子仪器，它广泛用于工业生产、科研和国防等各个领域中，所以论文选题具有一定的实用意义。本文介在绍了函数发生器的基本概念及原理的基础上，采用at89c52单片机为核心，完成了简易的dds函数发生器的硬件设计和软件编程，并通过调试实现了其功能和主要技术指标。在系统的硬件部分，设计了由单片机最小系统为核心、通过接口设计，扩展了dac转换模块、按键和led显示模块。其中，采用两片dac0832实现了全数字化的频率合成器(简称dds)。系统的软件设计是在keil uvision4的集成开发环境下，采用c语言完成了应用系统软件编程，包括主程序、产生四种常用信号的程序、按键功能和显示子程序等电脑模块；模块化的编程使得程序具有可读性和易于维护的特点。关键词 信号发生器；at89c52；dds；单片机 abstarct function generator is used to generate standard signals with electronic devices, it is widely used in industrial production, scientific research and national defense and other fields, so the thesis topic has some practical significance. introduction this paper introduce the function generator in the basic concepts and principles, based on using at89c52 microcontroller as the core, completing the dds function generator simple hardware design and software programming, and through the commissioning function and to achieve its main technical indicators. hardware in the system designed by the smallest single-chip system is the core interface design, extends the dac conversion modules, buttons and led display modules. among them, using two dac0832 enables a fully digital frequency synthesizer (referred to as dds). system software design is keil uvision4 integrated development environment, using c language to complete the application system software programming, including the main program, resulting in four common signal process, key features and display routines and other computer modules; modular programming makes the program readable and easy to maintain.keywords signal；generator； at89c52； dds； single-chip目录摘 要iabstractii第一章、引言5第二章、方案的选择52.1、方案一62.2、方案二72.3、方案三7第三章、基本原理123.1、函数发生器的组成133.2、方波发生器133.3、三角波发生器14 3.4、正弦波发生器12第四章、电路仿真84.1、放置电源及信号源84.2、设置仿真参数104.3、查看仿真波形11第五章、稳压电源135.1直流稳压电源设计思路135.2直流稳压电源原理135.3设计方法简介14第六章、振荡电路86.1、rc振荡电路的设计8第七章、元件清单17总 结18参 考 文 献19致 谢18附录 118附录 218第一章 引言1.1选题背景及意义函数发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。在通信、广播、电视系统，在工业、农业、生物医学等领域内，函数信号发生器在实验和设备检测中具有十分广泛的用途。1.1.1本课题的研究现状函数发生器既可以构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其它自动测试设备的组成部分。函数发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并极大地提高检测精度。美国安捷伦生产的33250a型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形，其输出频率范围为1hz80mhz，而输出幅度为10mvpp10vpp；该公司生产的8648d射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9khz4ghz。国产sg1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围为1hz60mhz；国产s1000型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同时应用dds和锁相技术，使频率范围从1mhz1024mhz能精确地分辨到100hz，它既是一台高精度的扫频源，同时也是一台高精度的标准信号发生器。还有很多其它类型的信号发生器，他们各有各的优点，但是函数发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。 目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以下几种：超高频：频率范围1mhz以上，可达几十兆赫兹。高频：几百khz到几mhz。低频：频率范围为几十hz到几百khz。超低频：频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。超高频信号发生器，产生波形一般用lc振荡电路。高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，即rc振荡电路，通过改变电容和电阻值，改变频率。用以上原理设计的信号发生器，其输出波形一般只有两种，即正弦波和脉冲波，其零点不可调，而且价格也比较贵，一般在几百元左右。在实际应用中，超低频波和高频波一般是不用的，一般用中频，即几十hz到几十khz。用单片机89s52,加上一片dac0832,就可以做成一个简单的信号发生器，其频率受单片机运行的程序的控制。再在dac0808输出端加上一些电压变换电路，就完成了一个频率、幅值、零点均可调的多功能信号发生器的设计。这样的机器体积小，价格便宜，耗电少，频率适中，便于携带。1.1.2选题目的及意义函数发生器是一种经常使用的设备，由纯粹物理器件构成的传统的设计方法存在许多弊端，如：体积较大、重量较沉、移动不够方便、信号失真较大、波形种类过于单一、波形形状调节过于死板，无法满足用户对精度、便携性、稳定性等的要求，研究设计出一种具有频率稳定、准确、波形质量好、输出频率范围宽、便携性好等特点的波形发生器具有较好的市场前景，以满足军事和民用领域对信号源的要求。本次设计的主要目标是学习和运用单片机的c语言和汇编语言，通过现有多功能电子学习机部分已有器件，实现利用单片机at89c52和8位d/a转换芯片dac0832共同实现正弦波，方波，三角波，锯齿波这四种常见波形的发生，并且可以接收外接键盘输入而在一定范围内改变频率。 在无标准函数发生仪器时，本设计可以作为简单的函数发生器使用。本次设计准备在成本交低廉的前提下完成，使用的都是该学习机上器件，主要是用单片机at89c52， dac0832，性能指数都不是很高，所以对此信号源的基本要求是能发生几种常见的波形，正弦波，方波，三角波，锯齿波，并且能够在一定的范围内改变频率。通过该课题的设计掌握以at89c52为核心的单片机系统的软硬件开发过程和基本信号的产生原理、测量及误差分析方法，同时掌握函数发生器系统的设计流程；培养我们综合运用所学的基本知识、基本理论和基本技能的能力，学习解决一般工程技术和有关专业问题的能力，学习工程设计和科学研究的基本方法，完成对所学知识的综合训练。 第2章 方案的选择根据实验任务的要求，对信号产生部分可采用多种方案：如模拟电路实现方案，数字电路实现方案，模数结合实现方案等。鉴于波形信号的产生和模拟联系紧密，我们用模拟电路实现方案。模拟电路的实现方案就是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。就此方案，也有几种电路方式。2.1、方案一 图1 方波和正弦波产生电路 用方波和三角波产生电路输出方波和三角波1，再通过三角波正弦波转换器产生正弦波。方波和三角波发生器的工作原理：a1构成迟滞比较器同相端电位vp由vo1和vo2决定。利用叠加定理可得： 当 vp0时，a1输出为正，即vo1 = +vz；当 vp0时，a1输出为负即vo1 =-vz。a2构成反相积分器vo1为负时，vo2 向正向变化，vo1 为正时，vo2 向负向变化。假设电源接通时vo1=-vz，线性增加。当： 时，可得： 当vo2上升到使vp略高于0v时，a1的输出翻转到vo1=+vz。同样： 时当vo2下降到使vp略低于0时，vo1 =-vz 。这样不断的重复，就可以得到方波vo1和三角波vo2。其输出波形如图2-6所示。输出方波的幅值由稳压管dz决定，被限制在稳压值vz之间。电路的振荡频率： 方波幅值： = 三角波幅值： = 调节 可改变振荡频率，但三角波的幅值也随之而变化。图2 方波和正弦波波形图2.2、方案二图3 信号发生器方框图用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用电压比较器产生方波，再经积分电路产生三角波，电路框图如图二。此电路结构简单，且有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生同步的三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波的输出幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。而且方波占空比2和锯齿波幅度改变会同时引起其它波形的变化。 2.3、方案三 在方案二的基础上，我们添加方波产生电路作为锯齿波产生的信号源，解决了课程设计中提出的对锯齿波和矩形波调节而互不影响的要求第3章 基本原理3.1 函数发生器的组成函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。下面我们将分别对各个波形的发生进行分析，从而达到在合成电路时使电路更加合理。 3.2 方波发生器：如图3-2-1用运算放大器滞回比较器和、c积分电路组成的，输出电压经、c反馈到运放的反相输出端，因此积分电路起延迟和负反馈作用。图3-2-1参看图3-2-1所示电路，设在接通电源的时刻，电容器两端电压，输出电压，则加到运放同相输出端的电压为。式中，。此时通过向c充电，使运放反相输入电压由零逐渐上升。在以前，保持不变。在时刻，上升到略高于，由高电平跳到低电平，即变为。时，同时通过向c充电，使运放反相输入端电压由零逐渐上升。在以前，保持不变。在时刻，下降到略低于，由低电平跳到高电平，即变为，又回到原始状态。如此周而复始，循环不已，因此产生振荡，输出方波。 根据上边的分析，可以画出与的波形如下图所示：图3-2-2由波形可知，从时刻的下降到时刻的，再上升到时刻的，所需的时间就是一个振荡周期在到这段时间，的变化规律是简单rc电路充放电规律，其常数为，初始值为（时刻），终了值为（t），故在时， ，代入上式后可求得同样可求得 由于高低电平所占的时间相等，故是方波。其振荡周期为若选取适当的、值，使，则，于是振荡频率为：3.3 三角波发生器：根据rc积分电路输入和输出信号波形的关系可知，当rc积分电路的输入信号为方波时，输出信号就是三角波，由此可得，利用方波信号发生器和rc积分电路就可以组成三角波信号发生器。三角波信号发生器的电路组成如图3-2-3所示。图中的运算放大器组成方波信号发生器，组成rc积分电路。该电路的工作原理是：方波信号发生器输出的方波。图中等还可构成同相滞回比较器，和、c等组成反相积分电路。信号输入积分电路，在积分电路的输出端得到三角波信号。积分电路的输出端除了输出三角波信号外，并通过电阻r1将三角波信号反馈到滞回电压比较器的输入端，将三角波信号整形变换成方波信号输出。该电路的工作波形图如图3-3-3所示。图3-3-3根据上图可以看出在t=0时，比较器输出电压为高电平，电容两端的电压为零，即略低于，则积分电路输出电压。此时电容被充电，显然于是线性下降，也下降，直到时，略低于，即略低于零时，从突跳到，同时也跳变到更低的值（比零低的多）。可见，在前的一瞬间，而从流过和的电流相等，则，故后，由于，故电容放电，其两端电压因 故 于是线性上升，也上升。直到时，略大于零，从突跳到。可见，在前的一瞬间，则，故 在以后电路周而复始，循环不以，形成振荡。则根据分析可以画出和的波形，如图3-3-4所示。图3-3-4其中为方波，为三角波。之所以为三角波，是由于电容充放电的时间常数相等，积分电路输出电压上升和下降的幅度和时间相等，上升和下降的斜率的绝对值也相等。显然，三角波峰值为：下面求振荡周期。由于，而当时，有则 故 则可以在调整三角波电路时，应先调整或,使其峰值达到所需要的值，然后再调整或c，使频率能满足要求。3.4 正弦波发生器：又称文氏电桥振荡器，如图1-3-1所示，其中a放大器由同相运放电路组成，图3-4-2，因此， 图3-4-1图3-4-2f网络由rc串并联网络组成，由于运放的输入阻抗ri很大，输出阻抗ro很小，其对f网络的影响可以忽略不计，从图3-4-3有由自激振荡条件：t=af=1有 所以上式分母中的虚部必须为零，即 上式的实部为1，即 对图3-4-2同相运放， 须满足以上分析表明： 文氏电桥振荡器的振荡频率，由具有选频特性的rc串联网络决定。 图中文氏电桥振荡器的起振条件为，即要求放大器的电压增益大于等于3，略大于3的原因是由于电路中的各种损耗，致使幅度下降而给予补偿。但a比3大得多了会导致输出正弦波形变差。图3-4-3第4章 电路仿真4.1 放置电源及信号源图4-1 放置电源信号源4.2 设置仿真参数执行菜单命令：设计-仿真-mixed sim弹出如图4-3所示的对话框。选中工作点分析（operation point analysis）和暂态分析（transient anlysis）。选择要观察的net，以及时间进行设置。图4-2 仿真步骤4.3 查看仿真波形图4-3 仿真波形图4-3为较满意的波形，vo1输出为矩形波，vo2为三角波输出，vo3为正弦波输出。电路仿真成功验证了电路原理的设计。第5章 稳压电源5.1 直流稳压电源设计思路（1）电网供电电压交流220v(有效值)50hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载rl。5.2 直流稳压电源原理直流稳压电源是一种将220v工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图4-1 图4-1 直流稳压电源方框图其中：（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220v交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流电路：利用单向导电元件，把50hz的正弦交流电变换成脉动的直流电（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图3所示。在u2的正半周内，二极管d1、d2导通，d3、d4截止；u2的负半周内，d3、d4导通，d1、d2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻rl，且方向是一致的。电路的输出波形如图4所示。图4-2整流电路图4-3 输出波形图在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即 。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(u2是变压器副边电压有效值)。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：uo1=(1.11.2)u2，直流输出电流： （i2是变压器副边电流的有效值。），稳压电路可选集成三端稳压器电路。总体原理电路见图4-4图4-4 稳压电路原理图5.3设计方法简介 5.3.1根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见的主要有cw317、cw337、lm317、lm337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2v37v，最大输出电流为1.5a。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。lm317系列和lm337系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图4-5和图4-6。 图4-5 管脚 图4-6典型电路输出电压表达式为:式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器，电阻常取值，一般使用精密电位器，与其并联的电容器c可进一步减小输出电压的纹波。图中加入了二极管d，用于防止输出端短路时10f大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。lm317其特性参数：输出电压可调范围：1.2v37v输出负载电流：1.5a输入与输出工作压差u=ui-uo：340v能满足设计要求,故选用lm317组成稳压电路。5.3.2 选择电源变压器1）确定副边电压u2:根据性能指标要求：uomin=3v uomax=9v又 ui-uomax(ui-uo)min ui-uoin(ui-uo)max其中：（ui-uoin）min=3v，(ui-uo)max=40v 12vui43v此范围中可任选 ：ui=14v=uo1根据 uo1=(1.11.2)u2可得变压的副边电压：2）确定变压器副边电流i2 io1=io又副边电流i2=(1.52)io1 取io=iomax=800ma则i2=1.50.8a=1.2a3）选择变压器的功率变压器的输出功率：poi2u2=14.4w5.3.3 选择整流电路中的二极管 变压器的副边电压u2=12v 桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：查手册选整流二极管in4001，其参数为：反向击穿电压ubr=50v17v最大整流电流if=1a0.4a5.3.4 滤波电路中滤波电容的选择 滤波电容的大小可用式 求得。1）求ui:根据稳压电路的的稳压系数的定义：设计要求uo15mv ，sv0.003 uo=+3v+9vui=14v代入上式，则可求得ui2）滤波电容c设定io=iomax=0.8a，t=0.01s则可求得c。电路中滤波电容承受的最高电压为，所以所选电容器的耐压应大于17v。第6章 振荡电路 6.1 rc振荡器的设计rc振荡器的设计，就是根据所给出的指标要求，选择电路的结构形式，计算和确定电路中各元件的参数，使它们在所要求的频率范围内满足振荡的条件，使电路产生满足指标要求的正弦波形。rc振荡器的设计，可按以下几个步骤进行：1 根据已知的指标，选择电 路形式。 2 计算和确定电路中的元件 参数。 3 选择运算放大器 4 调试电路，使该电路满足 指标要求。 设计举例：设计一个振荡频率为800hz的rc（文氏电桥）正弦波振荡器。 图5-1 rc 正弦波振荡器设计步骤如下： 根据设计要求，选择图5-1所示电路。1 计算和确定电路中的元件参数。 （1）根据振荡器的频率，计算rc乘积的值。 （2）确定r、c的值 为了使选频网络的特性不受运算放大器输入电阻和输出电阻的影响。按： ri r r0 的关系选择r的值。其中：ri（几百k以上）为运算放大器同相端的输入电阻。r0（几百以下）为运算放大器的输出电阻。因此，初选r=20k，则： （3）确定r3和rf(在图1中rf=r4+rw+rd/r5)的值。由振荡的振幅条件可知，要使电路起振，rf应略大于2r3，通常取rf=2.1r3。以保证电路能起振和减小波形失真。 另外，为了满足r=r3/rf的直流平衡条件，减小运放输入失调电流的影响。由rf=2.1r3和r=r3/rf可求出： r3=r = 取标称值: r3=30k w 所以:rf=2.1r3=2.1w=63kw. 为了达到最好效果, rf与r3的值还需通过实验调整后确定。 （4）确定稳幅电路及其元件值。 稳幅电路由r5和两个接法相反的二极管d1、d2并联而成，如图1所示。 稳幅二极管d1、d2应选用温度稳定性较高的硅管。而且二极管d1、d2的特性必须一致，以保证输出波形的正负半周对称。 （5）r5与r2的确定 由于二极管的非线性会引起波形失真，因此，为了减小非线性失真，可在二极管的两端并上一个阻值与rd（rd为二极管导通时的动态电阻）相近的电阻r5。（r5一般取几千欧，在本例中取r5=2kw。）然后再经过实验调整，以达到最好效果。r5确定后，可按下式求出r2。r2=rf -（r5/rd） rf - r5 2 = 63kw - 1kw = 62kw 为了达到最佳效果, r2可用30kw电阻和50 kw的电位器串联（即r2=r4+rw）。 （6）选择运放的型号 选择的运放，要求输入电阻高、输出电阻小，而且增益带宽积要满足： auo bw 3fo 的条件。由于本例中的fo=800hz，故选用a741集成运算放大器。序号名 称型 号数 量备 注1集成函数发生器l80381片2三端集成稳压器lm3171片3开关sw-dpdt1只双刀4位开关4开关sw-spst5只单刀单位开关5整流电路bridge1只二极管6变压器trans11只7电容器c10.01uf1只ct型瓷介电容器8电容器c20.1uf2只ct型瓷介电容器9电容器c41uf1只ct型瓷介电容器10电容器c510uf1只铝电解电容器11电容器c61000p1只cc型瓷介电容器12电位器r1100k2只线绕电位器13电位器r210k1只碳膜电位器14电位器r31k1只碳膜电位器15电阻r41k2只碳膜电阻16电阻r510k4只碳膜电阻17电阻r620k1只碳膜电阻18电阻r72.5k2只碳膜电阻19电阻r83k1只碳膜电阻20电阻r94.7k2只碳膜电阻第7章 元件清单总 结通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。题的能力。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件印象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这次的设计对我们的作用是非常大的。通过这次设计，在理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的