函数信号发生器设计通信.doc

09电子系统设计电子系统设计(论文论文)学学院院:信息与信息与电电子工程学院子工程学院专专业业:通信工程通信工程班班级级:通信通信051班班学学号号:105022023105022030学学生生姓姓名名:张张三三指指导导教教师师:李四李四二二九九年年七七月月论文题目论文题目:函数信号发生器设计函数信号发生器设计浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）I摘要摘要在科学研究和生产实践中，如过程控制，生物医学，地震模拟，机械震动等领域常常需要低频信号源。电子领域也常用到信号发生器，它长期以来都是模拟电路构成的。本设计详细介绍了基于单片机的多路信号发生器构造及其原理。在本次设计中，我们利用单片机采用程序设计方法产生锯齿波、正弦波、矩形波三种波形，通过键盘来控制三种波形的类型选择、幅值变化、频率变化，并通过LED数码管显示器显示其各自的类型以及数值，再通过DA转换器将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来，另附加时钟功能。系统大致包括信号发生部分、数模转换部分以及LED显示部分三部分，其中尤其对数模转换部分和波形产生和变化部分进行详细论述。设计正文分为绪论、系统总体设计、系统硬件设计、系统软件设计四部分。其中第三、四章是本文的中心，它介绍了设计者的思路和系统原理。关键词：函数信号发生器；单片机；键盘；函数信号发生器；单片机；键盘；DA转换器转换器浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）IIABSTRACTWavegeneratorisoftenusedinmanyfieldsforexampleprocesscontrolslivingcreaturetheearthquakeimitatesthemechanicalvibrate.incommonsignalgeneratorisusedintheelectronicrealm，theyaremadeupofanalogsignalcircuitforlongtime.Theprincipleandthestructureofthewavegeneratorsatthebaseofcentralprocessordiscussedindetail.InthisdesignitmakesuseofcentralprocessortogeneratethreekindsofwavestheyaretrianglewaveandcontrolwavechoosingfrequencyrangeanddisplaysthemthroughliquidcrystaldisplayofLED.Moreoveritaddsclockprocedureanddisplaysit.Besidesithasclockfunction.Ingeneralthisdesignincludesthreemodules.TheyareDAconversionmodulewavegeneratemoduleandliquidcrystaldisplayofLEDmodule.InthisdesignthewavegeneratorintowavemoduleandDAconversionmodulearediscussedindetail.Keywords:ThefunctionsignaltakesplaceamachineSingleslicemachineKeyboardTheDAconvertsamachine浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）III目录目录摘要摘要.IABSTRACT.II第第1章章引言引言.11.1背景.1第第2章章设计任务设计任务.22.1设计内容.22.2设计要求设计要求.22.3设计过程设计过程.22.3.1课题分析课题分析.22.3.2方波方波-三角波电路三角波电路.32.3.3三角波三角波正弦波的变换正弦波的变换.42.3.4方波方波-三角三角-正弦波函数发生器电路图正弦波函数发生器电路图.6第三章第三章单片集成函数发生器单片集成函数发生器ICL8038ICL8038.93.1ICLICL性能指标性能指标.93.2手动调频和压控调频函数发生器手动调频和压控调频函数发生器.113.2.1调试要点调试要点.11参考文献参考文献.13浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）1第第1章章引言引言1.1背景背景信号源是根据用户对其波形的命令来产生信号的电子仪器。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其他仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在电子试验和测试处理中，并不测量任何参数，而是根据使用者的要求，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。信号源有很多种分类方法，其中一种方法可分为混合信号源和逻辑信号源两种。其中混合信号源主要输出模拟波形；逻辑信号源输出数字码形。混合信号源又可分为函数信号发生器和任意波形函数发生器，其中函数信号发生器输出标准波形，如正弦被、方波、任意波函数发生器输出用户自定义的任意波形；逻辑信号发生器又可分为脉冲信号发生器和码型发生器，其中脉冲信号发生器驱动较小个数的方波或脉冲波输出，码型发生器生成许多通道的数字码型。浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）2第第2章章设计任务设计任务2.1设计内容设计内容函数信号发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电压或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如视频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器ICL8038）。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本论文要求设计由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波-三角波-正弦波函数发生器。2.2设计要求设计要求输出频率20Hz-20kHz，连续可调输出电压Vp-p1V输出波形方波、三角波、正弦波正弦波失真度5%5%显示5位LED数显频率2.3设计过程设计过程2.3.1课题分析课题分析根据任务，函数信号发生器一般基本组成框图如图2.1所示。读者可参阅有关参考资料。浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）3图2.1函数信号发生器框图2.3.2方波方波-三角波电路三角波电路图2.1所示为产生方波-三角波电路。工作原理如下：若a点短开，运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。图2.2方波-三角波产生电路由图2.2分析可知比较器有两个门限电压CCthVRPRRU1321CCthVRPRRU1322运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1时，则输出积分器的电压为tUCRPRUood)(112142当Uo1=+VCC时tCRPRUo214CC2)(V浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）4当Uo1=-VEE时tCRPRUo214EE2)(V可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图2.3所示。图2.3方波-三角波波形A点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为CC1322VRPRRUmo方波-三角波的频率为214213)(4CRPRRRPRf由上分析可知：电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。电位器RP1可实现幅度上午微调，但会影响波形的频率。2.3.3三角波三角波正弦波的变换正弦波的变换三角波正弦波的变换主要有差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是做直流放大器时，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性的非线性。其非线性及变换原理如图2.4所示。浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）5图2.4三角波正弦波的变换原理传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。图2.5为三角波正弦波的变换的电路。其中RP1调节三极管的幅度，RP2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减少差分放大器的线性区。电容C1、C2、C3为隔直电容，C4为滤波电容，以减少滤波分量，改善输出波形。图2.5三角波正弦波变换电路整个设计电路采用如图所示。其中运算放大器A1、A2用一只双运放A747，差分放大器采用单入、单出方式，四只晶体管用集成电路差分对管BG319或双三浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）6极管S3DG6等。取电源电压为12V。2）计算元件参数比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：由于CC1322VRPRRUmo因此31124Vcco2m132URPRR取R3=10k则R3+RP1=30k，取R3=20kRP1为47k的电位器。取平衡电阻R1=R2（R3+RP1）10k。因为214213)(4CRPRRRPRf当1Hzf10Hz时，取C2=10F，则R4+RP2=（757.5）k，取5.1k，RP2为100k电位器。当19Hzf100Hz，取C2=1F以实现频率波段的转换，R4、RP2的值不变。取平衡电阻R5=10k。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得大，因为输出频率较低，取C3=C4=C5=470F，滤波电容C6一般为几十皮法至0.1F。RE2=100与RP4=100，相并联，以减少差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R确定。2.3.4方波方波-三角三角-正弦波函数发生器电路图正弦波函数发生器电路图根据以上设计，可画出方波-三角-正弦波函数发生器电路图如图2.6所示。浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）7图2.6方波-三角-正弦波函数发生器电路图安装与调试安装与调试图2.6所示方波-三角-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的，在装调多级电路时，通常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级联。（1）方波-三角波发生器的装调由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10K，RP2取（2.570）内的任一阻值否则电路可能会不起振.只要电路接线正确上电后U01的输出为方波U02的输出为三角波微调RP1使三角波的输出幅度满足设计指标要求调节RP2则输出频率在对应波段内连续可变.（2）三角波-正弦波变换电路的装调按照图2.6所示电路，装调三角波-正弦波变换电路，其中差分放大器可利用课题三设计完成的电路。电路的调试步骤如下：浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）81）经电容C4输入差模信号电压uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。调节RP4及电阻R，使传输特性曲线对称。再逐渐增大uid，直到传输特曲线形状如图3-73所示，记下此时对应的uid，即uidm值。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。2）将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度经RP3后输出等于uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。如果U03的波形出现如图2.7所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：钟形失真如图2.7（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。半波圆顶或平顶失真如图2.7（b）如示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R。非线性失真如图图2.7（c）所示，三角波的线性度较差引起的非线性失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络（如C6=0.1mF）改善输出波形。图2.7几种正弦波失真（3）性能指标测量与误差分析方波输出电压UP-P2VCC是因为运放输出级由NPN型与PNP型两种晶体管组成复补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）9小于电源电压值。方波的上升时间tr，主要受运算放大器转换速率的限制。如果输出频率较高，可接入加速电容C1（图2.1），一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量tr。第三章第三章单片集成函数发生器单片集成函数发生器ICL8038ICL80383.1ICLICL性能指标性能指标ICL8038是一款性能优良的集成函数发生器，即可用单电源供电，也可双电源供电。单电源供电时，将引脚11接地，6脚接+VCC，其值为1030V：可双电源供电时，引脚11接-VEE，引脚6接+VCC，它们的值为515V。频率的可调范围为0.001Hz300kHz。输出矩形波的占空比可调范围为2%98%，上升时间为180ns，下降时间为40ns，输出三角波的非线性小于0.05%，输出正弦波的失真小于1%。在图2-1-1中，缓冲电路是电压跟随器，缓冲电路是反相器，用于隔离波形发生电路和负载，以提高负载能力；电压比较器和电压比较器的阀值电压分别为23VCC和13VCC，它们的输入电压为电容C两端的电压uc，它们的输出电压分别控制RS触发器的置位端和复位端；为得到在比较宽的频率范围内由浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）10图3.1ICL8038原理框图三角波到正弦波的转换，内设一个由电阻与晶体管组成的折线近似转换网络（正弦波变换器），以得到低失真的正弦信号输出；RS触发器的状态输出端用来控制电子模拟开关S，以实现对电容的充放电功能；电流源电流IS1与IS2的大小可通过外接电阻调节，但IS2必须大于等于IS1，若IS2=IS1，则触发器的输出为方波，经缓冲电路2输出到管脚9；在IS2=2IS1的条件下，UC上升与下降的时间相等，其电压输出为三角波，经缓冲电路输出到管脚2，并通过三角波变正弦波的变换电路从管脚3输出正弦波，当IS1IS22IS1时，UC上升与下降的时间不相等，管脚2输出锯齿波，管脚9输出矩形波。当通电后，触发器的输出端Q为低点平时，开关S断开，电流源Is1给电容充电，因充电电流是恒流，故它两端的电压uc随时间线性上升，当uc达到电源电压的23倍时，电压比较器的输出电压发生跳变，使触发器的输出端Q由低电平跳为高电平，开关S接通。由于电流源的电流IS2大于IS1，因放电电流是恒流，所以uc随时间线性下降。当它下降到电源电压的13倍时，电压比较器的输出电压发生跳变，使触发器的输出端Q由高电平跳变为低电平，开关S断开，电流源IS1再给电容充电，uc又随时间线性浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）11上升。如此周而复始，电路产生了自激振荡。通过以上分析可知，改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出也得不到正弦波了。在图3.1中，引脚8为频率调节电压输入端，电路的振荡频率与该电压成正比；引脚7输出频率调节偏置电压，数值是引脚7偏置电压与电源+VCC之差，它可作为引脚8的输入电压；引脚4和引脚5外接电阻和电位器，进行恒流源调节，用以改变输出信号的占空比和频率；引脚10外接充放电电容，改变其容量则改变了充放电时间常数，也即改变了触发器的翻转时间；引脚13和引脚14为空脚（NC）。图3.2ICL8083管脚排列图3.2手动调频和压控调频函数发生器手动调频和压控调频函数发生器由8038组成的手动调频函数发生器参考电路见图3.3。浙江科技学院信息与电子工程学院09电子系统设计（论文）12图3.3手动调频的函数发生器参考电路在图3.3所示电路中，u2、u3和u9分别输出三角波或锯齿波、正弦波、方波或矩形波电压。调节电位器RP1可以改变方波的占空比、锯齿波的上升时间和下降时间；调节电位器RP2可以改变输出信号的频率；调节电位器RP3和RP4可以调节正弦波的失真度，两者要反复调整才可得到失真度较小的正弦波；改变充放电电容C的容量大小也可以改变输出信号的频率，根