推荐基于PROTEUS的函数信号发生器的设计精品.docx

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推荐基于PROTEUS的函数信号发生器的设计精品

摘要

近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统函数信号发生器日新月异的更新。

单片机能产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。

函数信号发生器是各种测试和实验过程中不可缺少的工具，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。

本介绍的是一种用AT89C51单片机构成的波形发生器，可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波等多种波形，波形的周期可用程序改变，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、性能优越等特点。

文章给出了源代码，通过仿真测试，其性能指标达到了设计要求。

单片机小系统负责用户的交互和系统控制，键盘用于频率的输入与波形的选择。

LED显示当前所选信号的频率调整情况，而末级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。

关键词：

单片机，DAC，信号发生器,频率调节,放大电路

Abstract

Inrecentyears,withtheputerinthesocialsectorpenetrationandMCUapplicationiscontinuously,whiledrivingtothedeepeningtraditionalfunctionsignalgeneratoronnewPEupdates.SCMcanproducehighprecision,fasttransformthefrequency,theoutputwaveformdistortionofpreferredselectiontechnology.Functionsignalgeneratorisallsortsoftestandexperimentprocesstheessentialtool,inmunication,measuring,radar,control,teachingfieldsusedwidely.Bothinproductionandscientificresearchorteaching,signalgeneratorareelectronicengineersignalsimulationexperiment,andthebesttool,signalgeneratordesignmethod,designtechnologyisbeingmoreandmoreadvanced.Researchfunctionsignalgeneratordesignmethods,overeshortingsoftraditionalmethods,inordertobetterdesignedplexFM,attenuationfunctionsignalgenerator.

ThisthesisintroducesaAT89C1single-chipputers.thewaveformgenerator,canproducesquare-wave,trianglewave,sinewave,sawtoothwaveetc.Variouswaveform,waveformcycleavailableprogramchange,andcanchooseaccordingtoneedsinglepolarityoutputordualpolarityoutput,hasthelineissimple,pactstructure,superiorperformancecharacteristics.Thearticlepresentedthesourcecode,throughthesimulationtest,theperformanceindexesmeetthedesignrequirements.:

singlechipprocessorsystemisresponsiblefortheuserinteractionandsystemcontrol,thekeyboardforfrequencyofinputandwaveformchoice.LEDdisplaythecurrentselectedthesignalfrequencyadjustment,andfinalamplifiercircuitisgeneratedsignalproperamplifier,inordertoimprovethesignalamplitudeandstrength.

Keywords：

microcontroller,DAC,signalgenerator,frequencyadjustment,amplifiercircuit

1.引言

1.1.选题的目的及意义

信号发生器也称为函数发生器，能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。

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。

信号发生器主要为实验用信号源，是现今各种电子实验设计中必不可少的仪器设备之一。

函数发生器作为一种常见的电子仪器设备，既能够构成独立的信号源，也可以是高性能的网络分析仪，频谱仪以及自动测试装备的组成部分，函数信号发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它是能够提高质量的精密信号源及扫描源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并且提高检测精度。

当今是科技以及仪表设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的发展进步，给人们的生活带来了根本性的转变。

在现代电子领域中，单片机的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统控制与检测技术的日益革新。

单片机构成的仪器具有高可靠性，高性价比，在智能仪表系统和办公自动化中得到广泛应用，因此，基于单片机的函数信号发生器的普及是一种趋势。

1.2.国内外研究与综述

信号发生器是一种常见的应用电子仪器设备，传统的信号发生器一般可以完全由硬件搭接而成，如采用555电路产生正弦波，三角波和方波便是可取的路径之一，不用依靠单片机。

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，体积大的缺点。

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让人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大，并且大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度也难以保证，体积大，漏电，损耗大更是其致命的弱点。

一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大的增加。

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1μHz～80MHz，而输出幅度为10mVpp～10Vpp；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9kHz～4GHz。

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1μHz～60MHz；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1MHz～1024MHz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。

目前市场上的信号发生器多种多样。

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。

1.3.所用方法

利用单片机控制脉冲的输入和输出，从而控制信号波形的频率和幅度，并根据要求输出的波形设计对应的硬件电路。

在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换，用按键来控制单片机的波形和频率，通过显示电路显示频率值，利用数模转换器放大电路输出波形，并可以通过示波器观察波形与频率，其中复位电路用于系统复位重启。

最后利用Proteus软件对设计的电路进行实时仿真，通过仿真的结果来观察波形的输出。

2.系统硬件方案的设计

2.1.方案的选择与论证

方案一：

采用单片函数信号发生器（如8038），8038可同时产生正弦波、方波等，而且方法简单易行，用D/A转换器的输出来改变调制电压，也可以产生实现数控调整频率，但产生的信号的频率稳定度不高。

方案二：

采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂。

方案三：

采用单片机编程的方法来实现。

该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换。

此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。

鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二的电路复杂且频率覆盖系数难以达标等缺点，所以决定采用方案三的设计方法。

它不仅采用软硬件结合，软件控制硬件的方法来实现，使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证，而且它使用的几种器件都是常用的元器件，容易得到，且价格便宜，使得硬件的开销达到最省。

2.2.系统总体设计

经过考虑，确定方案如下：

利用AT89C51单片机采用程序设计方法产生锯齿波、三角波、正弦波、方波四种波形，再通过D/A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。

通过按键来控制四种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示其各自的类型以及数值。

硬件设计的总体框图如图2-1所示。

图2-1硬件设计总体框图

2.3.单片机最小系统设计

用89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，89C51单片机最小系统如图2-2所示。

由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

图2-289C51单片机最小系统

其应用特点：

有可供用户使用的大量I/O口线。

内部存储器容量有限。

应用系统开发具有特殊性。

典型的MCS-51单片机芯片集成了以下几个基本组成部分：

1）一个8位的CPU

2）128B或256B单元内数据存储器（RAM）

3）4KB或8KB片内程序存储器（ROM或EPROM）

4）4个8位并行I/O接口P0~P3

5）两个定时/计数器

6）5个中断源的中断管理控制系统

7）一个全双工串行I/O口UART（通用异步接收、发送器）

8）一个片内振荡器和时钟产生电路

2.4.复位与时钟电路设计

2.4.1.时钟电路设计

单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：

内部振荡方式和外部振荡方式。

在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振），就构成了内部振荡方式。

由于单片机内部有一个高增益反向放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲。

晶振通常选用6MHZ、12MHZ或24MHZ。

内部振荡方式如图2-3所示。

图中电容C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。

电容值一般为5～30pF。

内部振荡方式所得时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。

外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。

这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持一