数字信号发生器的设计毕业设计论文.docx

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数字信号发生器的设计毕业设计论文

机电学院毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

数字信号发生器的设计

电学院毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目数字信号发生器的设计

学生姓名学院专业年级

指导教师职称下达任务日期年月日

主

要

研

究

内

容

、

方

法

和

要

求

研究内容：

设计一种数字信号发生器，能够实现显示输出波形，即正弦波、方波、三角波而且还能通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，最终显示各自的类型以及数值

研究方法：

利用AT89S52单片机采用程序设计方法产生弦波、方波、三角波三种波形，再通过D/A转换器DAC0832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，外加一个数据储存器RAM62256

设计要求：

调试所设计的系统程序，能够实现系统设计基本要求。

所设计的系统具有一定的实用性。

计

划

进

度

2012.03.20——2012.04.29：

查阅相关资料，熟悉论文题目相关知识；

2012.03.29——2008.04.15：

确定系统设计方案以及画出电路图等；

2012.04.16——2012.5月末:

完成毕业设计

主

要

参

考

文

献

[1]戴仙金主编51单片机及其C语言汇编程序开发实例清华大学出版社，2008

[2]高吉祥主编全国大学生电子设计竞赛培训系列教程电子工业出版社，2007

[3]杨素行主编模拟电子技术基础简明教程高等教育出版社，2007

[4]蒋辉平主编单片机原理与应用设计北京航空航天大学出版社2007

[5]赵晓安.MCS-51单片机原理及应用[M].天津：

天津大学出版社，2001.3．

指导教师签字______________年___月____日

教学部主任签字____________年___月____日

备注：

此任务书由指导教师填写，并于毕业设计（论文）开始前下达给学生。

可加附页。

摘要

波形发生器是信号源的一种，主要给被测电路提供所需要的己知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。

可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中，它的应用非常广泛。

它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。

目前我国己经开始研制波形发生器，并取得了可喜的成果。

但总的来说，我国波形发生器还没有形成真正的产业。

就目前国内的成熟产品来看，多为一些PC仪器插卡，独立的仪器和VXI系统的模块很少，并且我国目前在波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。

本系统利用单片机AT89S52采用程序设计方法产生锯齿波、正弦波、矩形波三种波形，再通过D/A转换器DAC0832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，能产波形。

通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，并通过液晶屏1602显示其各自的类型以及数值，系统大致包括信号发生部分、数/模转换部分以及液晶显示部分三部分。

【关键词】信号发生器锯齿波方形波矩形波单片机

ABSTRACT

Waveformgeneratorsignalsourceisacircuitundertest,mainlytoprovidetherequiredknownsignal（avarietyofwaveforms）,thenwithotherinstrumentmeasuringtheparametersofinterest.Visiblesignalsourceinavarietyofexperimentalandtestprocessing,itsapplicationisverybroad.Itisnotameasurementinstrument,butaccordingtotheuser'srequirements,astheexcitationsource,simulationtestsignal,isprovidedtothecircuittobetested,tomeettheneedsofmeasuringorvariouspracticalneeds

Atpresentourcountryhasalreadystartedthedevelopmentofawaveformgenerator,andachievedgratifyingresults.Butonthewhole,ourcountryhasnotformrealwaveformgeneratorindustry.Onthecurrentdomesticmatureproducts,anumberofPCequipmentcard,independentoftheinstrumentandVXIsystemmodulesrarely,andourcurrentwaveformgeneratortypesandpropertiesareassociatedwithsimilarforeignproductsinthelargergap,sostepuptothiskindofproductdevelopmentisimminent.

ThissystemusessinglechipmicrocomputerAT89S52usingprogramdesignmethodforgeneratingsawtooth,sinewave,squarewavethreewaveform,thenthroughD/AconverterDAC0832convertsdigitalsignalsintoanalogsignals,filteringandamplifying,andultimatelybytheoscilloscopedisplay,canproducethewaveform.Throughthekeyboardtocontrolthethreewaveformselection,frequencychange,andthroughthe1602LCDdisplaytheirrespectivetypesandvalues,systemgenerallyincludesasignalgeneratingpart,aD/Aconversionpartandaliquidcrystaldisplaypartthreepart.

【Keywords】Signalgeneratorsquarewavesawtoothwaverectangularwavesinglechipmicrocomputer

前言

不论是在生产还是在科研与教学上，信号发生器都是电子工程师仿真实验的最佳工具。

随着我国经济和科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求，信号发生器己成为测试仪器中至关重要的一类，因此开发信号发生器具有重大意义。

传统的信号发生器采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活。

现在很多设计利用单片机灵活的控制、丰富的外设处理能力，实现频率、幅值可调的函数波形的输出，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性[1]。

第一章数字信号发生器的介绍

第一节数字信号发生器的定义

●定义

数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。

二进制码就是一种数字信号。

二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。

凡是产生测试信号的仪器，统称信号源也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。

在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。

当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。

当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。

并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。

●应用

数字信号发生器是电子电路设计、自动控制系统和仪表测量校正调试中应用很多的一种信号发生装置和信号源。

广泛地应用在电子技术试验、自动控制系统和通信、仪器仪表、控制等领域的信号处理系统中及其他机械、电声、水声及生物等科研领域。

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。

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。

例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。

在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器[2]。

●数字信号的特点：

（1）抗干扰能力强、无噪声积累。

在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。

随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使传输质量严重恶化。

对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限个离散值（通常取两个幅值），在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，即在适当的距离采用判决再生的方法，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，所以可实现长距离高质量的传输[3]。

（2）便于加密处理。

信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。

（3）便于存储、处理和交换。

数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。

（4）设备便于集成化、微型化。

数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。

设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。

（5）便于构成综合数字网和综合业务数字网。

采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。

另外，电话业务和各种非话业务都可以实现数字化，构成综合业务数字网。

　　（6）占用信道频带较宽。

一路模拟电话的频带为4kHz带宽，一路数字电话约占64kHz，这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因。

随着宽频带信道（光缆、数字微波）的大量利用（一对光缆可开通几千路电话）以及数字信号处理技术的发展（可将一路数字电话的数码率由64kb/s压缩到32kb/s甚至更低的数码率），数字电话的带宽问题已不是主要问题了。

　　以上介绍可知，数字信号具有很多优点，所以各国都在积极发展数字通信。

近年来，我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。

●信号发生器的分类

现目前信号发生器的种类很多，以下就是详细介绍

按频率范围分类：

1.低频信号发生器：

包括音频（200～20000赫）和视频（1赫～10兆赫）范围的正弦波发生器。

主振级一般用RC式振荡器，也可用差频振荡器。

为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。

2.高频信号发生器：

频率为100千赫～30兆赫的高频、30～300兆赫的甚高频信号发生器。

一般采用LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。

主要用途是测量各种接收机的技术指标。

输出信号可用内部或外加的低频正弦信号调幅或调频，使输出载频电压能够衰减到1微伏以下。

输出信号电平能准确读数，所加的调幅度或频偏也能用电表读出。

此外，仪器还有防止信号泄漏的良好屏蔽。

按输出波形分类：

1.正弦信号发生器：

正弦信号主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。

正弦信号发生器主要由两部分组成：

正弦波信号发生器和产生调幅、调频、键控信号。

正弦波信号发生器采用直接数字频率合成DDS技术，在CPLD上实现正弦信号查找表和地址扫描，经D/A输出可得到正弦信号。

具有频率稳定度高，频率范围宽，容易实现频率步进100Hz。

全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控。

2.函数信号发生器：

又称波形发生器。

它能产生某些特定的周期性时间函数波形（主要是正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号。

频率范围可从几毫赫甚至几微赫的超低频直到几十兆赫。

除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。

下为产生上述波形的方法之一，将积分电路与某种带有回滞特性的阈值开关电路（如施密特触发器）相连成环路，积分器能将方波积分成三角波。

施米特电路又能使三角波上升到某一阈值或下降到另一阈值时发生跃变而形成方波，频率除能随积分器中的RC值的变化而改变外，还能用外加电压控制两个阈值而改变。

将三角波另行加到由很多不同偏置二极管组成的整形网络，形成许多不同斜度的折线段，便可形成正弦波。

另一种构成方式是用频率合成器产生正弦波，再对它多次放大、削波而形成方波，再将方波积分成三角波和正、负斜率的锯齿波等。

对这些函数发生器的频率都可电控、程控、锁定和扫频，仪器除工作于连续波状态外，还能按键控、门控等方式工作。

3.脉冲信号发生器：

产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。

脉冲发生器主要由主控振荡器、延时级、脉冲形成级、输出级和衰减器等组成。

主控振荡器通常为多谐振荡器之类的电路，除能自激振荡外，主要按触发方式工作。

通常在外加触发信号之后首先输出一个前置触发脉冲，以便提前触发示波器等观测仪器，然后再经过一段可调节的延迟时间才输出主信号脉冲，其宽度可以调节。

有的能输出成对的主脉冲，有的能分两路分别输出不同延迟的主脉冲。

4.噪声信号发生器：

完全随机性信号是在工作频带内具有均匀频谱的白噪声。

常用的白噪声发生器主要有：

工作于1000兆赫以下同轴线系统的饱和二极管式白噪声发生器；用于微波波导系统的气体放电管式白噪声发生器；利用晶体二极管反向电流中噪声的固态噪声源（可工作在18吉赫以下整个频段内）等。

噪声发生器输出的强度必须已知，通常用其输出噪声功率超过电阻热噪声的分贝数（称为超噪比）或用其噪声温度来表示。

噪声信号发生器主要用途是：

①在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统的性能；②外加一个已知噪声信号与系统内部噪声相比较以测定噪声系数；③用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测试系统的动态特性。

例如，用白噪声作为输入信号而测出网络的输出信号与输入信号的互相关函数，便可得到这一网络的冲激响应函数。

按频率改变的方式：

1.扫频和程控信号发生器：

扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化的信号。

在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件（如变容管或磁芯线圈）来实现扫频振荡；在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频，以YIG铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流控制直流磁场改变小球的谐振频率。

扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控和远控等工作方式。

2.频率合成式信号发生器：

这种发生器的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成所需之任意频率的信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。

输出信号频率通常可按十进位数字选择，最高能达11位数字的极高分辨率。

频率除用手动选择外还可程控和远控，也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。

直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波和放大等电路组成，变换频率迅速但电路复杂，最高输出频率只能达1000兆赫左右。

用得较多的间接式频率合成器是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器（在环路中同时能实现倍频、分频和混频），使之产生并输出各种所需频率的信号。

这种合成器的最高频率可达26.5吉赫。

高稳定度和高分辨力的频率合成器，配上多种调制功能（调幅、调频和调相），加上放大、稳幅和衰减等电路，便构成一种新型的高性能、可程控的合成式信号发生器，还可作为锁相式扫频发生器[4]。

除了上述发生器外还有伪随机信号发生器，微波信号发生器等

第二节研究数字信号发生器的目的及其发展

信号发生器也称信号源，是用来产生振荡信号的一种仪器，为使用者提供需要的稳定、可信的参考信号，并且信号的特征参数完全可控。

所谓可控信号特征，主要是指输出信号的频率、幅度、波形、占空比、调制形式等参数都可以人为地控制设定。

随着科技的发展，实际应用到的信号形式越来越多，越来越复杂，频率也越来越高，所以信号发生器的种类也越来越多，同时信号发生器的电路结构形式也不断向着智能化、软件化、可编程化发展。

信号发生器所产生的信号在电路中常常用来代替前端电路的实际信号，为后端电路提供一个理想信号。

由于信号源信号的特征参数均可人为设定，所以可以方便地模拟各种情况下不同特性的信号，对于产品研发和电路实验特别有用。

在电路测试中，我们可以通过测量、对比输入和输出信号，来判断信号处理电路的功能和特性是否达到设计要求。

例如，用信号发生器产生一个频率为1kHz的正弦波信号,输入到一个被测的信号处理电路（功能为正弦波输入、方波输出），在被测电路输出端可以用示波器检验是否有符合设计要求的方波输出。

高精度的信号发生器在计量和校准领域也可以作为标准信号源（参考源），待校准仪器以参考源为标准进行调校。

由此可看出，信号发生器可广泛应用在电子研发、维修、测量、校准等领域[5]。

目前我国己经开始研制波形发生器，并取得了可喜的成果。

但总的来说，我国波形发生器还没有形成真正的产业。

就目前国内的成熟产品来看，多为一些PC仪器插卡，独立的仪器和VXI系统的模块很少，并且我国目前在波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。

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VisualBasic,VisualC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。

第二章波形的概述

第一节矩形波

矩形波被广泛用于数字开关电路，矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间[6]。

方波函数是一种常用的波形函数，其表达式为：

（2-1）

方波的波形如图2-1所示：

图2.1方波波形

第二节三角波

三角波也叫锯齿波,主要用在CRT作显示器件的扫描电路中.如示波器,显像管,显示器等.CRT是由许多点组成的.要形成光栅就要有电子束轰击这些发光点.扫描电路分水平和垂直扫描两种.可以一行或一帧的对CRT进行扫描.电子束从第一行或帧的一端开始扫到另一端,马上返回扫第二行或第二帧，三角波的特点是电压渐渐增大突然降到零，正好适合用于扫描电路中[8]。

三角波波形如图2.2所示：

图2.2三角波形

第三节正弦波

正弦波即是频率成分最为单一的一种信号，因这种信号的波形是数学上的正弦曲线而得名。

任何复杂信号——例如音乐信号，都可以看成由许许多多频率不同、大小不等的正弦波符合而成。

我们可以设一个函数为y=sinX，当X分别取0、30、60、90、120、150、180时，Y数值分别为0、0.5、0.8660、1、0.8660、0.5、0。

在坐标系中画出对应的点就可以得出正弦波的图像了。

该图像有一个特点，就是周期性变化，例如X=0时，Y=0，X=180时，Y=0；若X取值【180~360】，则我们可以看到，图像正好与原来的相反（在第四象限）。

这就是正弦波的图像了。

正弦波是所有波中最普遍常见的波形，也是最容易生成的波形。

任何复杂信号都可以看成由许许多多频率不同、大小不等的正弦波复合而成。

可以说是所有波形的基础。

正弦波一般与函数信号发生器有关，与数控也有关[7]。

正弦信号与余弦信号，两者只是在相位上相差2π，可以统称为正弦信号。

其一般形式为：

f（t）=Asin（ωt+θ）（2-2）

式中，A为振幅，ω是角频率，θ为初相位。

上述三量是正弦信号的三要素。

它的波形见图1。

正弦信号是周期信号，其周期T与频率f及角频率ω之间的关系为：

（2-3）

正弦波形如图2.3所示：

图2.3正弦波形

第四节波形的产生

波形发生器可以基于模拟技术，也可以基于数字技术。

模拟发生器利用模拟硬件来产生简单的函数，并在需要指定频率的静态正弦波或方波时经常使用。

而数字函数发生器采用直接数字综合DDS，DAC，数字信号处理，以及一个单周期存储缓冲器来产生信号。

DDS技术依赖数字控制的方法，利用单基准时钟频率来实现一个模拟频率源。

DDS能够实现高精度和高分辨率，高温度稳定度，高宽带，以及随机的和相位连续的频率切换[9]。

1.直接模拟法

图2.4直接模拟法框图

这是传统函数发生