函数信号发生器的研究与实现调研报告.docx
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函数信号发生器的研究与实现调研报告
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本科生毕业论文（设计）
调研报告
题目函数发生器的研究与设计
学生姓名：
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学号？
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专业班级：
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指导教师：
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完成时间：
2012年2月29日
函数发生器的研究与设计
一、主要目标任务：
综合所学的《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《单片机的原理与应用》研究设计开发一个基于51单片机的函数发生器。
1）巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。
2）培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。
通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。
3）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件；初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
4）了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。
5）培养严肃、认真的工作作风和科学态度。
二、技术性能指标：
1）输出波形：
正弦波、三角波、方波；
2）频率范围：
低频；
3）波形特征：
失真系数不能过高。
三、简要工作原理
本系统利用单片机AT89S51采用程序设计方法产生三角波、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1Hz—3kHz的波形。
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，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。
四、课题文献综述
1、《模拟电路与数字电路》第2版
1）作者：
寇戈、蒋立平
2）摘要
方波、正弦波、三角波等非正弦波，实质是脉冲波形。
我们一般用惰性元件电容C和电感L的充放电来实现。
非正弦波产生电路：
它是由积分电路和滞回比较器电路组成的。
积分电路的作用是产生暂态过程。
滞回比较器起开关作用。
即：
通过开关的不断的闭合，来破坏稳态，产生暂态过程。
3）方波产生电路
用滞回比较器作开关，RC组成积分电路，即可组成矩形波产生电路。
电路图如
（1）所示：
工作原理：
电路是通过电阻Ro和稳压管对输出限幅，如它们的稳压值相等，则电路输出电压正、负幅度对称。
在利用数据比较器和积分电路的特性即可得到矩形波。
4）三角波产生电路
用集成运放的积分电路代替矩形波产生电路的RC电路，（略加改进）即可形成。
它的电路图如图
（2）所示：
工作原理：
它的前级集成运放组成滞回比较电路，后级组成积分电路。
它可同时产生方波（前级集成运放产生）和三角波（后级集成运放产生）。
三角波的电容充放电时间相等，若电容的充放电时间不等而且相差很大，便产生锯齿波。
2、《多功能函数发生器模拟设计》
1）作者：
李小龙、张胜光
2）摘要
本文简要地介绍了函数发生器的工作原理及其分类；比较了基于单片机的函数发生器的设计方法及采用DDS，DSP技术的多功能函数发生器的设计方法及实现。
3）引言
随着集成制造工艺技术的不断发展，多功能信号发生器已被制作成专用集成电路。
该集成电路使用方便、调试简单、性能稳定，它不仅能产生正弦波，同时还能产生三角波和方波。
多功能的函数发生器必替代了传统的信号发生器。
4）系统软件设计
程序的功能就是要将外部输入的数据按照一定算法变换成AD9850芯片所能接收的格式,并送出相应的频率、相位控制字,从螟使AD9850能产生相位、频率可程控的正弦信号并通过RS232接口与PC机进行数据通讯。
特点频率控制灵活,操作简便。
5）系统软件总体设计
系统软件由主监控软件、键盘显示器管理模块、外设中断管理处理模块、各功能模块和数据表模块构成。
其中监控主程序是系统软件的主程序,是整个仪器软件的核心它的任务是识别命令、解释命令,并获得完成该命令的相应模块的入口,起着引导仪器进入正常工作状态,协调各翱分软件有条不紊地工作的重要作用。
其他模块主要进行波形的转换与输出。
6）结论：
基于单片机的函数发生器具有频率控制灵活,操作简便的特点；采用DDS，DSP技术具有新颖、结构简单、高性能、操作控制灵活的特点,具有很大的市场开发、应用前景。
3、《单片机原理与应用》
1）作者：
曾屹
2）摘要
以51单片机为主要对象，详细介绍了单片机得基本硬件结构和工作原理、指令系统与汇编语言程序设计、计数定时、串行接口和中断系统等片内功能部件、基本接口应用技术、功能扩展、应用系统设计基础、c语言程序设计和仿真设计技术。
3）单片机最小系统
电源：
单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚（Vcc），负极接20引脚（GND）。
晶振电路：
晶振是晶体振荡器的简称，单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作。
AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此，此系统电路的晶体振荡器的值为11.0592MHz，电容值约为30μF。
在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。
单片机内部已经集成了振荡器；使用晶体振荡器，接18（XTAL2）、19（XTAL1）脚。
复位电路：
单片机复位电路是指单片机的初始化操作。
单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
因而，复位是一个很重要的操作方式。
4、《微机原理与接口技术》第二版
1）作者：
彭楚武、张志文
2）引言
以Intel8086微机处理器构成的微机系统为对象，对微机的基本构成、工作原理、汇编语言程序设计、接口技术和基本接口芯片进行了较详细的讨论。
3）DAC0832数/模转换器
DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。
能完成数字量输入到模拟量（电流）输出的转换。
图3.3和图3.4分别为DAC0832的引脚图和内部结构图。
其主要参数如下：
分辨率为8位，转换时间为1μs，满量程误差为±1LSB，参考电压为（+10～-10）V，供电电源为（+5～+15）V，逻辑电平输入与TTL兼容。
从图4中可见，在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号/XFER。
4）DAC0832的工作方式
DAC0832可处于三种不同的工作方式：
a、直通方式：
当ILE接高电平，CS、WR1、WR2和XFER都接数字地时，DAC处于直通方式，8位数字量一旦到达DI7～DI0输入端，就立即加到8位D/A转换器，被转换成模拟量。
例如在构成波形发生器的场合，就要用到这种方式，即把要产生基本波形的数据存在ROM中，连续取出送到DAC去转换成电压信号。
b、单缓冲方式：
只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存器数据，DAC就可处于单缓冲工作方式。
一般的做法是将WR2和XFER都接地，使DAC寄存器处于直通方式，另外把ILE接高电平，CS接端口地址译码信号，WR1接CPU的WR信号，这样就可以通过一条MOVX指令，选中该端口，使CS和WR1有效，启动D/A转换。
c、双缓冲方式：
主要在以下两种情况下需要用双缓冲方式的D/A转换。
需在程序的控制下，先把转换的数据输入输入缓存器，然后在某个时刻再启动D/A转换。
这样，可先选中CS端口，把数据写入输入寄存器；再选中XFER端口，把输入寄存器内容写入DAC寄存器，实现D/A转换。
在需要同步进行D/A转换的多路DAC系统中，采用双缓冲方式，可以在不同的时刻把要转换的数据打入各DAC的输入寄存器，然后由一个转换命令同时启动多个DAC转换。
先用3条输出指令选择3个端口，分别将数据写入各DAC的输入寄存器，当数据准备就绪后，再执行一次写操作，使XFER变低同时选通3个D/A的DAC寄存器，实现同步转换
5、《数字函数信号发生器的设计与实现》
1）作者：
庄海军
2）摘要
本文利用直接数字频率合成器（DDS）与CPLD技术和单片机控制技术，研制和设计了高分辨率、高稳定度的函数信号发生器。
文中主要讨论基于DDS芯片AD9834的波形发生器。
3）系统设计
a、键盘模块：
通过5×5键盘输入频率和波形，经由CPLD送入单片机将键盘数据转换为相应的频率控制字，再通过CPLD接口电路控制DDS芯片控制字，产生相应的频率和波形，即实现数字控制功能。
同时按键还可以实现其他各种命令的输入，出单片机经CPLD来执行。
面板键包括：
0~9十个数字，小数点，ENTER按键，UP按键，DOWN按键，波形选择三个按键，外测频键，频率显示切换键，输出信号控制键等。
b、显示模块：
显示部分包括频率显示和电压显示。
频率和电压显示采用7段数码管，频率由六位LED共阳极数码管显示，电压由四位LED共阳极数码管显示。
波形显示采用发光二极管指标，有正弦波，三角波，方波显示，频率有Hz/kHZ显示，幅度有Mv/V显示。
c、单片机模块：
单片机整个系统的控制核心，它控制、协调其他各个模块工作完成显示控制、面板控制、DDS控制、输出电压的数据采集，电压显示、与CPLD进行通信、外测频分比控制和计数、波形选择控制、输出控制。
6、《电子技术基础》模拟部分（第五版）
1）华中科技大学电子技术课程组编（康华光主编）
2）摘要
信号的放大是最基本的模拟信号处理功能，它是通过放大电路实现的。
大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路。
放大电路也是构成其他模拟电路，如滤波、震荡、稳压等功能电路的基本单元电路。
3）信号处理与信号产生电路，其中非正弦波产生电路如，三角波、方波产生电路就可以通过非正弦波产生电路老产生，并获得了日益广泛的应用。
4）LC正弦波震荡电路，LC震荡电路主要用来产生正弦信号，一般在1MHz以上。
LC和RC震荡电路产生正弦震荡的原理基本相同。
5）方波产生电路，方波产生电路是一种能够直接产生方波的或矩形板的非正弦信号发生电路。
这种电路又叫多谐振荡电路。
7、TheDesignofArbitaryWaveformGeneratorUsingLabVIEWandSOPC
1）Author：
MoutaoWeijingcheng
2）Abstact:
ThesisintroducesamethodtodevelopahighpreciseDDSsignalsourcebasedonLabVIEWandSOPC.Thesisintroducesthebasictheoriesofvirtualinstrumenttechnology,includingtheconcept,composition,classification.Onthebasisofthis,thethesisintroducesthesoftwarestructureofvirtualinstrumentsystemandbrieflyintroducestherelevanttechnology,suchasinstrumentdriver,VISA,etc.SOPCtechnologyhasthoroughlybeenstudied.SOPCisareconstructablesystemonachipbasedontheprogrammablelogicdevice,anditcombinestheadvantagesofSOCandPLD/FPGAastheintegratedtechnologyofthem.ItintegratesthehardwareorsoftwareCPU、DSP、PLL、storage、I/Ointerfaceandprogrammablelogic,itcansolvetheSOCschemeflexiblyandeffectively.whatismore,ithasashortdesigncycleandlowcost.Asaresultitfitstheapplicationfieldsofthedesignverymuch.ThethesisanalysethedesignschemeandtheprincipleoftheDDS.TheDirectDigitalFrequeneySynthesis（DDS）isakindofnewfrequencysynthesismethod.Analysesthespectrumcharacteristicofdirectdigitalfrequencysynthesizeroutput.Itisofhighfrequeneyresolution,fastfrequencyswitchingspeedTheentiresignalgeneratorsystemisintegratedintoaSOPCwithonlyoneFPGAchip.ThesisdesignshardwareandsoftwareoftheArbitraryWaveformGenerator.ThethesisformulatesthewholeschemeofthesystemandanalysesthereasonofusingDDStechnology.Itdescribedthedesignprocessofthehardwarecircuitofwholesystem,thesystemonSOPCandthePCsoftwarethoroughly.Inaddition,thethesisanalysestherelevanttechnologyandcontrolmethodofAWG.Thesystemismadeuptwoparts,PCsoftwareandfirmwareofArbitraryWaveformGenerator,communicatingwithUART.ThedataofarbitrarywaveformsiseditedanddownloadedbyPCsoftware.ThisdesignintergratedtheDDSmoduleandtheMCUmoduleonasingleFPGAchip.Sotheperformancesuchasintegration,stabilityandexpansibilityimprovedmuch,Testingbythewayofsimulationandtheresult,theexportwaveformhasachievedtheidealresult.
五、方案论证
方案一
1）硬件组成：
集成运算放大器、晶体管差分放大器、积分电路、微分电路。
2）工作原理：
通过集成运算放大器与晶体管差分放大器组成方波-三角波-正弦波
可以先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成
三角波；也可以先产生三角波，在通过微分电路将三角波变换为方波，在将方波变换成正弦波；也可以先产生方波，再通过积分电路将方波变换成三角波，再将三角波变化成正弦电路。
3）函数发生器原理组成框图
方案二
1）硬件组成：
AT89C51单片机、D/A转换器DAC0832、液晶显示、按键控制。
2）工作原理：
利用AT89C51单片机采用程序设计方法产生正弦波、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，通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示其各自的类型以及数值。
波形生成方案选择选择单片机控制双DA技术完成频率的改变这种方案。
频率改变方案采用了在低频时控制单片机的查表频率从而改变输出频率，在高频时改变计数器的计数初值来改变频率的方法从而较完美地实现要求。
3）总体设计框图如下：
论证分析：
方案一利用差分放大器将三角波近似逼近为正弦波，这种转换方法比较简单，而且频带很快。
通过改进电路，使之成为占空比可调的函数信号发生器。
占空比可调之后，三角波就可以变为锯齿波。
方波-三角波幅度和频率都可以通过改变电位器实现波形的微调，但是方案二利用AT89C51单片机通过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，通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示其各自的类型以及数值，能实现电压步进0.1V，方波能够任意调节占空比以及在LCD1602上显示波形类型、电压和频率，并且可以通过示波器来观察其输出的波形。
所以本设计选择方案二。
五、参考文献
1）《单片机原理及其应用》…………………………………………………张俊谟
2）《微机原理与接口技术》…………………………………………………张志文
3）《模拟电路与数字电路》…………………………………………寇戈、蒋立平
4）《电子技术课程设计指导》………………………………………………彭介华
5）《电子技术基础》模拟部分（第五版）…………………………………康华光
6）《单片机使用系统设计技术》……………………………………………房小翠
7）单片机控制的函数发生器设计与实现…………………………………冯建雨
8）多功能智能函数信号发生器的设计…………………熊飞丽、王光明、刘国福
9）全国大学生电子设计竞赛训练教程……………………………………黄智伟
10）Intelligentdigitallowfrequencysignalgenerator…………………Yanglijun
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