简易信号发生器设计.docx

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简易信号发生器设计

本科毕业设计论文

题目简易信号发生器

系别电气与信息工程系

专业电子信息

班级电信902

学号09010046

学生姓名郭旭东

指导教师金印彬

2013年05月

摘要

随着电子测试技术的飞速发展,测试仪器正向自动化、智能化、数字化和网络化的方向发展。

其中，信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波，方波，正弦波的电路。

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。

本设计通过对简易信号发生器的原理以及构成进行分析，设计了正弦波，方波，三角波简易信号发生器。

设计中首先确定了电路方案：

由直流稳压电源电路，文氏振荡器，积分器等组成。

接着对各单元电路的工作原理进行了分析，由直流稳压电源电路提供所需电压，文氏振荡器产生正弦波，迟滞比较器产生方波，积分器产生三角波，同时对电路中各个元器件的参数进行了计算。

最后利用相关仪器进行测试，测试达到了设计要求。

关键词：

直流稳压电源电路，文氏振荡器，迟滞比较器，积分器

ABSTRACT

Withthefastdevelopmentofelectronictesttechnology,testequipmentistowardautomation,intelligent,digitalandnetworkdirection.Amongthem,signalgeneratorisakindofcanpeoducemuchwaveform,suchastrianglewave,squarewave,sinewavecircuit.Signalgeneratorinthecircuitexperimentandtestequipmentinaverywiderangeofpurposes.

Thedesignofthepeincipleofthesignalgeneratorandstructureanalysis,designofsinewave-squarewave-trianglewavesimplesignalgenerator.Designofthefirstsetbyadevoltagecircuitscheme:

powersupplycircuit,venturioscillator,hysteresitcomparator,intrgratorcomposed,Theneachunitcircuitoftheprincipleisanalyzedbydestabilizedvoltagepowersupplycircuit,peovidethevoltagerequired,venturioscillatorproducesinewave,hysteresitcomparatorproducesquarewave,integratorsproducetriangle,andatthesametimeinthecircuittowavetheparametersofeachcomponentwascalculated.Finally,usingtherelatedinstrumenttesting,testingmeetthedesignrequirements.

KEYWORDS:

destabilizedvoltagepowersupplycircuit,Venturioscillator,Hysteresitcomparator,integrator

1绪论

1.1简易信号发生器的概述

信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。

按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。

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。

凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源。

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。

信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。

正弦信号是使用最广泛的测试信号。

这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。

正弦信号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种。

1.2简易信号发生器的应用及作用

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。

信号发生器的作用——信号调制功能:

信号调制是指被调制信号中，幅度、相位或频率变化把低频信息嵌入到高频的载波信号中，得到的信号可以传送从语音、到数据、到视频的任何信号。

信号调制可分为模拟调制和数字调制两种，其中模拟调制，如幅度调制（AM）和频率调制（FM）最常用于广播通信中，而数字调制基于两种状态，允许信号表示二进制数据。

1.3本论文设计的目的与设计要求

1.3.1原始数据

1信号发生器的频率范围：

1Hz~1KHz

2信号发生器的幅度范围：

100mV~5V

1.3.2技术要求

1能够输出正弦波，三角波和方波，并且输出信号的频率和幅度可调

2具有良好的人机界面

1.3.3工作要求

1采用proteus软件设计基于MCS-51系列单片机的简易信号发生器

2采用相关语言编写应用程序并调试

3对系统进行测试和结果分析

2简易信号发生器的总体介绍

2.1简易信号发生器的工作原理

信号发生器用来产生频率为20Hz～200kHz的正弦信号（低频）。

除具有电压输出外，有的还有功率输出。

所以用途十分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益、通频带，也可用作高频信号发生器的外调制信号源。

另外，在校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。

低频信号发生器的原理：

系统包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和指示电压表。

主振级产生低频正弦振荡信号，经电压放大器放大，达到电压输出幅度的要求，经输出衰减器可直接输出电压，用主振输出调节电位器调节输出电压的大小。

2.2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。

2.3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。

（图1）的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。

2.4微波信号发生器

从分米波直到毫米波波段的信号发生器。

信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势。

仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达10毫瓦以上。

简易信号源只要求能加1000赫方波调幅，而标准信号发生器则能将输出基准电平调节到1毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值；还必须有内部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。

2.5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。

2.6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位数字的极高分辨力。

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。

2.7函数发生器

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。

图2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（如施米特触发器）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、门控或触发等方式工作。

2.8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。

2.9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。

2.10伪随机信号发生器

用白噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，则会出现统计性误差，这可用伪随机信号来解决。

当二进制编码信号的脉冲宽度墹T足够小，且一个码周期所含墹T数N很大时，则在低于fb=1/墹T的频带内信号频谱的幅度均匀，称为伪随机信号。

只要所取的测量时间等于这种编码信号周期的整数倍，便不会引入统计性误差。

二进码信号还能提供相关测量中所需的时间延迟。

伪随机编码信号发生器由带有反馈环路的n级移位寄存器组成，所产生的码长为N=2-1。

3简易信号发生器的总体设计

3.1DAC0832的总体介绍

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

如图3-1示出了其引脚图。

图3-1DAC0832芯片引脚图

1.主要参数

*分辨率为8位；

*电流稳定时间1us；

*可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；

*只需在满量程下调整其线性度；

*单一电源供电（+5V～+15V）；

*低功耗，20mW。

2.结构

*D0～D7：

8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；

*ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；

*CS：

片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；

*WR1：

数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；

*XFER：

数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；

*WR2：

DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

*IOUT1：

电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；

*IOUT2：

电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；

*Rfb：

反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；

*Vcc：

电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；

*VREF：

基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；

*AGND：

模拟信号地；

*DGND：

数字信号地。

3.1.1DAC0832工作方式

根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：

直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。

DAC0832引脚功能电路应用原理图DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。

所以这个芯片的应用很广泛,关于DAC0832应用的一些重要资料见下图：

D/A转换结果采用电流形式输出。

若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。

运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。

DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。

DAC0832引脚功能说明：

DI0~DI7：

数据输入线，TLL电平。

ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。

CS：

片选信号输入线，低电平有效。

WR1：

为输入寄存器的写选通信号。

XFER：

数据传送控制信号输入线，低电平有效。

WR2：

为DAC寄存器写选通输入线。

Iout1:

电流输出线。

当输入全为1时Iout1最大。

Iout2:

电流输出线。

其值与Iout1之和为一常数。

Rfb:

反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.

Vcc:

电源输入线（+5v~+15v）

Vref:

基准电压输入线（-10v~+10v）

AGND:

模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.

DGND:

数字地,两种地线在基准电源处共地比较好.

采用ADC0809实现A/D转换。

（一）D/A转换器DAC0832DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。

如图3-2所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。

运算放大器输出的模拟量V0为：

图3-2D/A转换器原理图

由上式可见，输出的模拟量与输入的数字量成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。

一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。

输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。

图3-3是DAC0832的逻辑框图和引脚排列。

（a）（b）

图3-3（a）DAC0832内部结构图；（b）DAC0832引脚图

D0~D7：

数字信号输入端。

ILE：

输入寄存器允许，高电平有效。

CS：

片选信号，低电平有效。

WR1：

写信号1，低电平有效。

XFER：

传送控制信号，低电平有效。

WR2：

写信号2，低电平有效。

IOUT1、IOUT2：

DAC电流输出端。

Rfb：

是集成在片内的外接运放的反馈电阻。

Vref：

基准电压（-10~10V）。

Vcc：

是源电压（+5~+15V）。

AGND：

模拟地NGND：

数字地，可与AGND接在一起使用。

DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。

数/模（D/A）转换器

D/A转换器是接收数字量，输出一个与数字量相对应的电流或电压信号的模拟量接口。

D/A转换器被广泛用于计算机函数发生器、计算机图形显示以及与A/D转换器相配合的控制系统等。

D/A转换原理：

数字量的值是由每一位的数字权叠加而得的。

D/A转换器品种繁多，有权电阻DAC、变形权电阻DAC、T型电阻DAC、电容型DAC和权电流DAC等。

为了掌握数/模转换原理，必须先了解运算放大器和电阻译码网络的工作原理和特点。

3.1.2DAC0832输出形式

1.单极性输出

如图3-4所示,由运算放大器进行电流→电压转换，使用内部反馈电阻。

输出电压值VOUT和输入数字量D的关系：

图3-4单级输出数模转换连接图

V,

V

V,

V

2.双极性输出

如果实际应用系统中要求输出模拟电压为双极性，则需要用转换电路实现。

如图3-5所示。

图3-5双级输出数模转换连接图

其中R2=R3=2R1

D=0，

D=128，

D=255，

即：

输入数字为0～255时，输出电压在

之间变化。

3.1.3DAC0832内部结构

DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号。

因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。

此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。

图3-6DAC0832内部结果图

LE为高电平、和为低电平时，为高电平，输入寄存器的输出跟随输入而变化；此后，当由低变高时，为低电平，资料被锁存到输入寄存器中，这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化。

对第二级锁存器来说，和同时为低电平时，为高电平，DAC寄存器的输出跟随其输入而变化；此后，当由低变高时，变为低电平，将输入寄存器的资料锁存到DAC寄存器中。

3.1.4DAC0832引脚特性

DAC0832是20引脚的双列直插式芯片。

各引脚的特性如下：

图3-7DAC0832引脚图

CS——片选信号，和允许锁存信号ILE组合来决定是否起作用，低有效。

ILE——允许锁存信号，高有效。

WR1——写信号1，作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到输入寄存器（此时，必须和、ILE同时有效），低有效。

WR2——写信号2，将锁存在输入寄存器中的资料送到DAC寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号必须有效）低有效。

XFER——传输控制信号，低有效。

DI7~DI0——8位数据输入端。

IOUT1——模拟电流输出端1。

当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。

IOUT2——模拟电流输出端2。

IOUT1+IOUT2=常数。

Rfb——反馈电阻引出端。

DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端。

相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。

VREF——参考电压输入端。

可接电压范围为±10V。

外部标准电压通过VREF与T型电阻网络相连。

VCC——芯片供电电压端。

范围为+5V~+15V，最佳工作状态是+15V。

AGND——模拟地，即模拟电路接地端。

DGND——数字地，即数字电路接地端。

3.1.5DAC0832工作方式

DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。

第一种方法

是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态。

具体地说，就是使和都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、处于低电平，这样，当端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。

第二种方法

是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态。

就是使和为低电平，ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当WR2和XFER端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。

根据上述对DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3种工作方式：

一单缓冲方式。

单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。

此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。

二双缓冲方式。

双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。

此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。

三直通方式。

直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即CS*，XFER*，WR1*，WR2*均接地，ILE接高电平。

此方式适用于连续反馈控制线路和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹