多功能信号发生器设计与实现

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1、题 目 多功能信号发生器的设计与实现 学生姓名 王振华王振华 学号 12130140691213014069 所在学院 物物理理与与电电信信工工程程学学院院 专业班级 电子信息工程电子信息工程 指导教师 梁芳梁芳 完成地点 物理与电信工程学院实验室物理与电信工程学院实验室 2016 年 6 月 2 日多功能信号发生器的设计与实现王振华（陕西理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程专业,2012 级 3 班，陕西 汉中 723000） 指导教师：梁芳摘要本文介绍的是利用 STC12C5A60S2 单片机和数模转换器件 DAC0832 产生所需不同信号的低频信号源，其信号幅度和频率都是可以按要求

2、控制的。文中简要介绍了 DAC0832 数模转换器的结构原理和使用方法，STC12C5A60S2 的基础理论，以及与设计电路有关的各种芯片。着重介绍了如何利用单片机控制 D/A 转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程。信号频率幅度也按要求可调。本设计核心任务是：以 STC12C5A60S2 为核心，结合 D/A 转换器和 DAC0832 等器件，用仿真软件设计硬件电路，用 C 语言编写驱动程序，以实现程序控制产生正弦波、三角波、方波、三种常用低频信号。可以通过键盘选择波形和输入任意频率值。 关键词关键词单片机； LCD1602；信号发生器；DAC0832Design and implement

3、ation of multi function signal generatorAuthor:Zhenhua Wang (Grade 12,Class 03,Major in Electronics 用集成芯片的信号发生器，可达到较高的频率和产生多种 波形信号,但电路较为复杂且不易调试。利用 DA 转换器配合单片机可以实现波形产生的功能， 而且可以根据需要进行调整，设计灵活。 随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展促使信号发 生器种类增多性能提高尤其随着 70 年代微处理器的出现更促使信号发生器向着自动化智能化方 向发展现在许多信号发生器带有微处理器因而具备了自校

4、自检自动故障诊断和自动波形形成和 修正等功能可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统当前信号发生器总 的趋势是向着宽频率覆盖低功耗高频率精度多功能自动化和智能化方向发展1。 在科学研究工程教育及生产实践中如工业过程控制教学实验机械振动试验动态分析材料试 验生物医学等领域常常需要用到低频信号发生器而在我们日常生活中以及一些科学研究中锯齿 波和正弦波矩形波信号是常用的基本测试信号譬如在示波器电视机等设备中为了使电子按照一 定规律运动以利用荧光屏显示图像常用到锯齿波产生器作为时基电路信号发生器作为一种通用 的电子仪器在生产科研测控通讯等领域都得到了广泛的应用但市面上能看到的仪器在频率

5、精度 带宽波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求加之各类功能的半导体集成芯 片的快速生产都使我们研制一种低功耗宽频带能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器 成为可能2。 信号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，也可以是高新能的 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 仪器的基本组成部分，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。1.21.2 研究概况及发展趋势研究概况及发展趋势信号发送器是指产生

6、所需参数的电测试信号的仪器。因其应用广泛，种类繁多，特性各异， 分类也不尽一致。按信号波形可分为正弦信号、函数信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大 类。信号波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号， 还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自 动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。在 70 年代前， 信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而信号发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余 弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路 和机电结合的方法。这个时

7、期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存 在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。 同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将 频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在 70 年代后，微处理器的出现，可以利 用处理器、A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期 的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC 的程序控制，就可以得到各种简单 的波形。90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的信号发生器、但是 HP 公司推出了型号为 HP770

8、S 的信号模拟装置系统，它由 HP8770A 任意波形数字化和 HP1776A 波形发生软件组成。HP8770A 实际上也只能产生 8 中波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic 公司推出了型号为 Data-2020 的多波形合成器，Lecroy 公司生产的型号为 9100 的任意波形发生器等。 到 了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过 GHz 的 DDS 芯片， 同时也推动了信号波形发生器的发展，2003 年，Agilent 的产品 33220A 能够产生 17 种波形， 最高频率可达到 20M，2005 年的产品 N6030A 能够产生高达 500MHz

9、的频率，采样的频率 可达 1.25GHz。由上面的产品可以看出，信号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、直线和固定的信号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。从而促进了信号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

10、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 Visual Basic ,Visual C 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

11、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。1.31.3 本系统主要本系统主要功能功能本系统设计制作一个基于 DAC0832 的信号发生器。能实现以下几种功能： （1）用户可以通过按键设定频率、波形、幅度这些参数。 （2）本系统输出幅度范围为 0.1VPP5VPP。最小步进值为 0.1VPP。 （3）本系统输出方波、三角波、正弦波和锯齿波。最小步进值为

12、1HZ。 （4）系统所有的设置的参数都能在 LCD1602 上显示。 （5）正弦波:1Hz10KHz;三角波:1Hz5KHz;方 波:1Hz10KHz;锯齿波:1Hz5KHz。2.2. 总体方案论证与设计总体方案论证与设计根据所要实现的功能划分，系统一共需要以下几个模块：主控模块、显示模块、信号产生 模块、程控增益模块和负压产生模块，以下就针对这几个模块的选型和论证进行讨论。2.12.1 主控模块的选型和论证主控模块的选型和论证方案一： 采用 MSP430 系列单片机，该单片机是 TI 公司 1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗 的混合信号处理器。其内部集成了很多模拟电路、数字电路

13、和微处理器，提供强大的功能。不 过该芯片昂贵不适合一般的设计开发。 方案二 采用 51 系列的单片机，该单片机是一个高可靠性，超低价，无法解密，高性能的 8 位单片 机，32 个 IO 口，且 STC 系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的 调试。 因此选用方案二中的 51 系列单片机作为主控芯片。2.22.2 显示模块的选型和论证显示模块的选型和论证方案一： 采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比 较合适，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以不用此种作为显示3。 方案二： 采用 LED 数码管动态扫描，LED 数码管

14、价格虽适中，对于显示数字也最合适，而且采用动 态扫描法与单片机连接时，占用单片机口线少。但是由于数码管动态扫描需要借助 74LS164 移 位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往有很多障碍，所以不采用 LED 数码管作为显示。 方案三： 采用 LCD 液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样， 清晰可见，对于本设计而言一个 LCD1602 的液晶屏即可，价格也还能接受，需要的借口线较多， 但会给调试带来诸多方便。 所以本设计中方案三中的 LCD1602 液显示屏作为显示模块。2.32.3 信号产生模块的选型和论证信号产生模块的选型和论证方案一： 利用 R2R 型

15、DA 转换器 DAC0832 进行产生信号，把要产生的信号根据其规则建立一个 ROM 表，单片机每隔一段时间根据 ROM 表的值去改变数模转换器的电压输出值，如果 ROM 表示根据正弦变化记录的表则输出的波形则为正弦波，如此类推，只用通过改变时间的间隔即 可改变输出波形的频率。 方案二： 利用集成芯片 DDS 芯片 AD9833 进行产生信号，该芯片可以通过与单片机通信设定其输出 波形和频率，而且设定的频率精度非常高。DDS 芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累 加器和正弦计算器三个部分。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频 率控制码。 方案一由于使用的独立的 DA 转换器，设计比较灵活，只要预先先把波形的 ROM 表生产好 存储到单片机内即可输出，定频率的设定波形而选用 DDS 芯片则只需要通过固定的时序控制则 能方便产生设。但是由于 DDS 成本较为高昂，因此本设计选用 DA 转换器来实现波形产生的功 能。2.42.4 程控放大模块的选型和论证程控放大模块的选型和论证方案一： 选用 DAC0832 搭配外部电路构成程控放大器，由于 DAC0832 是一个 8 位 DA 转换器，因此能 设置成 256 档放大倍数。通过单片机控制 DA 转换器的数字端口即可改变放大倍数。 方案二： 选用 VCA8