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1、波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实 验等领域。函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含 方波）、正弦波的电路。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。1 - 1课题背景顾名思义，信号发生器是作为电子测量激励源的信号来源。大多数电路要求某种幅 度随时间变化的输入信号。信号可以是真实的双极AC1信号（峰值在接地参考点上下振 荡），也可以在DC偏置（可正可负）范围内变化。它可以是正弦波或其它模拟函数、数 字脉冲、二进制码型或纯任意波形。信号发生器可以提供“理想”的波形，它可以在其 提供的信号中增加已知的、数量和类型可重复
2、的失真（或误差）。参见图2。这一特点是 信号发生器最大的特点，因为通常不可能只使用电路本身在所需的时间和地点创建可以 预测的失真。在存在这些失真的信号时，DUT响应可以揭示其处理落在正常性能条件外 的极限情况。目前，大多数信号发生器基于数字技术。许多信号发生器可以同时满足模 拟信号和数字信号要求，但最高效的解决方案通常是为手边的应用（模拟应用或数字应 用）优化功能的信号发生器。任意波形发生器（AWG）和函数发生器主要针对模拟信号应 用和混合信号应用。这些仪器采用采样技术，构建和改变几乎可以想到的任何形状的波 形。一般来说，这些发生器有1-4个输出。在某些AWG中，还使用单独的标尺输出（协 助触
3、发外部仪器）及以数字形式表示每个样点数据的同步数字输出，以补充这些主要的 采样模拟输出。数字波形发生器（逻辑源）包括两类仪器。脉冲发生器驱动来自少量输 出的方波或脉冲流，其频率通常非常高。这些工具最常用于对数字设备执行测试。码型 发生器也称为数据发生器或数据定时发生器，一般提供8条、16条或更多的同步数字 脉冲流，作为计算机总线、数字电信单元等的激励信号。理解波形“波”可以定义为在某个时间间隔上重复的变化量值的模式。波具有共同的特点， 如声波、脑电波、海浪、光波、电压波等等。所有这些都是定期重复的现象。信号发生 器通常生成以可控方式重复的电（一般是电压）波。每个完整重复的波形是一个“周期”。
4、波形是以图形方式表示波的活动，即随时间变化情况。电压波形是典型的Cartesian图， 横轴是时间，竖轴是电压。注意，某些仪器可以捕获或生成电流波形、功率波形或其它 波形。波形有许多特点，但主要属性与幅度、频率和相位有关：幅度：衡量波形电压“强 度的指标。幅度在AC信号中一直变化。信号发生器可以设置电压范围，如3V到+3 Vo这将生成在两个电压值之间波动的信号，变动速率取决于波形和频率。频率：整个 波形周期发生的速率。频率的单位是赫兹（Hz）,原来称为每秒周期数。频率与波形周期 （或波长）成反比，后者是衡量相邻波上两个类似波峰之间距离的指标。频率越高，周期 越短。相位：在理论上，相位是波形周期
5、相对于0度点的位置。在实践中，相位是周期 相对于参考波形或时点的位置。正弦波可以最好地解释相位。正弦波的电压电平在数学 上与圆周移动有关。与整个圆一样，正弦波的一个周期会经360度。正弦波的相角描 述了周期经过的时间。两个波形可以有完全相同的频率和幅度，但相位不同。相移也称 为延迟，描述了两个类似的信号之间的定时差，如图4所示。相移在电子器件中十分 常见。波形的幅度、频率和相位特点是信号发生器用来优化几乎任何应用的波形的构件。 此外，还有其它参数进一步定义了信号，在许多信号发生器中，这些参数也作为受控变 量实现。基本波波形分成多种形状和形式。大多数电子测量使用一个或多个下述波形，通常会增加 噪
6、声或失真：正弦波可能是最容易辩认的波形。大多数AC电源都产生正弦波。住宅中 墙上插座以正弦波的形式传送电源。正弦波几乎一直用于初中教学的电气和电子原理演 示中。正弦波是基本数学函数的结果，直到360度画一条正弦曲线，可以得到一个确定 的正弦波图像。方波和矩形波是位于所有数字电子器件核心的基本形式，另外它们还有 别的用途。方波是以相等的时间间隔在两个固定电压电平之间开关的电压。它通常用来 测试放大器，应能够快速复现两个电压电平之间的转换（也就是前面所说的上升时间和 下降时间）。方波为数字系统提供了理想的计时时钟，如计算机、无线电信设备、HDTV 系统等等。锯齿波和三角波的几何形状与它们的名字非常
7、象。锯齿波在每个周期中缓慢 均匀地上升到峰值，然后迅速下降。三角波的上升时间和下降时间比较对称。1 2设计指标设计一个基于AT89C51的多波发生器系统具体化技术指标如下。1、频率1 Hz1MHz,被测温区在-55C至+150C之间，误斧0. 1C；2、幅值05V。3、波形稳定，质量高。1.3本文的工作详细分析课题任务，对多波发生器历史和现状进行分析，并对单片机控制的原理 进行了深入的研究，并将其综合。然后根据课题任务的要求设计出实现控制任务的硬件 原理图和软件，并进行访真调试。第2章系统方案实现多波发生器的方法有多种，可以用分立元件组成的函数发生器；也可以用专用 直接数字合成芯片的函数发生器
8、，也可以用基于单片机的数字化函数信号发生器。当然 每一种方案都有其各自的优点。本章详细列举、说明了三种不同实现多波发生器的方案、 并分别画出了其原理方框图，对三种方案的优缺点进行了对比，选出了最佳控制方案。2.1方案论证2. 1. 1方案1(1) 硬件组成：各种分立元件，如积分器，放大器，缓冲器等。(2) 工作原理：以正弦式函数信号发生器为例来讲解一下应用分立元件组成的传统 信号发生器的制作方法。正弦式函数信号发生器工作过程是正弦振荡器输出正弦波，经 缓冲级隔离后，分为两路信号，一路送放大器输出正弦波，另一路作为方波形成器的 触发信号。方波形成器通常是施密特触发器，它输出两路信号，一路送放大器
9、，经放大 后输出方波另一路作为积分器的输人信号。积分器将方波变换为三角波，经放大后输 出。(3) 系统原理框图：输出级图2.1正弦波的产生原理2. 1.2方案2(1) 硬件组成：专门的函数发生器芯片。(2) 工作原理：利用专门的函数发生器集成芯片能产生多种波形，达到较高的频率，外围电路简单且易于调试。2. 1.3.方案 3(1) 硬件组成：单片机，D/A转换电路，键盘，显示器。(2) 工作原理：89C51芯片是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行, 产生各种各样的信号，并从键盘接收数据，进行各种功能的转换和信号幅度的调节。当 数字信号经过接口电路到达转换电路，将其转换成模拟信号也就是
10、所需要的输出波形。(3) 系统原理框图：图2. 2单一波形发生器实验电路框图2. 2论证分析(1) 方案1采用分立元件制作而成，元件数量多，而且每一种波形都需要一套元件, 这就导致系统不稳定，可靠性差，这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小， 电路复杂和体积大等缺点,而且成本比较高。(2) 方案2采用专门函数发生芯片制作而成，元件数量少，利用专门的函数发生器 集成芯片能产生多种波形，达到较高的频率，外围电路简单且易于调试。早期的函数信 号发生器芯片，如、甩等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有，无法产生更 高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者相互影响。(3)
11、 方案3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。基于单 片机的数字化函数信号发生器具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度 高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使 其满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。综上所述：方案3是无论是从经济方面、科学性还是从实现的容易程度上都优于 其它两个方案，不失为最佳的选择。最终方案论述：鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二的
12、电路复杂，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 几种元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。整个系统由软件和硬件两部分组成。本章详细介绍了系统的硬件和软件设计，并对 硬件和软件的每一个部分进行了分析，在后半部分还对系统模型进行了访真与程序调 试。硬件和软件的每一个坏节都是深思熟虑而成，各自完成相应的功能并组成一个统一 的整体。2. 3设计思想(1) 利用单片机产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形，信号的频率和幅 度可变。(2) 将
13、一个周期的信号分离成256个点(按X轴等分)，每两点之间的时间间隔为At, 用单片机的定时器产生，其表示式为：At=T/256o如果单片机的晶振为12MHz,采用 定时器方式0,则定时器的初值为：X=213AT/Tmec(2.1)定时时间常数为：TL= (8192At) /MOD256(2.2)TH=(8192At)/256(2.3)MOD32表示除32取余数(3) 正弦波的模拟信号是D/A转换器的模拟量输出，其计算公式为：Y= (A/2sinAt) +A/2 (其中 A=VREF)(2.4)At=NAT(N= 1-256)(2.5)那么对应着存放在计算机里的这一点的数据为:D = （Yx25
14、5）/心（sind；255边）（4）一个周期被分离成256个点，对应的四种波形的256个数据存放在以TAB1TAB4 为起始地址的存储器中。第3章系统硬件设计3. 1 DAC0832芯片介绍0832采用双缓冲接口方式，其传送控制端接地，输入锁存允许中断ILE与+5V电 源相连，利用一个地址码进行二次输入操作，完成数据的传送和激动转换，第一次操作 是P2.6为高电平，将P0 口数据线上的数据锁存于DAC0832的输入寄存器中。第二次操 作是写控制信号有效，传送控制端为低电平，将输入寄存器中的内容锁存入0832的CSVCCWR1ILE(BY1/BY2)GNDWR2DI3XFERDI2DI4DI1D
15、I5D10DI6VREFDI7RFBI0UT2GNDIOUT1DAC083209876543211 1 1 1 1 4 1. 1 17 8O图3.1 DAC0832内部引脚图DAC寄存器中，D/A转换器便开始对锁存于DAC寄存器的8位数据进行转换，约经过 1/2时钟周期后，在输出端(I0UT2 -I0UT1)建立稳定的电流输出。运放的作用是将0832 输出的模拟电流信号转换为电压波形。DAC0832为一个8位D/A转换器，单电源供电， 在+5V+15V范围内均可正常工作。基准电压的范围为10V,电流建立时间为1U s,CMOS工艺，低功耗20mW。DAC0832芯片的工作原理如下图所示: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）。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高 阻抗的线性运算放大器实现这个功能。运放的反馈电阻可以通过RFB端引用片内固有电 阻，还可以外接。D0D7：数据输入线，TTL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。Ioutl：电流输岀线。当输出全为1吋Ioutl最
