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1、1、系统设计11.1设计规定11.2信号发生器的理论分析与设计方案31.3 设计方案41.4方案设计与论证51.5总体系统设计71.6硬件实现及单元电路设计81.7 软件设计流程111.8源程序132、输出波形的种类与频率的测试212.1测量仪器及测试阐明212.2测试过程212.3测试成果233、设计心的及体会244、参照文献251、系统设计 通过考虑，我们拟定方案如下：运用AT89S52单片机采用程序设计措施产生锯齿波、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，最后由示波器显示出来，通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，最后输出显示其
2、各自的类型以及数值。1.1设计规定设计一种采用D/A转换的波形发生器，例如产生矩形波、三角波、锯齿波、梯形波或正弦波及余弦波。规定进行电路仿真实验，并使用C语言进行程序的开发。1.1.1 课题的来源与技术背景不管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。随着国内经济和科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的规定，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。老式的信号发生器采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活。本设计充足运用单片机灵活的控制、丰富的外设解决能力，采用DDS技术，实现频率、幅值可调的函数波形的输出，同步可以根据
3、需要以便地实现多种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。根据其频率发生措施又可分为谐振法和合成法两种。一般的老式发生器都是采用的谐振法，即用品有频率选择性的回路来产生正弦振荡，来获得所需频率，也可以根据频率合成技术来获得所需频率。运用频率合成技术制成的合成波形发生器，一般被称为频率合成器或频率综合器。频率综合器是指运用频率合成技术合成的频率源，它常常是没有调制的，也没有足够宽的和足够精确的输出电平调节，其工作范畴往往也不宽，最小频率间隔也比较大，一般做专用设备使用，或做某一种系统中的一种构成部分。1.1.2 研究信号发生器的目的及意义波形发生器是信号源的一种，重要给被测电路提供所需
4、要的己知信号(多种波形)，然后用其他仪表测量感爱好的参数。可见信号源在多种实验应用和实验测试解决中，它的应用非常广泛。它不是测量仪器，而是根据使用者的规定，作为鼓励源，仿真多种测试信号，提供应被测电路，以满足测量或多种实际需要。目前国内己经开始研制波形发生器，并获得了可喜的成果。但总的来说，国内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，多为某些PC仪器插卡，独立的仪器和VXI系统的模块很少，并且国内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，因此加快对此类产品的研制显得迫在眉睫。函数波形发生器发展不久近几年来，国际上波形发生器技术发展重要体目前如下几种方面： （
5、1）过去由于频率很低应用的范畴比较狭小，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以便和容易。波形发生器一般容许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同步可以运用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几种比较简朴的公式复合成v=f(t)形式的波形方程的数学体现式产生。从而增进了波形发生器向任意波形发生器的发展，多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。目前可以运用可视化编程语言(如Visual Basic, Visual C等等)编写任意波形发生器的软面板，这样容许从计算机显示屏上输入
6、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合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规定，在诸多领域需要使用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，并且需要专门的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以便。（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，又重新繁华起来。但是目前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
7、执行多种功能。并且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。1.1.3 重要研究内容（1）理论基本分析。理解波形发生器的有关理论，涉及几种常用波形，如正弦波、方波等，然后简介了波形发生器的重要方案及原理。（2）硬件系统设计。重要涉及如下几种模块：键盘、LED显示电路；单片机系统；DAC芯片和放大电路设计。 （3）软件系统设计。重要有：系统总体流程设计；单片机程序设计；键盘响应程序设计；LED显示程序设计；DAC控制程序设计。（4）系统仿真调试。通过计算机进行模拟仿真调试。1.2信号发生器的理论分析与设计方案常用波形简介函数波形的一般体现式可以表达为 ，下面来简介几种常用的函数波形3：1.2
8、.1 正弦函数正弦信号与余弦信号，两者只是在相位上相差2，可以统称为正弦信号。其一般形式为 f (t)=Asin(t+ ) （1）式中，A 为振幅， 是角频率， 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 之间的关系为： （2）图1 正弦波形 在实际应用中常常遇到单边指数衰减的正弦信号，其波形如图2所示，体现式为： （3）图2 指数衰减的正弦信号波形1.2.2 方波波形函数 方波函数是一种常用的波形函数，其体现式为： （4）方波的波形如图2-3所示：图3 方波波形1.3 设计方案目前信号发生的重要实现措施由直接模拟法、直接数字法两种。
9、1.3.1 直接模拟法图4 直接模拟法框图这是老式函数发生器的简化基本构造，一般都是由自由振荡器产生原始波形，然后通过转换电路将原始波形转换成其她波形，在上图中三角波是由振荡器产生的，方波是三角波通过比较器转变而成的，正弦波是三角波通过一种波形整形电路（正弦波整形器）演变而来的，所需要波形通过放大和衰减输出，显然这种方式产生的波形种类有限，每增长一种波形，都要增长相应的转换电路，整个电路变得很复杂，最重要的是要产生顾客所需要的任意波形复杂的波形几乎不也许5。1.3.2 直接数字法直接数字法是采用直接数字合成（Direct Digital Synthesis）的措施实现信号产生。该技术具有频率转
10、换速度快、频率辨别率高、易于控制的突出特点。直接数字合成技术近年来发展得不久，而要产生任意波形就必须采用直接数字很成技术。随着DDS技术的发展，浮现了多种各样的直接数字合成的构造，但基本上可以发成两种：（1）基于地址计数器的数字频率合成法；（2）基于相位累加器的数字频率合成法。由于直接数字法在设计上的的长处，本课题设计采用的是基于地址计数器的直接数字合成法。1.4方案设计与论证 1.4.1 信号发生电路方案论证 方案一：通过单片机控制D/A，输出三种波形。此方案输出的波形不够稳定，抗干扰能力弱，不易调节。但此方案电路简朴、成本低。 方案二：使用老式的锁相频率合成措施。通过芯片IC145152，
11、压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再运用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。此方案，电路复杂，干扰因素多，不易实现。 方案三：运用ADC9851芯片构成的电路输出波形。ADC9851是精密高频波形产生电路，可以产生精确的三角波、方波和正弦波三种周期性波形。但此方案成本高，程序复杂度高。以上三种方案综合考虑，选择方案一。1.4.2 单片机的选择论证 方案一：AT89S52单片机是一种高性能8位单片微型计算机。它把构成计算机的中央解决器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机、并且其价格便宜。方案二：C8051F005单片机是完全
12、集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有原则8052的数字外设部件，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其她数字外设及功能部件，并且执行速度快。但其价格较贵以上两种方案综合考虑，选择方案一 1.4.3 显示方案论证 方案一：采用LED数码管。LED数码管由8个发光二极管构成，每只数码管轮流显示各自的字符。由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间隔不不小于1/16s时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。使用数码管显示编程较易，但要显示内容多，并且数码管不能显示字母。 方案二：采用LCD液晶显示屏1602。其功率
13、小，效果明显，显示编程容易控制，可以显示字母。以上两种方案综合考虑，选择方案二。1.4.4 键盘方案论证方案一：矩阵式键盘。矩阵式键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线都断开，行线都呈高电平。当某一种键闭合时，该键所相应的行线和列线被短路。方案二：独立式键盘。独立式键盘有一种电源和上拉电阻和按键构成。当按键按下时，运用单片机查询方式来进行相应的波形显示及频率值。 以上两种方案综合考虑，选择方案二。1.5总体系统设计该系统采用单片机作为数据解决及控制核心，由单片机完毕人机界面、系统控制、信号的采集分析以及信号的解决和变换，采用按键输入，运用液晶
14、显示电路输出数字显示的方案。将设计任务分解为按键电路、液晶显示电路等模块。图（1）为系统的总体框图 图5 总体方框图1.6硬件实现及单元电路设计 1.6.1单片机最小系统的设计89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简朴可靠。用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图（2） 89C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作某些小型的控制单元。其应用特点：(1) 有可供顾客使用的大量I/O口线。(2) 内部存储器容量有限。(3) 应用系统开发具有特殊性。图6 89C51单片机最小系统1.6.2 波形产生模块设计由单片机采用编程措施产生三种波形、通过DA转换模块DAC0832在进过滤波放大之后输出。其电路图如下： 图7 波形产生电路如上图所示，单片机的P0口连接DAC0832的八位数据输入端，DAC0832的输出端接放大器，通过放大后输出所要的波形。DAC0832的为八位数据并行输入的，其构造图如下： 图8 DAC0832的内部构造1.6.3 显示模块的设计通过液晶1602显示输出的波形、频率，其电路图如下： 图 9 液晶显示如上图所示，1602的八位数据端接单片机的P1口，其三个使能端RS、RW、E分别接单片机的P3.2P3.4。通过软件控
