函数信号发生器论文设计报告

摘 要 .............................................................. 1 一、方案设计与论证 ................................................. 2

1、信号发生电路方案论证 ................................................................................................................... 2

2、电压连续可调电路方案论证 ........................................................................................................... 2 3、单片机的选择论证 ........................................................................................................................... 2 4、显示方案论证 ................................................................................................................................... 2 5、键盘方案论证 ................................................................................................................................... 2

二、总体系统设计及模块实现 ......................................... 3

1、总体系统设计 ................................................................................................................................... 3

2、系统各模块的理论分析和实际设计 ............................................................................................... 3

2.1波形产生模块设计 ................................................................................................................... 3

2.1.1波形选择 ........................................................................................................................ 3 2.1.2频率调整 ........................................................................................................................ 3 2.2电压调整模块设计 ................................................................................................................... 4 2.3电压放大模块 .......................................................................................................................... 4 2.4电源电路模块设计 .................................................................................................................. 4

三、软件设计 ....................................................... 5

1、软件功能 ........................................................................................................................................... 5

2、频率步进流程图 ............................................................................................................................... 5

四、频率稳定性测试分析 ............................................. 5

1、主要测量仪器：稳压电源，示波器，计数器，数字万用表 ....................................................... 5

2、测试方法： ....................................................................................................................................... 5 3、测试结果： ....................................................................................................................................... 5

五、结论 ........................................................... 6 参考文献 ........................................................... 6 附 录 .............................................................. 7

摘 要

本设计采用 C8051单片机为核心，设计制作了可以步进调节频率的多波形信号发生器。芯片MAX038产生信号的频率可以通过调整电流、电压、电阻分别控制。该信号发生器能在100Hz～100kHz范围能输出可调的正弦波、方波、三角波。输出稳定性良好。电压可在0~5V连续调节。信号输出部分采用低损耗电流反馈型宽带运放作电压放大，很好地解决了带宽和带负载能力的要求。通过芯片C8051F005控制数据采集和硬件电路的电压及频率显示，通过键盘控制完成频率调节，操作简便，实现效果良好。

关键词：C8051芯片，MAX038芯片，LED数码显示管，741运放

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一、方案设计与论证

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。

方案二：使用传统的锁相频率合成方法。通过芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利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：利用MAX038芯片组成的电路输出波形。MAX038是精密高频波形产生电路，能够产生准确的三角波、方波和正弦波三种周期性波形。

以上三种方案综合考虑，选择方案三。

2、电压连续可调电路方案论证

方案一：采用μA741运放构成的放大器。简单易于操作。

方案二：采用数字电位器控制。数字电位器的数字控制利用串入、并出的加／减计数器在输入脉冲和控制信号的控制下可实现加／减计数。但在应用中数字电位器需要提供计数脉冲、电源、控制开关等，要比机械电位器在电路使用中复杂。

以上两种方案综合考虑，选择方案一。

3、单片机的选择论证

方案一：MCS-51系列单片机是一种高性能8位单片微型计算机。它把构成计算机的处理器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。但其内部无模数转化部件，使用时不太方便。

方案二：C8051F005单片机是完全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。除了具有标准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他数字外设及功能部件，而且执行速度快。

以上两种方案综合考虑，选择方案二。

4、显示方案论证

方案一：采用LED数码管。LED数码管由8个发光二极管组成，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，且显示达到要求，价格便宜。

方案二：采用LCD液晶显示器。功率小，效果明显，但价格较高。 以上两种方案综合考虑，选择方案一。

5、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。当某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线被短路。

2

方案二：编码式键盘。编码式键盘的按键触点接于74LS148芯片。当键盘上没有闭合时，所有键都断开，当某一键闭合时，该键对应的编码由74LS148输出，此方式键盘所需的I/O口少，节省了CPU的容量，反应简单便捷，反应速度快。

以上两种方案综合考虑，选择方案二。

二、总体系统设计及模块实现

1、总体系统设计

该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析及信号的处理和变换，采用按键输入，利用数码管动态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、数码管显示电路等模块。图2.1为系统的总体框图

数码管显示 单片机 按键 波形发生器 图2.1 系统总体框图

放大电路 输出 2、系统各模块的理论分析和实际设计 2.1波形产生模块设计

此模块采用MAX038构成函数信号发生器。图见附图1。

MAX038产生信号的频率可以通过调整电流、电压、电阻分别控制。所需的输出波形可由在A0、A1输入端设置适当的代码来选择，所有的输出波形都是对称于地电位的2V（峰-峰值）信号。MAX038工作电源为±5V。 2.1.1波形选择

MAX038可以产生正弦波、方波或三角波。具体的输出波形由地址A0和A1的输入数据进行设置，如表2.1所示（其中X = 无关）。波形切换可通过程序控制在任意时刻进行，而不必考虑输出信号当时的相位。 表2.1 输出波形控制 A0 A1 1 0 0 波形 正弦波 矩形波 三角波 X 0 1 2.1.2频率调整

输出频率调整方式分为粗调和细调两种方法。

3

（1）频率粗调取决于IIN引脚的输入电流，COSC引脚分别接电容量为3300PF或型号为104的电容 （对地）输出端（19引脚）最大可输出1MHz或100KHz的频率。 （2）频率的细调是在FADJ引脚施加一个±2.4 V范围的电压，可使输出频率的调节范围为f = （0.3～1.7） f0 （ 即f0 ± 70％f0）。 MAX038的输出频率还可以由一个电压源VIN与一个固定的电阻RIN串联来控制，输出频率f0为： fo(MHz)VIN(PF) RINCF改变VIN就可调整输出频率f0 。 2.2电压调整模块设计

利用精密电压基准IC LM431的输出电压是连续可调达36V这一性能来实现大功率可调稳压电源功能。具体实现电路如图2.1所示。 输出电压为

V2.5(R2R3)V

R3如果改变R2的阻值大小，就可以改变输出基准电压大小。在实际应用中输入电压5V，R2 = 0即输出电压V=2.5V。

+R1R2INLM431R3OUT

图 2.1 电压调整电路

2.3电压放大模块

电压放大器采用集成运算放大器μA741，该运放由双电源供电（±12V），接成负反馈形式，在2脚和地之间接入滑动变阻器，可通过改变滑动变阻器来改变放大倍数，可实现0-5V可调，由6脚输出信号。见附图2。

2.4电源电路模块设计

由于信号发生器所需的电源较多，特此自制了直流稳压电源。框图如图2.2。

18V

直流稳压电抑制纹波干扰电路

交流220V电源 电源滤波器 电源变压器 整流二极管 4

图 2.2 电源电路框图

电源电路原理图见附图3。

三、软件设计

1、软件功能

本系统采用C8051F005三十二位单片机。软件采用了实时操作系统，并采用其内部A/D转换器AIN0~AIN7引脚用于接收模拟电压信号，使其数码管显示其接收的电压值。

具体功能有：（1）各个功能的切换；（2）各种参数的设定；（3）频率步进等。 软件调通后，通过编程器下载到C8051F005芯片中，然后插到系统中即可完成所有的控制。

2、频率步进流程图

参考流程图见附图4。

四、输出波形的种类与频率的测试

1、主要测量仪器

稳压电源、示波器、计数器、数字万用表。

2、测试说明

正弦波、矩形波、三角波信号的输出，通过对输出端电位器R3的调节和波形选择端A0、A1的触发，来改变输出信号的频率和信号的种类。

3、测试过程

当频率选择端置于0 0时，观察示波器输出矩形波，当调节R3时可以改变输入的电压，从而改变输出频率并且频率在100Hz至100KHz可调；当频率选择端置于10时，观察示波器输出为三角波，频率输出范围与矩形波相同；当频率选择置于其它状态时，输出正弦波频率一样可调。

4、测试结果

各项指标均达到要求，并且大部分指标优于题目要求。 测试数据见表4.1和表4.2：

表4.1 基本部分测试数据

基本要求

产生正弦波、方波、三角波

输出频率可调范围 输出信号频率稳定度

—— 100Hz～100KHz 优于10-3

实际性能 实现 实现 实现

5

输出正弦波电压幅度

失真度

在1KΩ负载电阻上的电压峰-峰值0用示波器观察时无明显失真

实现

100Hz左右略有失真

表4.2 发挥部分测试数据

发挥部分 输出信号频率范围 具有频率设置功能，频率步进

输出正弦波电压幅度 显示输出信号类型、幅度、频

率和频率步进值

10Hz～1MHz 1KHz

在50Ω负载电阻上的电压峰-峰值0——

实际性能

由测试结果看出，输出信号频率低的时候有失真，分析其原因，主要是级间耦合和分布参数引起的。

五、结论

本系统可以准确产生正弦波、方波、三角波且稳定不失真，同时可实现输出频率可调范围在100Hz～100KHz之间，输出信号频率稳定度优于10-3，在1KΩ负载电阻上的电压值在0~5V，自制稳压电源输出电压稳定，并且可调。

参考文献

[1] 何宏．单片机原理及接口技术[M]．北京：国防工业出版社，2006

[2] 李忠国、陈刚．单片机应用技能实训[M]．北京：人民邮电出版社，2006

[3] 袁秀英、李珍．单片机原理与实验教程[M]．北京：航空航天大学出版社，2006 [4] 李珍、袁秀英．单片机习题与应用教程[M]．北京：航空航天大学出版社，2006 [5] 黄智伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计[M]．北京：航空航天大学出版社，2006 [6] 大学计划．MINIOS用户操作手册．北京：北阳科技，2003 [7] AD9850 Data Book［Ｓ］．Analog Device Inc．1999 [8] http：//www.chinadz.com

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附 录

附图1 波形发生器 REF+5VR110KR210KC20.1uF12REFGNDA0A1COSCGNDDADJFADJGNDIINV-OUTGNDV+DV+DGNDSYNCPD1PD0GND20191817161514131211C74.7KC.7KC60.1uFOUTC34.7KC40.1uF-5VA0A1C13453300PF6C91047812KR3910R4C80.1uFVi 附图2 电压放大电路 3.3K

R16.8K+12VRW110K723LM7416输出 14ViR33.6K5-12V

10KRW2 7

电源电路 4511RR地13始C原F4u30.C1V3+8014R22tu2oVW-R71531UML1JDAniV303C3P5ACC31R92C地7始4C原地88始87X211BC原CC678433CCCVVV555++-2333负VVV555++-50559020217887DNG7DNGDNG1nnn3iii15UUVUVV171022211CCC21R5R56R433CCVVCV522111++-333VVV555++-1负21529121217887DNG7DNGDNGnnn2iiiUVUVVU1122P8P9P5A4A4ACCCCCC11C1612293RCRCR5212CCC912DD3XDB1X345B72XXBB1T1214C35L2L4CCA2208

附图3 附图4 频率步进流程图 开始N判断是否有ADC0中断NY清ADCINT取转换结果,输出显示9