袖珍函数信号发生器的设计

论文总字数：11324字

目 录

摘要1

Abstract2

1绪论3

1.1目的与意义3

1.2背景及发展现状3

1.3函数信号发生器的实现方法3

1.3.1利用数字频率合成方式的信号发生器3

1.3.2用分立元件组成的信号发生器4

1.3.3基于单片机的信号发生器5

1.4 课题要求5

2 信号发生器系统设计5

2.1系统方案的比较5

2.2 系统模块方案选择6

2.2.1控制模块方案选择6

2.2.2 D/A转换方案选择7

2.2.3 键盘方案选择7

显示方案选择7

2.3 系统总体方案设计7

3系统硬件设计8

3.1单片机最小系统8

3.1.1 单片机的介绍及资源分配8

3.1.2 单片机最小系统及组成部分简介8

3.2 D/A转换电路10

3.3 键盘模块11

3.4 显示模块12

4 系统软件设计13

4.1 主程序部分14

4.2 子程序部分14

5 系统测试14

5.1 软件调试14

5.2 软件仿真15

5.3 程序烧制15

5.4硬件调试16

5.5 结果展示16

5.6 瑕疵20

6 总结21

参考文献22

致谢23

附件

袖珍函数信号发生器的设计

柏洁

, China

Abstract:This topic using 51 single chip microcomputer and A/D conversion chip pcf8591 through the C language and assembly language prepared to achieve the occurrence of square wave this common waveform, also can through independent keyboard in a certain range change frequency and size, the magnitude of the size. The system control method is simple and convenient, and the cost is very high. It is found that the system performance is excellent, the output parameters are accurate, the amplitude range and the frequency range of the waveform can meet the basic needs of low frequency experiment.

KEY WORDS: Function generator STC89C52 MCU PCF8591

1 绪论

• 1. 目的与意义

函数信号发生器是普遍运用于系统检测调试、自动测量控制和实践教学等领域的多波形信号源。它可以得到正弦波、矩形波、锯齿波等多种多样的波形，因为其输出的波形可用数学函数表示出来，所以将其命名为函数信号发生器。其普遍应用于通信、雷达 、国防、测控以及现代化仪器仪表等领域。

信号发生器作为工业自动化领域必不可少的测量设备，在多数地方都倍受青睐，尤其是高科技领域如计算机、航天、生物医学、遥测控制、函数发生器等等。我国所研发的信号发生器虽然以及有了一定规模，但跟国外的技术比起来还是差远了，正所谓师夷长技以制夷，我们可以对国外的技术取长补短，研制出更先进更精确的信号发生器，对于促进工 业、农业等领域的发展提供了重大推动力。

目前市场上的发生器的频率大多都在几千甚至几万赫兹，不适用于学生实验室研究，而本课题的目的就是利用所学知识为基础再更深入的研究设计出输出低频率的函数信号发生器，所研究的与市场上的不同之处就在于袖珍二字上，方便携带，用于实验室研究。学生作为以后学术发展的重要推动力和发展力，研究出适合学生使用的函数信号发生器具有重要意义。

• 1. 背景及发展现状

信号发生器早在20世纪20年代就开始产生，经过二十几年的不断进步，到40年代时出现了标准信号发生器，到了60年代，信号发生器迅猛发展，开始出现函数信号发生器。到70 年代，由于微处理器的产生，能结合各种东西产生更复杂的波形。

到了现代信息事业迅猛发展的80年代，通过更深入的研究，台式的任意波形发生器降生了，虽然它依旧存在软件硬件升级困难，仪器可依赖性低等缺点，但这已经是非常优秀的发生器了。我国就是从80年代开始使用单片机的，初期虽然发展较快，但在国际市场上的所占比重依然不足为提。

90年代，虚拟仪器的概念应运而生，VXI总线系统的出现更是为虚拟仪器的成长注入了新活力，其所拥有的优势是普通台式机无法相提并论的。

到了现在这个集成电路技术高速发展的21世纪，智能化、人性化的操作平台使得更高要求的新型函数信号发生器成为可能 。

目前市场的信号发生器（低频、超低频、高频、超高频）大多通过RC振荡电路来改变电容电阻值，从而改变频率。这种方法不仅灵活性差，同时价格比较贵。而我们用51单片机加一个数模转换器即可制作出有效的多功能函数信号发生器，同时这样做出的发生器体积小易携带，并且价格低，性价比高，功耗也低。

• 1. 函数信号发生器的实现方法

信号发生器根据频率的产生方式分为两种—谐振法与合成法。比起合成法，更多的传统发生器选取谐振法。

下面简微介绍一下3种函数信号发生器的实现方法：

• • 1. 利用数字频率合成方式的信号发生器

直接数字频率合成（简称DDS）跟数字信号处理（简称DSP）一样是一种数字化技术，它能从一个单一（或混合）的频率源中产生任意频率的任意波形。DDS的基本电路包含电子控制器、晶振、随机访问存储器、计数器和数模转换器。DDS系统工作需要编程和运行两个操作阶段。

DDS技术是一种由相位概念出发直接合成所需波形的频率合成技术，由不同的相位给出不同的电压幅度，最后通过滤波、平滑输出所需要的频率，其实本质就是利用采样定理以参考频率源对相位进行等可控间隔采样。DDS一般由四部分组成：相位累加器PA、相位-幅度转换表、数字-模拟转换器以及低通滤波器。

其工作原理图如图1-1所示。

图1-1 DDS原理框图

DDS的结构框图如图1-2所示：

图1-2 DDS结构框图

该方案虽然能产生任意波形并且输出频率稳定性高，分辨率高，但是其输出频率同样高，不符合本课题要求输出低频率的要求，而且该方案成本高不合算。

1.3.2 用分立元件组成的信号发生器

传统的信号发生器多用这种方法，以函数信号发生器为例，它的制造方式是这样的：如图1-3 i、ii两张图所示，一目了然，可以清楚的看出信号的发展与走向。

图i.正弦式

图ii.脉冲式

图1-3 信号发生器的基本组成

但这种方法存在信号输出频率以及波形低差，工作不稳定，体积大，难调试等缺点，所以不合适。

1.3.3 基于单片机的信号发生器

利用单片机通过编程的方法来实现，本方法具有线路简单，便宜，频率稳定度高等优点。

• 1. 课题要求

由于我们要设计出袖珍函数信号发生器，袖珍即要求体积小易携带，我们可以通过减小输出波形频率来实现这一要求。函数信号发生器则要求可以输出可调节频率以及幅度的波形。所以决定设计出可以输出低频率并且可调节频率以及幅度的基础波形-方波。频率的调节范围定为0.1～20Hz，幅度可调节范围为0.1～5V。

2 信号发生器系统设计

2.1系统方案的比较

信号发生器有以下四种设计方案，在确定设计方案前我们对各个方案优缺点进行了横向纵向的比较：

方案一：利用MAX038芯片组成的电路输出波形。MAX038是单片精密波形产生电路，它能够精确的产生三角波、矩形波和锯齿波等多种周期性波形。但由于这个方案价格高，并且程序较复杂难懂，所以不合适。

方案二：利用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器。这种信号发生器的缺点是输出频率信号低并且可调节范围小，输出波形质量差，电路参数设定较复杂，其频率大小的测量较复杂，操作繁琐不便，所以不合适。

方案三：采用函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片。ICL8038芯片是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的高质量芯片。可惜它的缺点是其产生波形的同时会寄生一些高次谐波分量，虽然可以通过采用其他的方法过滤掉一小部分，但并不能去除干净。

方案四：利用STC89C52单片机通过编程等方法产生方波，然后通过数字-模拟转换器将数字信号转换成模拟信号，再通过滤波放大器放大，最终由显示模块显现出来，通过键盘来控制方波的频率及幅度变化，最终输出显示波形的种类及频率。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全通过软件仿真实现，而且设计时间短，操作简易，价格低，可靠性高。

由于方案四在满足课题要求的同时又简单易控制，所以采用方案四。

2.2 系统模块方案选择

该信号发生器有以下几部分组成：

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