摘 要

本次设计为一个简易三角波信号测量系统，系统主体分为三个部分：信号产生部分、检测部分和显示部分。实际设计中，将信号检测部分和显示部分整合为一个部分。

信号产生部分需要产生一个幅值、频率、对称性可调的三角波信号，使用ICL8038集成芯片搭配一定的外部原件来实现信号的产生，再搭配外部高速运放对信号的幅值进行调整，频率1kHz～100kHz连续可调，对称性20%～80%连续可调，幅值0.5～4V连续可调。且能输出3种不同波形的信号。

信号检测部分通过单片机来设计实现，通过单片机STC8A8K64S4A12来对信号进行处理，获取信号的峰峰值、频率以及大致波形，然后再将结果送到12864液晶屏上进行显示，对上述信号发生器输出信号进行检测，检测误差最大10%左右。系统整体功能可靠，操作简单，具有很强的实用性。

关键词：单片机；三角波；信号产生；信号检测

Abstract

This design is a simple triangular wave signal measurement system, the main body of the system is divided into three parts: the signal generation part, the detection part and the display part.

In the actual design, the signal detection part and the display part are integrated into one part. The signal generation part needs to produce a amplitude, frequency, symmetry adjustable triangular wave signal, using ICL8038 integrated chip with a certain external original to achieve the signal generation, and then with the external high-speed right side signal amplitude adjustment, frequency 1khz~100khz continuously adjustable, symmetry 20%~80% Continuous adjustable, amplitude 0.5~4v continuously adjustable.

and can output 3 kinds of different waveform signal. The signal detection part is designed and realized by the single-chip microcomputer, the signal is processed by the SCM Stc8a8k64s4a12, the peak peak, frequency and approximate waveform of the signal are obtained, then the result is sent to the 12864 LCD screen to display, the output signal of the signal generator is detected, the maximum error is 10 About The whole system is reliable, easy to operate, and has strong practicability.

Key words: MCU;triangular wave;signal generation;signal detection

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1选题的背景及意义 1

1.2 设计的内容与目标 2

1.3 论文结构 2

第2章 方案选择与分析 3

2.1 信号发生部分 3

2.2 信号检测部分 4

2.2.1 幅值检测 4

2.2.2 频率检测 4

2.2.3 斜率检测 5

2.2.4 运算芯片选择 5

2.3 整体方案设计 6

第3章 系统硬件电路设计 7

3.1信号产生部分 7

3.1.1 ICL8038芯片介绍 7

3.1.2 TL082简介 8

3.2 信号检测及显示部分 11

3.2 1STC8A8K64S4A12单片机简介 11

3.2.2 LCD12864简介 12

3.2.3 电路各部分介绍 13

第4章 系统软件设计 16

4.1 Keil uVision简介 16

4.2 主程序设计 16

4.3 初始化 17

4.4 信号的采样 18

4.5 信号幅值的获取 19

4.6 信号频率的获取 20

4.7 信号波形曲线的绘制 21

第5章 结论与展望 23

5.1 结论 23

5.2 展望 24

第6章 总结 25

参考文献 26

附录A 主要程序 27

致 谢 43

绪论

本章主要对选题背景和设计内容进行介绍，并简要说明了全文结构。

1.1选题的背景及意义

随着电子技术的发展和电子化的推进，电信号已成为应用最广泛的信号之一。电信号是随着时间而变化的电流或者电压，基于这一特性，可将电信号描述为与时间相关的波形。信号承载着信息传递这一功能，而电信号可以通过改变自身的各种电特性（幅值、频率等）来实现信息的传递。在这样的大背景下，电信号的产生以及检测就成为了十分重要的一环。

有电就有电信号，但我们常说的电信号是指哪些有规律的、有价值的电信号，没有规律的东西我们很难分析其中的内容，也很难将其利用起来。电信号通常由信号源产生，信号源有很多，信号发生器是其中的集大成者，能为我们提供各种不同参数的电信号，对其进行研究探索很必要，许多人也致力于此。经过多年发展，其实现技术发生了很大变化，功能更加多样，实现也更为简单。数字化取代了模拟信号处理，数字化、智能化和网络化正改变着传统的信号源^[1]。数字化的是当前的主流，在信号的分析处理中也一样，我们将各种信息转化为二进制数据，送入计算机中进行批量处理，将大量的运算交给计算机去完成，提高了效率，简化了设计。数据的采集是数字化中的重点，通常使用模数转换器来实现。当然，模拟器件还不会就此消失，还是有其能发挥作用的地方。

随着信息化的不断推进，各种电子设备已经普及，应用在各种场合，没有人能离得开。因此，对电子设备中的电信号的研究便是电子信息工程中一个非常重要的内容。在工程实践中，保证信号波形的准确是十分必要的，故相应的就需要对信号的检测设备进行研究，检测设备越精确，就越能保证信号的准确性。信号发生器可以产生我们需要的信号波形，而相应的我们也需要对信号进行测量，分析其各种特性参数来解读其中的信息。无论是什么方向的研究，检测设备都是研究中必不可少的重要工具，工具的好坏在一定程度上也决定了最终的结果，这便是本次选题的意义，设计一种能对特定信号进行检测的设备。

三角波是电信号的一种形式，是提供给信号源合成和任意波形发生器的标准信号波形之一，在波形测量及分析中获得了广泛应用^[2]，比如在测量系统的码分辨力测量、漂移特性测量，因此在实际应用中，三角波信号的各种参数越精准，就越能完成相应的设计功能。要想实现这一点，不仅需要信号的产生部分工作正常，还需要对产生的三角波进行测试，分析出三角波信号的各种特性，从而观察其是否符合需求。其他电信号也是如此，越精准，就越能满足日益严格的需求。

基于我们对信号的检测需求，本次设计了一个简单的信号检测设备，能满足简单的信号参数检测，具有使用简单、操作方便、显示直观等优点。控制运算的核心为单片机，显示器为液晶屏。此外，还有一个简单的信号源，能产生参数灵活可调的各种信号。

1.2 设计的内容与目标

本次设计是一个三角波测量系统，能产生要求的三角波并对其进行测量并分析其特性。系统主要包括：信号发生器电路、参数测量电路以及显示电路。图1.1为三角波信号波形图。

图1.1 三角波信号

三角波发生器电路中三角波的幅度、占空比、频率可调，变化范围如下：

频率范围为1k～100kHz；

占空比（图1.1中的上升时间/周期）可调，调节区间：20%～80%；

幅度（即图1.1中OC）范围0.5V～4V。

在以上条件下，能完成三角波幅度的测量、频率的测量、斜率的测量，并输出结果，误差要求均不大于10%。

从以上要求中可以看出，我们需要设计两部分内容：三角波的产生、三角波的检测。信号参数检测的方法有一定的相似之处，可以尝试进行扩展，比如完成对其他波形的检测。

1.3 论文结构

本文系统的对本次设计进行了介绍，第一章主要介绍了选题的背景，并对设计的内容于目标进行了详细的描述；第二章提出了针对信号的产生和信号的检测的不同设计方案，并对各个设计方案进行分析，最终选择一个可行有效的方案进行设计。第三章介绍了选题中硬件部分的设计，包括对主要器件的简单介绍，部分设计仿真以及原理图的说明；第四章为系统的软件设计部分，先从整体上介绍了功能的实现，再具体到某一部分的详细分析说明；第五章为结论以及展望，这一部分主要展示了设计的成果并提出设计中的缺点并给出改进方案；第六章为总结，对本次设计进行整体性的概括。

方案选择与分析

2.1 信号发生部分

方案一：使用分立元件实现。分立元件是所有器件的基础，能实现许多功能，不同的搭建方式，完成不同的功能，产生不同的信号，由于设计中需要三角波的占空比能够调节，故需要先产生一个占空比可调对方波，再通过积分电路，将方波转换为三角波。同时由于还需要满足频率和幅值的需求，无法使用普通的运算放大器，普通运算放大器无法满足100kHz这么大的使用需求，只能对很低频率的信号进行放大处理，需要选用增益带宽积较大的运算放大器。采用分立元件组成的函数信号发生器存在输出波形质量差、控制难、可调范围小电路复杂和体积大等诸多缺点，所以目前只在少数场合下使用^[3]。

方案二：使用NE555,再搭配外部原件进行实现。555定时器是我们熟悉的一种器件。只要外接适当的电阻、电容等元件，可方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路^[4]。先产生的方波信号，然后转化为三角波信号。使用该方式，无法控制幅度，因此需要后面添加相应的幅度控制电路。使用常见的NE555电路产生信号时，信号的频率和占空比可能会相互影响，这一点可能需要特别设计。但是信号产生同样不够直接，由于可调参数过多，所以考虑起来会比较复杂。

方案三：使用ICL8038芯片，搭配外部电路，实现信号产生。ICL8038是一种精密震荡集成电路，具有多种输出波形。只要配以相应的简单外围电路，就能产生多种信号波形，能够达到较高的频率，并且易于调试，即可调整信号频率，也可以调整输出的幅度与占空比^[3]。最大的优势在于，能直接产生我们需求的信号，使用这种方式同样无法控制信号幅度。但是频率和占空比的控制实现起来比较简单，电路不复杂，并且信号稳定，只使用简单硬件就能实现。其对电源电压要求比较大，至少需要单极性电源10V，电源方面需要单独设计，或者借助电源适配器。

方案四：使用AD9850模块，配合控制电路构成信号发生器。AD9850采用直接数字合成（Direct Digital Synthesizer）技术，内含可编程DDS系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成^[5]。AD9850具有十分强大的信号生成能力，能产生零到几十兆不等频率的信号，在如此大的频率范围下，仍然能正常完成微小的频率调节和一定的相位调节。这个方案具有最强的信号产生能力，频率范围最大，但只能输出正弦波和方波，三角波还是需要外部电路进行转化。直接数字频率合成技术有很大的优点，比如其精度、稳定性高，可以实现非常细微的频率调节，一旦调节完毕，输出的信号就不会出现改变，不受外部条件影响。但是使用该模块必然得配合相应的控制电路，将需要的信号参数写入其中，控制起来不够简单直接，对于本次设计来说，没有必要产生这么大范围的频率，会使问题变复杂且工作量巨大。

经过比较后，个人认为使用ICL8038芯片来实现信号发生器是一个不错的选择，首先，ICL8038芯片能产生的信号完全符合本次选题的要求，能产生我们需要的三角波，在这基础上，还能产生方波和正弦波，而且实现相对简单有效。常见的正弦波-方波-三角波转换电路，由于电路复杂，所以导致波形不完整、容易产生畸变的原因有很多^[6]，无法保证能达到需求的效果，虽然一切设备的起源和基础都是分立元件，但只使用分立元件还是过于困难。AD9850具有十分强大的信号生成能力，但是，信号发生器只是本次设计的一部分，还有信号检测部分需要完成，使用AD9850则必然要配合相应的控制单元，将对后续的设计和编程提出不小的挑战。NE555无法直接进行三角波各参数的调节，需要通过转化来实现，相较而言，其没有优势。

2.2 信号检测部分

对信号参数的检测，都是以数字化的方式来实现的，所以检测部分需要考虑的，是数字化后的算法方面的内容。

2.2.1 幅值检测

测量信号幅值，方法多种多样。峰值检波法是其中最简单的，能直接给出信号的幅度，而且结果输出十分迅速，应用广泛，能检测各种信号，但由于过于简单，其输出结果受外界因素的影响是最大的，外界随机噪声、量化误差均会对其造成影响，当外界影响较大时，这种方法或许就不那么实用了，简单是其最大的优点。平均值检波法和有效值检波法也是常用幅值检测方法，相比于峰值检波，有更高的检测精度，但是计算更为复杂，测量条件的要求更加严格，需要知道信号的模型，得出结果耗费的时间相对较长，实时性不如峰值检波，准确是其优点。本设计中，采用的是峰值检波法，设计中信号产生后直接进行检测，外界影响不大，且实现简单。

2.2.2 频率检测

测量信号的频率，方法也很多，通常为直接测频法（M法）和测周法（T法）。频率就是单位时间内有多少个周期，常见信号可以转换或理解为脉冲信号，单位时间内，每有一个信号脉冲，频率计数就自动加一，在单位时间后，查看计数的值就能直接得出信号的频率，这种方法通过计数可以直接得出信号的频率，但是不适用与低频信号，因为其脉冲误差对低频信号影响较大，所以常用这种方法测量高频信号；频率与周期有关，所以另一种测量方法便是先测量信号的周期，然后直接进行换算，可以得出信号的频率，这种方法最重要的就是时间的计量，准确获取信号周期是结果准确的关键，由于是通过换算实现，还涉及到一些计算，对于频率高的信号，误差影响较大，频率高的信号周期小，一点记时错误就会造成很大影响，故常用于测量低频信号。除了上述两种方法之外，还有一种将两种方法进行结合或者搭配的方法，就是M/T法，这种方法的实现不固定，可以是特定频率用特定方法，也可以是两种方法同时使用，最后对比两种结果得出结论。在本次设计中，由于产生的信号频率并不高，所以我们使用的是测周法。

2.2.3 斜率检测

斜率无法直接进行测量，考虑的方案主要有两个，一个是通过信号的幅值结合信号的上升时间进行计算从而得出信号的斜率，另一个则是通过显示出信号的波形，以波形来直观的观察信号的斜率。最终决定通过显示波形的方式来表示信号的斜率，通过在显示设备上绘制信号大致波形，简单观察其斜率。这样做的好处在于，能简单观察信号斜率，还能分辨不同种类的信号。

2.2.4 运算芯片选择

信号检测部分我们需要使用数字化技术来实现，所以我们需要选择一个能处理数字信号的器件，常见的有：单片机、FPGA等，专用的有：DSP芯片。

单片机是一个比较完整的微型计算机系统，能完成数字信息的分析处理，并能通过其各种端口控制外部的电路或器件，本次测量的是模拟信号，所以需要考虑模拟数字信号的转化，现阶段，部分增强型的51单片机内部已经集成了用于该功能的ADC，再加上单片机内部有一定的数据存储空间，能方便的存取数据，将采集的信息直接存入单片机，能简化设计。

FPGA是强大的可编程器件，我们可以通过编程对其功能进行各种各样的改变，可以说我们可以使用FPGA来定制某一特定的功能。功能强大，但是自己的能力是否允许，自己通过VHDL语言模拟过简单的逻辑器件，但是使用FPGA来开发一个完整的工程，不知道自己能否完成。

DSP芯片是专门用于数字信号处理的芯片，相比于通用的微处理器，其通用功能较弱，但是数字信号处理能力强，运算速度快，可并行执行多个操作，数据处理方面有很灵敏度。但是本次设计中对数据处理的时效性要求没有这么高。但自己从未使用过DSP芯片，不够熟悉。

最终决定使用单片机进行实现。首先，对于本次设计中的数据，单片机有这个处理能力；其次，某些单片机内部已经扩展了ADC，可以直接在单片机内部完成模拟数字信号的转化而不需要外加电路，最后，单片机还可以比较简单的实现对显示电路的控制。

检测部分，选用一个带有ADC的单片机来进行实现，使用峰值检波法测量信号幅值，使用测周法测量信号的频率，完成信号参数的计算后，单片机控制显示设备将信号参数显示在显示设备上。

2.3 整体方案设计

图2.1 系统组成框图

如图2.1所示，系统由三部分组成，信号发生器、信号检测以及显示部分。

信号发生部分使用ICL8038芯片搭配外部电路设计完成，设计整体为纯硬件电路，整体通过硬件来实现波形的调整、控制与输出。

信号检测部分由于涉及到信号的处理与计算，所以需要软件和硬件来共同完成，可以使用单片机或者FPGA等来实现，这里我们选择STC8A8K64S4A12单片机作为检测部分的核心，完成数据的处理，得出需要测量的参数，并控制显示部分将结果显示出来，显示部分使用12864液晶。

利用单片机配合液晶来设计制作一个简易的数字示波器，能显示信号的波形、幅值以及频率。示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，是一种有效的信号检测工具^[7]。选择制作简易示波器的原因如下：首先，本次设计为对三角波信号的各种参数的检测，使用示波器完全能满足设计需求；其次，示波器是我们平常经常需要使用到的工具之一，自己制作一个，能对自己的能力和对示波器的认识是一个很大的提升；最后，能在设计需求之上有所拓展，不仅能检测三角波信号，还能对正弦波、方波等信号进行检测。

数字示波器的实现，需要完成信号的采集、A/D转换、数据的分析与处理、结果的显示等一系列工作。模数转换器（ADC）将待测信号转换为数字信息，捕获到的信息需要足够描绘出信号波形，将这些信息利用起来，对其进行各种运算，便能得到信号的不同参数。

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