多功能函数信号发生器设计
摘 要
本次课程的内容是设计一个能产生正弦波、矩形波、三角波的电路的函数信号发生器。
方波与三角波发生器由集成运放电路构成，包括比较器与RC积分器组成。方波发生器的基本电路由带正反馈的比较器及RC组成的负反馈构成；三角波主要由积分电路产生。三角波转换为正弦波，则是通过差分电路实现。该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度大小由稳压管的稳压值决定，方波经积分得到三角波；而正弦波发生电路中两个电位器实现正弦波幅度与电路的对称性调节，实现较理想的正弦波输出波形。
由比较器与积分器组成的方波三角波发生器，比较器输出的方波信号经积分器生成三角波，再经由差分放大器生成正弦波信号。其中方波三角波生成电路为基本电路，添加电位器调节使其频率幅度改变；正弦波生成电路采用差分放大器，由于差分放大电路具有工作点稳定、输入阻抗高、抗干扰能力较强等优点，特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
关键字：函数信号发生器 方波 三角波 正弦波
目 录
第1章 设计任务与要求................................................................................................. 1
第2章 方案与论证........................................................................................................ 1
2.1 方波产生的原理................................................................................................... 1
2.2 三角波产生的原理................................................................................................ 1
2.3 正弦波产生的原理................................................................................................ 2
2.4 总方案的确定....................................................................................................... 2
第3章 单元电路的设计与参数的计算............................................................................ 2
3.1 方波信号产生单元................................................................................................ 2
3.2 三角波信号产生单元............................................................................................ 3
3.3 二阶低通滤波....................................................................................................... 4
3.4 元器件的选择....................................................................................................... 5
第4章 仿真与调试........................................................................................................ 5
第5章 结论与心得........................................................................................................ 7
参考文献.......................................................................................................................... 7
第1章 设计任务与要求
1、掌握正弦波、方波、三角波的波形产生原理，给出波形产生电路总体方案。
2、确定各单元电路中各元器件具体参数。
3、焊接电路板，进行调试。
4、方波峰-峰值UP-P>=6V
三角波峰-峰值UP-P>=10V
正弦波输出波形稳定、平滑
5、编写设计说明书，要求：
给出设计总体方案；设计电路图，附件中列出元器件清单；论述电路原理；各单元电路功能；计算出各级信号频率、幅值；给出信号输出的波形图；格式见模电实验指导书。
第2章 方案与论证
2.1 方波产生的原理
方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路。电路实际上由一个滞回比较器和一个RC充放电回路组成。通过改变滞回比较器的输出端的电压，使其在高电平和低电平之间跳变，产生了正负交替的矩形波。
2.2 三角波产生的原理
三角波产生电路主要是积分电路的正向和反向充放电时间常数相等。输入电压通过电阻R加在集成运放的反相输入端，并在输出端和反相输入端之间通过电容C引回一个深度负反馈，组成积分电路。利用积分电路的输出电压反复改变，成为周期性重复的三角波。
2.3 正弦波产生的原理
正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。振幅平衡和相衡是正弦波振荡电路产生持续振荡的两个条件。
2.4 总方案的确定
经过比较和计算，我们选择了以下方案。
第3章 单元电路的设计与参数的计算
设计出的多功能函数信号发生器采用+12V—12V双电源，电路图如下所示，用来输出方波，三角波，正弦波。
3.1 方波信号产生单元
工作原理：U+电压上升到U-=U+时，滞回比较器的输出端将发生跳变，由高电平跳变为低电平，U-电压下降到U-=U+时，滞回比较器的输出端将再次发生跳变，由低电平跳变为高电平，以后又重复上述过程。滞回比较器的输出端反复地在高电平和低电平之间跳变，于是产生了正负交替的矩形波。
3.2 三角波信号产生单元
上图各量表达式如下：
式中电阻与电容的乘积称为积分时间常数，在输出端和反相输入端之间通过电容引回一个深度负反馈，组成了积分电路。滞回比较器的输出加在积分电路的反相输入端进行积分，而积分电路的输出又接到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变。
3.3 二阶低通滤波
二阶低通滤波器，与一阶低通滤波器相比，下降的速度提高一倍，使滤波特性比较接近于理想情况。
3.4 元器件的选择
任务中要求方波的峰值UP-P>=6V，理论上方波的峰值UP-P=2UZ，经过上网查找以及有关资料的阅读，最终选择了稳压管型号为BZV60-C6V2。而要求三角波的峰值UP-P>=10V理论上三角波的峰峰值UP-P=2(R3/R2)UZ。所以最终选择选择了R1=R4=R5=R6=10KΩ，R2=15KΩ，R3=20KΩ。
第4章 仿真与调试
１没有输出信号：调试时，输出端口并不能收集到相应的波形。
原因：在接地端没有引出地线。
第5章 结论与心得
我这次的选题是多功能函数信号发生器，经过好几天的努力，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我失落过，也曾一度激情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长；生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固。在设计中遇到的很多专业问题，最后在老师、同学的辛勤指导下，终于顺利完成了。
参考文献
[1] 王小平. 模拟电路实验与课程设计[M]. 石家庄铁道学院电工基础教研室
[2] 邵舒渊. 模拟电子技术基础实验[M]. 西北工业大学出版社
[3] 杨素行. 模拟电子技术基础简明教程[M]. 高等教育出版社
第二篇：论文 基于单片机的多功能函数信号发生器设计开题报告 长江大学
基于单片机的多功能函数信号发生器设计
学生：xxx，电子信息学院
指导教师：xxx，电子信息学院
一、课题来源
为了实现输出多种波形的功能，基于单片机的控制及各电子器件与单片机间的联合，编写相应的软件，设计一种信号发生器。以适应各种理论研究。
二、研究的目的和意义
函数发生器亦称信号发生器，主要作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，波形种类多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。用分立元件组成的函数发生器，通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试;用集成芯片的函数发生器，可达到较高的频率和产生多种波形信号,但电路较为复杂且不易调试。利用单片集成芯片的函数发生器，能产生多种波形,达到较高的频率,且易于调试;利用专用直接数字合成DDS 芯片的函数发生器，能产生任意波形并达到很高的频率,但成本较高。
函数发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的一般可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是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。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC要很大。大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证。体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。
利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其频率底线很低。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。
三、参考文献及资料名称
【1】 徐爱钧，智能化测量控制仪表原理与设计，北京航空航天大学出版社，2004
【2】 徐爱钧，单片机原理实用教程-基于Proteus虚拟仿真（第2版），电子工业出版社，2011
【3】 周润景等，基于PROTEUS的电路的及单片机系统设计与仿真，北京航空航天大学出版社，2006
【4】 余永权等，单片机在控制系统中的应用，电子工业出版社，2006
【5】 周灵彬，PROTEUS的单片机教学与应用仿真，单片机与嵌入式系统应用，2008
【6】 沙占友，单片机外围电路设计，电子工业出版社，2005
【7】 沈红卫，基于单片机的智能系统设计与实现，电子工业大学出版社，2005
【8】 朱善君等，单片机接口技术与应用，清华大学出版社，2005
【9】 张靖武等，单片机系统的PROTEUS设计与仿真，电子工业大学，2007
【10】宁成军等，基于Proteus和Keil接口的单片机外围硬件电路仿真，现代电子技术，2006
【11】孙德文，微型计算机技术，高等教育出版社，2005（7）
【12】汪文等，单片机原理及应用，华中科技大出版社，2007
四、国内外发展趋势及研究主攻方向
我国的单片机应用始于80年代，虽然发展迅速，但相对于世界市场我国的占有率还很低。到目前为止，由于我国的微电子技术和制造工艺都比较落后及国外单片机的竞争等原因，我国还没有设计生产出自己的单片机。国内的单片机目前注重的还只是低中档的应用，普遍采用的是8或16位的单片机，对宏单片机和DSP等高档的应用还处于初始阶段。
单片机的发展趋势为：低功耗与高性能、低电压、低噪声与高可靠性、采用CMOS技术、外围电路内装、串行扩展技术等。同时，单片机的快速发展也带动着基于单片机的信号发生器的快速发展。
五、研究方案及预期达到的目标
（一） 硬件电路的实现原理与构思
1 AT89C51单片机控制两片DAC0832的原理图
图1.1 AT89C51控制两片DAC0832原理图
因为AT89C51单片机自身便有一个64K的程序存储器，所以不用扩展外加程序存储器。由单片机编程即可由单片机输出所需要信号的数字量，再由D/A转换器将数字量转化为模拟电流输出，通过运放转化为模拟电压输出。
因为D/A数模转换器的最大输出电压是由其输入的基准电压来控制的，所以只要能控制D/A的基准电压便可以控制输出幅度，实现幅度可调。所以设计用两片DAC0832来输出信号，第一片D/A用来输出信号，第二片D/A用来控制第一片D/A的基准点压。其中用P0口作为两片D/A的数据总线，P2口的P2.0和P2.1口用来控制两片D/A的选通。
2 键盘显示电路的构思
由于本设计要求控制波形的幅度和频率，所需按键较多，所以设计选用P1口来扩展4×4键盘。由于4×4键盘的设计已很普遍，所以在本文中不加以介绍。
本设计中要求用数码管显示输出信号的幅度和频率等信息，而这些信息在信号输出的时候是不需要时刻改变的，所以设计中选用静态数码管显示，由单片机的串行通信口输出显示数据。这样可以节省单片机的端口来做其它的用途，给予了装置可优化性。
图 1.2 显示电路方框图
图中只给出两位数码管的显示，可以按要求任意扩展N位数码显示，每扩展一片74LS164，可以增加一位LED显示器。所要显示的数据由RXD串行发送出去，由74LS164转化为并行输出，再由LED显示。这样，在显示数据输送完毕之后，主程序可以不必扫描显示器，从而使CPU能用于其它工作。
（二） 软件设计的构思
1 幅度控制
由于D/A数模转换器输出的最大幅度可以用其基准电压来控制，所以控制第二片D/A数模转换器输出给第一片D/A数模转换器的电压值就可控制信号幅度。因此，送入第二片的值是几个固定的值。由于DAC0832内部具有锁存器，所以只需向第二片D/A送值一次，直到下一次改变信号幅度。
2 频率控制
单片机内部数据只有0、1之分，所产生的信号也都是离散信号。为了能够让单片机输出所需的数字信号，我们采用对信号采样、量化的方法来实现由单片机产生所需信号。在本设计中，对信号的四分之一周期采样19个幅度值，通过反复查表来输出幅度值，而整个信号是通过正查表和逆向查表来实现的。采样的点越密，信号失真度也就越小。两次采样点的输出时间间隔是由定时、计数器来控制的，因此，通过控制不同的计数初值就可以控制整个信号的频率。计数时间=信号周期/72。计数次数=计数时间/机器周期。对应的，计数初值=65536－计数次数。单片机只能产生离散频率的信号，所以所得到的信号频率不是连续的，而是离散的频率点。由于这部分计算位数较多，不适合用单片机编程来计算计数初值，所以本设计中将各频率的计数初值算出，让单片机按控制命令来查表控制频率。
正弦波和三角波的频率控制方法都与上述方法相同，而方波的频率控制是半周期计数，经过半周期只需改变输出为最大或最小电平即可。
本设计为低频信号发生器，在频率只有几十赫兹的时候计数次数将很大，因此计数器的工作方式选为工作方式1，每次计数器溢出时需要重新装入计数初值。
（三）预期达到的目标
1：该装置用键盘控制输出方波、三角波、正弦波；
2：用键盘控制输出幅度和频率的变化，并将幅值和频率用数码管显示，幅度范围1V~5V，频率范围0~10KHz。
六、完成毕业设计所必须具备的工作条件
（一） 资料来源
图书馆，中国期刊网（CNKI）,互联网上搜索资料及指导教师提供资料。
（二） 实验中主要设备、仪器及软件环境
七、工作的主要阶段、进度与时间安排
八、指导教师审查意见