简易信号发生器

12-13学年第二学期开放性实验项目

题目: 简易信号发生器

院系名称：

电气工程 专业班级： 测控1101班

学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 副教授 实训地点： 创新实验室 地 点：

31520

开放性实验成绩

教师签名： 年 月 日

《简易信号发生器设计》任务书

一、设计目的

1、掌握信号发生器的设计方法和测试技术。

2、了解单片函数发生器IC8038的工作原理和应用。

3、学会安装和调试分立元件与集成电路组成的多级电子电路小系统。

二、设计技术指标与要求

1、设计要求

基本要求：

A、电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；

B、输出信号的频率要求可调；

C、拟定测试方案和设计步骤；

D、根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；

E、在面包板上或万能板上安装电路；

F、测量输出信号的幅度和频率；

H、写出设计性性报告。

扩展要求：

A、输出信号的幅度和频率要求连续可调，幅度范围为0-5V，频率范围

100Hz-10KHz。

2、技术指标

频率范围：100Hz-1KHz，1Kz-10KHz；输出电压：方波V

P-P ≤24V，三角波V

P-P

=6V，

正弦波V

P-P =1V；方波t

r

小于1uS。

三、设计提示

方案提示：

1、设计方案可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波。如下框图所示。

图5. 设计方案框图

2、用单片集成芯片IC8038实现，但这种方案要求幅度和频率都可调，可采用数字电位器加程控放大器实现。

3、用单片机和A/D转换器实现，编写相应的程序即可实现。

四、设计报告要求

1、选定设计方案；

2、拟出设计步骤，画出设计电路，分析并计算主要元件参数值；

3、列出测试数据表格；

4、进行总结和分析，并写出设计性报告。

五、设计总结与思考

1、总结信号发生器的设计和测试方法；

2、总结设计信号发生器所用的知识点；

3、三角波的输出幅度是否可以超过方波？

4、IC8038的输出频率与哪些参数有关？如何减小失真？

摘要

波形函数信号发生器广泛地应用于各场所。函数信号发生器应用范围：通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域，而我设计的正是多种波形发生器。设计了多种波形发生器，该发生器通过将滞回电压比较器的输出信号通过RC电路反馈到输入端，即可组成矩形波信号发生器。然后经过积分电路产生三角波，三角波通过低通滤波电路来实现正弦波的输出。其优点是制作成本低，电路简单，使用方便，频率和幅值可调，具有实际的应用价值。

函数（波形）信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途

而因此电子专业的学生，对函数信号发生器的设计，仿真，制作已成为最基本的一种技能，也是一个很好的锻炼机会，是一种综合能力的锻炼，它涉及基本的电路原理知识，仿真软件的使用，以及电路的搭建，既考验基础知识的掌握，又锻练动手能力。

关键词：振荡电路；电压比较器；积分电路；低通滤波电路

目录

1.前言 (6)

2.方波、三角波、正弦波发生器方案 (6)

2.1方案一原理框图 (6)

2.2方案二原理框图 (7)

2.3函数发生器的选择方案 (7)

3.各组成部分工作原理 (8)

3.1方波发生电路工作原理 (8)

3.2方波—三角波转换电路工作原理 (10)

3.3三角波—正弦波转换电路工作原理 (10)

3.4总电路图 (11)

4.用Proteus 7.5电路仿真 (12)

4.1输出方波电路的仿真 (12)

4.2方波—三角波电路的仿真 (12)

4.3三角波—正弦波电路的仿真 (13)

5. 电路板的制作 (14)

6. 电路的实验结果及分析 (14)

6.1方波波形产生电路的实验结果 (14)

6.2方波--三角波转换电路的实验结果 (15)

6.3三角波—正弦波转换电路的实验结果 (15)

6.4实验结果分析 (16)

7. 实验总结 (16)

8. 参考文献 (18)

附录A：源程序代码 (19)

附录B：输出波形....................... . (21)

1．前言

在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。

波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形。传统的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便。

2．方波、三角波、正弦波发生器方案

2.1 方案一原理框图

图1 方波、三角波、正弦波、信号发生器的原理框图

首先由S12单片机PWM 模块产生方波，

然后由积分电路将方波转化为三角波，

PWM 模块

方波

积分电路 低通滤波器

最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。

2.2方案二原理框图

图2 正弦波、方波、三角波信号发生器的原理框图

RC 正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。先通过RC 正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。

2.3 函数发生器的选择方案

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题未采用单片函数发生器模块8038。

正弦波 RC 正弦波振

荡电路

电压比较器

方波 积分电路

三角波

方案一的电路结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且波形可靠、调整方便，关于输出正弦波波形的变形，可以通过可变电阻的调节来调整。而方案二，关于三角波的缺陷，不是能很好的处理，且波形质量不太理想，且频率调节不如方案一简单方便。综上所述，我们选择方案一。

3．各组成部分的工作原理

3.1 方波发生电路的工作原理

方波可通过PWM脉宽调制模块生成，可实现频率，占空比的任意调节。本次设计采用MC9S12XS128单片机的PWM模块，单片机PWM模块引脚图如图所示：

图3 S12单片机PWM模块引脚图

1）、PWM模块功能如下：

PWM 调制波有8 个输出通道，每一个输出通道都可以独立的进行输出。每一个输出通道都有一个精确的计数器（计算脉冲的个数），一个周期控制寄存器和两个可供选择的时钟源。每一个PWM 输出通道都能调制出占空比从0—100% 变化的波形。

2）、PWM 的主要特点有：

1、它有8 个独立的输出通道，并且通过编程可控制其输出波形的周期。

2、每一个输出通道都有一个精确的计数器。

3、每一个通道的PWM 输出使能都可以由编程来控制。

4、PWM 输出波形的翻转控制可以通过编程来实现。

5、周期和脉宽可以被双缓冲。当通道关闭或PWM 计数器为0 时，改变周

期和脉宽才起作用。

6、8 字节或16字节的通道协议。

7、有 4 个时钟源可供选择（A、SA、B、SB），他们提供了一个宽范围的时

钟频率。

8、通过编程可以实现希望的时钟周期。

9、具有遇到紧急情况关闭程序的功能。

10、每一个通道都可以通过编程实现左对齐输出还是居中对齐输出。

3）、周期的计算方法：

1）当CAEx=0 时，即进行左线性输出时：

PWMx 周期= 通道时钟周期*PWMPERx

2）当CAEx=1 时，即进行居中对齐输出时：

PWMx 周期= 通道时钟周期*（2*PWMPERx ）

因此，可以通过设置时钟寄存器选择PWM模块控制时钟，及控制PWMPERx 寄存器数值大小来实现PWM模块输出波形频率的调节。

4）、占空比的计算方法：

当PPOL=0 时：

占空比=[(PWMPERx —PWMDTYx)/ PWMPERx]*100%

当PPOL=1 时：

占空比=(PWMDTYx/ PWMPERx)*100%

因此，通过调节PWMDTY寄存器可进行占空比的调节。

由PWM产生的方波波形

3.2 方波--三角波转换电路的工作原理

图4 积分电路原理图

图5 积分电路产生三角波

RC积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。在自动控制系统中，常用积分电路作为调节环节。此外，RC积分电路还可以用于延时、定时以及各种波形的产生或变换。

由PWM模块输出产生的方波经电容耦合输出，如图5所示为RC积分电路，再经R与C积分，构成接近三角波。其基本原理是依靠电容的充放电原理。

3.3三角波--正弦波转换电路的工作原理

图6 三角波产生正弦波原理图

原理：采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。

3.4总电路图

图7 函数发生器总电路图

总电路图的原理：首先用单片机编程控制输出频率可调方波。本例中采用1KHz方波，方波频率可通过软件调节。方波信号通过C1耦合至积分网络，经R1、C2积分网络后，输出三角波。三角波再经R2、C3积分网络，输出近似的正弦波。C1是电源滤波电容。

4.用Proteus 7.5电路仿真

4.1输出方波电路的仿真

用Proteus 7.5电路仿真软件进行仿真。从Proteus 7.5仿真元件库中调出所需元件，按电路图接好线路，方波输出端接一个虚拟的示波器，接通电源后，可得如图8所示的输出方波仿真图。

图8 输出方波电路的仿真

4.2方波—三角波电路的仿真

方法同输出方波电路的仿真方法，可得图9所示的方波转三角波波形仿真图。

(a)

(b)

(c)

图9方波转三角波波形(a)方波、(b)三角波、(c)方波与三角波重合

4.3三角波—正弦波电路的仿真

方法同输出方波电路的仿真方法，可得图10所示的三角波转正弦波波形仿真图。

(a)

(b)

图10 三角波转正弦波形图(a)三角波、(b)正弦波

仿真结果完全符合设计要求，说明电路图可行，接下来就是电路板的制作，焊接、调试。

5、电路板的制作

按照电路原理图进行电路板的焊接。

制作步骤：

1.准备好元器件之后，先对元器件进行检测是否功能良好。例如，对

于极性电容，将万用表调至R*10K档，将红黑表笔分别接至电容两

端，万用表指针先偏转然后又逐渐回零，则说明功能良好。

2.元器件功能检测完毕之后，开始焊接元件，焊接顺序为：“先低矮，

后高大”。即先焊电阻（卧式安装），然后焊接电容。

3.元器件焊接完毕后，按照原理图，将元器件依次连接。

4.焊接完毕后，根据原理图，用万用表检测电路是否出现虚焊、短路

等现象。

电路板制作完毕后，用杜邦线将电路板与单片机进行连接。将源程序下载至单片机中，用示波器依次观察各波形。

6、电路的实验结果及分析

6.1方波波形产生电路的实验结果

将S12单片机PWM模块输出端与电路板输入端相接，并将S12单片机与电路板共地，用示波器观测各个波形形状。

1）、观测到方波波形：

图11 实测方波波形

6.2 方波—三角波转换电路的实验结果

2）、观测到三角波波形：

图12 实测三角波波形

6.3 三角波—正弦波转换电路的实验结果

3）、观测到正弦波波形：

图13 实测正弦波波形

由图可知，正弦波波形有一定的高频干扰。

6.4 实验结果分析

输出的各波形的参数范围有些许的偏差，是因为在各元件的参数选择有些许偏差。

正弦波稍微有些是真是因为积分电路中充放电的时间不够。三角波、正弦波波形幅值变小是因为电路中各转换电路电压增益较小。

7、实验总结

为期八个星期的课程设计已经结束，在这三星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过对函数信号发生器的设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。

通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知

识，明白了学以致用的真谛。同时，我也学会了如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我感觉调试部分是最考验能力的，因为理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，需要一次次的尝试。

在设计和制作的过程中，我深刻意识到独立思考的重要性。在探索知识的过程中，需要我们自己不断的进行思考，独立的去探索，即使最后探索到的知识很浅显，到这是我们独立思考出来的，对于我们独立思考习惯和能力的养成，起到了非常重要的作用。

8、参考文献

[1] 康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].武汉:高等教育出版社，2009

[2] 胡寿松.自动控制原理（第五版）[M].北京:科学出版社，2008

[3] 谭浩强.C程序设计（第五版）[M].北京:清华大学出版社，2010

[4] 张阳,吴晔，滕勤.MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发[M].北京:电子

工业出版社,2011

附录A：源程序代码

#include /* common defines and macros */

#include "derivative.h" /* derivative-specific definitions */

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

#define BUS_FREQ 8000000 //总线频率8000000

#define PWM_PRCLK 0x02 //CLOCK A的预分频设置为2

#define CH_A_FREQ 2000000 //CLOCK A = 2000000

#define CH_SA_FREQ 1000000 //CLOCK SA = 1000000

#define CH_SA_DIV (CH_A_FREQ/(CH_SA_FREQ*2)) //SA的分频因子设置为1 #define STEER_FREQ 1000 //输出方波频率为1KHz

void Pwm_init() { //PWM模块初始化

PWME = 0x00; //禁止PWM模块

PWMPRCLK = PWM_PRCLK; //CLOCK A的预分频设置为2

PWMSCLA = CH_SA_DIV; //SA的分频因子设置为1

PWMCTL_CON45 = 1; //16位级联PWM45

PWMCLK_PCLK5 = 1; //PWM5使用SA作为时钟频率

PWMPER45 = CH_SA_FREQ / STEER_FREQ; //写PWM45的周期寄存器

PWMPOL_PPOL5 = 1;

PWMCAE = 0x00; //极性为正

PWME_PWME5 = 1; //使能PWM45

}

void delay(uint z) //延时函数

{

uint i,j;

for(i=z;i>0;i--)

for(j=500;j>0;j--);

}

void main(void) //主函数

{

Pwm_init(); //调用PWM初始化函数 while(1)

{

PWMDTY45 = 500; //控制占空比为50% delay(500);

}

}