多用信号发生器设计

多用信号发生器设计

信号发生器在动态测试领域有重要的作用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。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。函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。本设计应用晶体管、运放IC等通用器件制作了简单易行的一套信号发生器电路，可以正确输出三角波、方波和正弦波等波形。设计中在原有方波，三角波和正弦波的电路基础上增加一级放大器，以实现输出电压的可调和，输出阻抗为50Ω。试验结果显示，通过调试可以正确显示所需要的波形，并利用仿真软件Maltose画出电路图，做出PCB布线图。结果显示，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者又互相影响。

最后简单介绍了以ICMAX038集成芯片为核心采用MCU微处理器控制程控继电器和数字电位器设计的多功能信号发生器。该发生器能够输出方波、正弦波和三角波并能实现频段选择和频段内频率微调，同时还可以作为频率计测频率。函数信号的产生由MAX038和外围电路完成，能产生1Hz-20MHz的波形。波形选择由单片机完成，输出或输入频率经74HC390分频后，由单片机完成自动频率检测显示。该信号发生器克服了上述信号发生器的不足。

第1章绪论

1.1课题背景

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。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。例如在通信、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，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。

1.1.1多用信号发生器在现代科技中的运用

现代科技的进步以计算机的进步为代表，不断创新的计算机技术，正以不可逆转之势从各个层面上影响着各行各业的技术进步，今天的测控仪器行业同样经历着一场翻天覆地的变革。

一方面，计算机技术的进步为新型的信号发生器仪器产生提供了现实基础，主要表现在：

1.微处理器和DSP（digital signal processing）技术的快速进步以及其性能价格比不断上升大大改变了传统电子行业的设计思想和观念，原来许多由硬件完成的功能今天能够依靠软件实现。

2.面向对象技术、可视化程序开发语言在软件领域为更多易于使用、功能强大的软件开发提供了可能性。

另一方面，传统的测控仪器越来越满足不了科技进步的要求，主要表现在：

1.现代测控要求仪器不仅仅能单独测量到某个量，而更希望它们之间能够互相通信，实现信息共享，从而完成对被测各系统的综合分析、评估,得出准确判断。传统仪器在这方面显然存在严重不足，甚至根本不可能实现。

2.对于复杂的被测系统，面对各个厂家的不同测试设备，使用者需要的知识很多。这样的仪器不仅使用频率和利用率低，而且硬件存在冗余。鉴于上述原因，基于计算机的测试仪器逐渐变得现实，其出现和广泛使用对测控仪器产生较为深远影响。对于复杂的被测系统，面对各个厂家的不同测试设备，使用者需要的知识很多。这样的仪器不仅使用频率和利用率低，而且硬件存在冗余。

鉴于上述原因，基于计算机的测试仪器逐渐变得现实，其出现和广泛使用对测控仪器产生较为深刻的影响。作为传统仪器的革新产品，虚拟仪器的作用在今天已日渐普及。

多用信号发生是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。与传统仪器一样，它同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能块。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合,实现仪器的功能运作。

仪器的内部功能划分应用程序将可选硬件（如GPIB、VXI、RS2232 、DAQ）和重复使用源码库函数的软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发,源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减硬软件模块，或重新配置现有系统以满足现有系统的测试要求。所以，虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统功能所需附件，而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。

电子测量仪器经历了由模拟仪器、带GPIB接口的智能化仪器到全部可编程虚拟仪器的发展历程，其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为动力。由于计算机技术特别是计算机总线标准的发展直接导致了虚拟仪器在PXI 和VXI 两个领域中得到了快速发展，它们成为未来仪器行业的两大主流产品。给定计算机运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器的关键在于应用软件。基于软件在虚拟仪器中的作用，美商国家仪器公司（Na2tional Inst rumens，简称NI）提出了“软件即仪器”（The software is the inst rumens）的口号，而其Lab2VIEW也不能不被提及，它提供了虚拟仪器的图形编程环境，在这个软件环境中提供的一种像数据流一样的编程模式，用户只需连接各个逻辑框即可构成程序。它还以图形方式提供了大量的显示和分析程序库，利用软件平台可大大缩短虚拟仪器控制软件的开发时间，而且用户可以建立自己的措施方案。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。第一阶段：利用计算机增强传统仪器的功能。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。由于GPIB 总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，因而用户可以用计算机控制仪器，而随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。经过近十年的发展，这些用户得到了越来越多的关于计算机控制仪器的软件，并且这些软件易学易用。最新的软件包括写前仪器驱动库、数据分析函数库、图形接口函数库等。用户可以利用这些强有力的软件

来增强自己仪器系统的功能，使它能够分析和处理特定的数据，并显示结果，而不是限于仪器的固定功能之上。实际上，只需要把传统仪器通过GPIB或RS2232同计算机连接起来，这些新增功能就能运转良好。因而，用户可将大量的独立仪器同计算机相连形成用户自己设计的虚拟仪器。在仪器销售市场上也发生了巨大的变化，通用的数字式仪器销售量猛增，而专用的传统仪器销售量大幅度下降。用户意识到有了计算机和数字化设备，他们就可以实现信号数字化，从而对他们的数据做特定分析处理并显示在计算机屏幕上。毕竟，台式计算机的处理能力远远超过一般仪器处理功能。第二阶段：开放式的仪器构成。为满足虚拟仪器市场不断增长的需求，这时在仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡（plug2in PC DAQ）；二是VXI 仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。仪器设计者们与用户一样，企图尽可能地提高效率和重复使用很多技术。仪器生产商建立了他们自己设计的内在标准，使得他们的位微处理器、存储器、数据采集、分析、显示的软件等产品有利可图。许多在仪器上通用的元器件就是计算机里的标准件，这样使得计算机成为一个构建虚拟仪器的理想平台。许多特殊功能键A/D、D/A、数字I/O、时间I/O 组件都是模块化的功能块，能够直接插在仪器上与仪器内部的处理器总线相连。众所周知，现代计算机也有扩展槽，所以用户可将这些模块化的插卡直接插在扩展槽内。传统的仪器相关软件都是固化在内部ROM内，这些软件也只针对专门仪器，虽然其中许多代码都是从其他仪器设计商的软件模块中得来的。而在虚拟仪器中，专用仪器的软件也是使用模块化的可重用代码。但不像传统仪器那样，只限于单一特殊的ROM，虚拟仪器的功能软件是以文件形式储存在硬盘和软盘上的，可以安装在任何计算机上。当然，多个虚拟仪器可以共存于一台计算机上。而且，某个特定的仪器在一段时间内可以独享计算机的显示和控制部分，像传统仪器一样，但是很多虚拟仪器能够共享显示，尽管每个仪器有其独特的硬件。正是由于第二阶段虚拟仪器在软硬件上的这些进步，使得它的构建具备了开放性和更大的灵活性，得到了更加广泛的应用。第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。

软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来，虚拟仪器将成为一种主流技术。许多行业标准在硬件和软件领域已产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段,人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。美商国家仪器公司总结了这些观点并提出了一句口号“软件即仪器”。他们的软件产品也创造了整体的仪器框架。

信号发生器是一种常用的信号源，它广泛应用于教学及科学研究实验中。传统的信号发生器性价比低，功能少且模式固定。近年来，随着虚拟仪器（virtual instruments, 简称VI）技术的发展，诞生了虚拟信号发生器，但其发生信号类型较少。一般只有正弦、方波、三角波及锯齿波等几种常用基本信号，对信号的控制功能还有局限性，无法满足各种实验的广泛需要。本设计以声卡作为信号DSA通道，充分利用Lab-VIEW 开发平台提供的丰富资源，采用模块化的设计方法，共有18个子VI，进一步完善了虚拟信号发生器的功能，能产生10种常用信号。该信号发生器对波形及数据文件具有处理功能，对输出通道具有选择控制功能，同时可以利用通用函数信号发生子VI进行数学模型的仿真。

1.1.2信号发生器的发展前景

信号发生器系统已成为仪器领域的一个基本仪器，是技术进步的必然结果。今天，它的应用已经遍及各行各业。很多测量工程师现在都在使用虚拟仪器,即:用计算机控制一台GPIB或RS2232仪器，通过计算机屏幕上的图形化前面板操作仪器，这与操作一台物理的仪器没有区别。计算机能够模仿远处的物理设备，整个过程给你一个感觉：你不在仪器旁边，却在远处虚拟地操作着这台仪器。

另外的一种情况是将一个图形化仪器前置面板放在计算机上，计算机连接着一块插入式数据采集卡和一个VXI 功能模块，而不连接GPIB 仪器。这时，仪器本身没有前置面板，因而你不能将它作为一台独立的仪器来使用。因而，计算机成了这个仪器系统的一个组件，计算机的前置面板操作成了唯一的操作仪器的方式。还有一种情况就是没有任何功能模块连接在计算机上，虽然计算机上同样有前置软面板，计算机通过数据文件和网络得到数据，对它进行分析处理，或者它不用外部的真实数据，而是计算机处理一些“自己”的数据对一个物理过程或某个项目进行仿真。仪器技术经过十几年的发展,而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善，建立在VXI 技术上的各种先进仪器将会层出不穷。

仪器技术在发达国家的推广应用也是十分普及，不仅在电子测量领域、过程控制领域，包括人们生活的其它许多领域，利用虚拟仪器实现复杂的测量与控制系统的例子也很多。我国目前还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态，世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我们的实际情况,我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术、部分产品,吸收最新成果技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算

机及测试技术软硬件，缩短与国际先进水平之间的差距。

随着电信技术的发展，高性能的信号发生器对系统的测试起着至关重要的作用。传统的模拟信号发生器由于输出波形单一，频率及相位调节精度低，同时不能满足现代复杂电子系统设计的要求，利用多用途专用芯片直接数字合成设计信号发生器成本太高。本文提出基于单片机与技术的多功能信号发生器的设计，主要采用性价比较高的系列器件，即满足信号发生器性能要求又降低成本。

1.2信号发生器的国内外现状

仪器技术在发达国家的推广应用也是十分普及，不仅在电子测量领域、过程控制领域，包括人们生活的其它许多领域，利用虚拟仪器实现复杂的测量与控制系统的例子也很多。我国目前还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态，世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我们的实际情况，我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术、部分产品,吸收最新成果技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测试技术软硬件，缩短与国际先进水平之间的差距。为了共享测试系统资源，越来越多的用户正在转向网络。工业现场总线是一个网络通讯标准，它使得不同厂家的产品通过通讯总线使用共同的协议进行通讯。现在，各种现场总线在不同行业均有一定应用；工业以太网也有望进入工业现场，应用前景广阔；Internet已经深入各行各业乃至千家万户。嵌入式智能仪器设备联网的需求将越来越广泛。为此，NI等公司已开发了通过web浏览器观测嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，人们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关mcn（measurement and control networks）方面的标准已经取得了一定进展。由此可见，mcn网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。

现在电信技术的飞速发展，高性能的信号发生器对系统的测试起着至关重要的作用。传统的模拟信号发生器由于输出波形单一，频率及相位调节精度低，同时不能满足现代复杂电子系统设计的要求，利用多用途专用芯片直接数字合成设计信号发生器成本太高。本文提出基于单片机与技术的多功能信号发生器的设计，主要采用性价比较高的系列器件，即满足信号发生器性能要求又降低成本。

综上所述，基于不同的通讯总线和联网总线，虚拟仪器可面向高中低端的不同应用。目前，全球有成千上万台测控设备中正在使用虚拟仪器，虚拟仪器正在深入各行各业，影响着人类的生产、教学、科学实验、国防等，甚至进入家庭自动化管理。由于可充分利用计算机、网络和通讯的相关技术，远程调控的虚拟仪器有望取代测量技术传统领域的各类仪器。

1.3设计要求指标

基于简单成本低而且能够输出至少三种波形的设计要求，所以，本信号设计指标如下[1]：

1.输出为方波、三角波和正弦波三种波形，用开关切换输出；

2.均为双极性；

3.输出阻抗均为50Ω；

4.具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。

第2章理论概述

2.1信号发生器的设计方案

函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。下面我们将分别对各个波形的发生进行分析，并且提出几种方案，从而达到在合成电路时使电路更加合理。

方案一：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。

方案二：可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

方案三：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。鉴于此，美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了方案二中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件[2]。

方案四：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。

以上四种方案中，方案二与方案三均为可行的方案。方案二简单易行，在知识和设备有限的条件下，可选择方案二进行信号发生器的设计。

2.2 原理电路

2.2.1方波发生器

R、C积分电路组成的方波图2-1为用运算放大器、滞回比较器和

f

R、C反馈到运放的反相输出端，因此积分电路发生电路，输出电压经

f

起延迟和负反馈作用[3]。