简易多功能信号发生器的电路设计

学士学位论文简易多功能信号发生器的电路设计

姓名：***

学号：20080613****

指导教师：**

院系(部所)：机电工程学院

专业：过程装备与控制工程

完成日期：20**年05月10日

学士学位论文简易多功能信号发生器的电路设计

姓名：***

学号：20080613****

指导教师：**

院系(部所)：机电工程学院

专业：过程装备与控制工程完成日期：20**年05月10日

摘要

信号发生器是一种能产生模拟电压波形的设备，这些波形能够校验电子电路的设计。信号发生器广泛用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。本次设计的智能信号发生器，是基于ATMEL生产的AT89C51内核的信号发生器，创新点：1.可产生正弦波、方波，锯齿波及三角波。2.各种信号的频率范围为10HZ-24MHZ，本信号发生器既可实现产生低频信号，也可实现产生高频信号，产生的信号为特定频率信号。3.硬件主要由单片机和数模转换器ICL0838构成，电路简单，结构紧凑，硬件成本较低。4.波形及其参数可以由软件来设定，用C51语言来编译程序，让编译变得比较简单。本论文首先对信号发生器进行了概述，然后介绍了单片机的硬件和软件知识。随着集成制造技术的不断发展，多功能信号发生器已被制作成为专用集成电路。该集成电路使用起来比较方便，调试相对简单，性能更加稳定，可以产生三角波、方波和正弦波。ICL8038就是如此，简单的外围电路就可以实现三种波形的输出。

关键词：信号发生器；ICL8038；单片机；原理图；源程序

Abstract

Signal generator is a kind of can produce simulation of the voltage waveform equipment, these waveform can check electronic circuit design. Signal generator are widely used in electronic circuits, automatic control system and teaching experiment, etc.This design design intelligent signal generator, is based on the ATMEL production AT89C51 kernel signal generator[7], its characteristics are as follows: 1. Where can produce sine wave and square-wave, serrated affected triangle wave. 2. Various signal frequency range for 10HZ~24MHZ, this signal generator - not only achieves produce low-frequency signals, also can achieve produce high-frequency signal, a signal for particular frequency signal. 3. Hardware mainly by single-chip microcomputer and digital-to-analog converters ICL0838 constitute, circuit is simple, compact structure, hardware cost is low. 4. Waveform and its parameters can be set by software, procedures, c51 language compiled by compile is simple.This paper firstly summarized the signal generator, then introduces microcontroller hardware and software knowledge.With integrated manufacturing technology unceasing development, multi-function signal generator has been making become convenient,commissioning simple, stable performance, it not only can produce sine wave, also can produce triangle wave and square-wave. ICL8038 is one kind, use this chip simply peripheral circuit can realize three waveform output.

Keywords: signal generator; ICL0838; microcontroller; schematic; source program

目录

第1章绪论 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2课题意义 (2)

1.3国内外的研究状况 (2)

第2章低频信号发生器的设计方案 (4)

2.1 总体方案论证与设计 (4)

2.2基于5G8038信号发生器的工作原理 (4)

2.3 5G8038的性能特点 (6)

2.4振荡频率的计算 (7)

2.5 电路参数设计 (8)

第3章多功能信号发生器的设计 (10)

3.1多功能信号发生器的原理图及PCB图的设计 (10)

3.2 PROTEL99SE的PCB的生成 (12)

3.3 PCB板的制作及遇到的问题 (13)

3.4芯片安全电路检查 (13)

第4章多功能信号发生器的制作与调试 (15)

4.1 多功能信号发生器的制作 (15)

4.2 成品的调试与故障排除 (15)

4.2.1调试前的准备工作 (15)

4.2.2成品调试参数 (15)

第5章设计总结 (18)

5.1 结论 (18)

5.2总结 (18)

参考文献 (19)

致谢 (21)

第1章绪论

1.1课题背景

具有广泛需求的各类信号发生器和电子技术的飞速发展，促进了信号发生器在电子测量及许多相关部门的发展，其性能也是不断地改善。特别是在20世纪70年代微处理器的问世，信号发生器也是向自动化、智能化方向发展。现在许多信号发生器结合一个微处理器，它具有形成，自检，自动故障诊断，自动波形校正，控制计算机及其他测量仪器与自动测试系统的功能。信号发生器的总体趋势是向款频率，低功耗，高精度，多功能，自动化和智能化方向发展。

低频信号发生器常常用于科学实践，工程，教育和生产，如工业过程控制的教学实验，机械振动试验，动态分析，材料测试，生物医学领域。在我们的日常生活和一些科研领域，锯齿波、正弦波、方波信号是常用的测试信号。作为一个普通的电子设备，在生产，科研，监测、控制、通信等领域，信号发生器得到了广泛应用。但市场上可以看到仪器的频率精度，带宽，波形类型，程控方面，只能基本满足实际应用需求。结合快速生产的各种功能的半导体芯片，我们开发了一种低功耗，带宽更宽，能产生多种波形，并且可以编程的低频信号发生器。

进入二十一世纪，随着集成电路技术的飞速发展，出现了好多工作频率过GHz的DDS 芯片，这也推动了函数波形发生器发展，2003 年，Agilent产品33220A可以产生17种波形，最高频率可至20M，2005 年产品N6030A可以产生高达500MHz频率，采样频率可以达到1.25GHz。从上面的产品能够看出，函数波形发生器发展之快。早期函数信号发生器ICL8038，只需要外接几只元件就足以实现一个可以输出多种波形的信号发生器。此类多功能信号发生器广泛应用于生物力学工程和仪器仪表领域。该类系统以ICL8038集成块[2]为核心，制成一种函数信号发生器，成本较低，适用于学生学习使用。ICL8038就是可以输出多种波形的精密振荡集成电路，只需要几个外部元件就可以产生0.001H z～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调制信号输入端，因此常被用来调至低频信号频率。

1.2课题意义

智能化和便携性逐渐成为仪器的基本要求，对传统仪器的数字化，智能化，集成化就显得更加重要。常用信号源产生正弦波，方波，三角波等常见波形作为待测系统的输入，测试系统的性能。在一些特定场合，我们需要用特殊波形来测试系统，这是数字信号发生器和模拟信号发生器难以做到的。利用单片机的强大功能，设计合适的人机交互界面，使用户能够通过手动的设定，设置需要的波形。

该设计的制作和研究说明了对低频信号发生器应该给有一个全面了解，对低频信号的原理也应该理解，再有低频信号发生器工作流程：波形设定，D/A转换，单片机（51单片机，显示电路，键盘控制），显示以及各模块的连接通信等要熟练联接调试，要准确认识常规芯片的使用方法、了解信号发生器系统软硬件的设计，进一步的锻炼我们的工作能力。

1.3国内外的研究状况

波形发生器也叫函数发生器，属于实验用信号源，是现在电子电路实验设计应用中所必需的设备仪器之一。我们现在常见的波形发生器主要是由纯硬件搭接而成，而且波形种类不多，其中主要为锯齿、方波、正弦、三角等波形。信号发生器作为我们常见的应用电子仪器设备，是可以由硬件电路搭接而成的，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路就是可行路径之一，不需要单片机。不过此电路有波形质量差，而且控制较难，可调范围较小，电路复杂和体积大等缺陷。在生产实践和科学研究中，如生物医学，工业过程控制，地震模拟机械振动等领域大多需要用到低频信号源[9]。而由硬件电路构成的低频信号的性能不能完全达到我们的要求，而且因为低频信号源需要的RC很大；大电容，大电阻制作较难，很难保证参数的精度；其更大的缺陷在于体积大，漏电，损耗显著。如果工作需求功能提高，那么电路复杂程度也会大幅提升。

70年代以前，主要有两类信号发生器：脉冲波和正弦波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着价格贵、尺寸大、功耗大等缺点，而且想得到复杂的信号波形，那么电路的结构会很复杂。同

时，主要有两个问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。

在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。

90 年代末，函数发生器已经向高价格、高性能发展，但是HP公司生产了信号模拟装置系统HP770S[3]，由HP1776A波形发生软件HP8770A任意波形数字化构成。HP8770A能够产生8种波形，价格比较高。紧随其后，Analogic公司生产了多波形合成器Data-2020，Lecroy公司也推出了型号为9100 的任意波形发生器等。近些年，世界上波形发生器技术发展主要表现为以下几点：

（1）一个相对狭窄的范围内，低频率的应用，输出波形的频率增加，波形发生器可以应用到越来越广泛的领域。波形发生器软件开发的波形数据输入更加方便和容易。波形发生器通常是不允许的一系列点，直线和固定功能段的波形数据存储在内存中。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成 v=f (t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而使函数波形发生器向任意波形发生器飞速发展，各种计算机语言的发展也促进了任意波形发生器的软件技术的发展。现在可以通过可视化编程语言(如Visual Basic ,Visual C 等等)编写任意波形发生器的软面板，从而可以通过在计算机屏幕上输入任意波形，来达到输入波形的目的。

（2）结合VXI资源。目前，波形发生器由适用于个人计算机的插卡和独立的台式仪器和新近开发的VXI模块[6]构成。因为对测量仪器的高要求和VXI总线的趋于成熟，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但是VXI模块的开发时间长，而且要由专门的VXI机箱的搭配运用，以至于VXI模块只是应用于航空、国防及军事等大型领域。在小领域，台式仪器比VXI模块更加方便。

（3）伴随着信息技术业的快速发展，台式仪器被冷落了许久后又重新活跃起来。然而，新的台式仪器和几年前的是有很大区别的。这些新台式仪器能够执行更多指令，也有了更多的特性。价格与尺寸，比以前的产品也降了50%左右。

第2章低频信号发生器的设计方案

2.1 总体方案论证与设计

函数发生器是一种可以自动生成一个三角波，正弦波，方波蔓延到锯齿波，阶梯波电压波形的电路或设备。根据不同的用途，函数发生器有三个波形或更多。该设备可以用于分立器件（如S101的所有晶体管中使用的低频信号的功能发生器），也可用于集成电路（如单片函数发生器模块8038），集成运算放大器与晶体管差分放大器组成的方波 - 三角波 - 正弦波函数发生器的设计方法。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等。该设计采用的设计方法是先产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波。

一个由积分的方波和比较器构成的三角波发生器电路，比较器输出的方波积分是一个三角波。由差分放大器完成正弦波三角波的转换。差分放大器输入阻抗高，抗干扰能力强，有一个稳定的工作点，而且作为一个直流放大器能够抑制零点漂移，因此可以使低频率的三角波变换成正弦波。

2.2基于5G8038信号发生器的工作原理

图2-1 5G8038函数发生器方框图

图2-2 5G8038引脚排列图

表2-1 各引脚的作用

图2-1是5G8038多功能函数信号发生器的原理框图。国外的ICL8038和5G 8038电路一样，可以互换使用。它的外形引脚排列如图2-2所示。它由一个恒流充放电振荡电路和一个正弦波变换器组成。恒流充放电产生方波和三角波，三角波通过正弦波变换器转换得到正弦波。图中比较器21C C 和组成了一个参考电

压分别在CC V 32和CC V 3

1上的窗口比较器。两个比较器的输出分别控制R-S 触发器的置位端和复位端。两个恒流源21I I 、负责定时电容C 的充放电，充电与放电的转换是由R-S 触发器的输出通过电子开关S 的通或断实现的。电路设计122I I =，开关S 断开，电路对外接电容C 充电，开关S 接通，外接电容C 放电，因此电容C 上产生很好的线性三角波，通过缓冲器由3脚输出。为了实现在比较宽的频率范围内由三角波到正弦波的转换，一个由电阻与晶体管组成的折线近似转换网络将三角波转换成正弦波，由2脚输出，而R-S 触发器的输出（用于控制开关S 的信号）就是一方波，通过缓冲器由9脚输出。恒流充放电振荡电路输出方波的振荡频率：)1(12

110I I C U I T f H -==。其中H U 是窗口电压比较器的上、下限门槛电压之差。若取122I I =，对于CC H V U 3

1=，则函数发生器得到典型的正弦波、三角波、方波它的振荡频率：C V I f CC 230=。如果外部电路控制两恒流源的比值21I I ，就会得到锯齿波和矩形波输出。但是没有正弦波输出。[20]

2.3 5G8038的性能特点

电源电压范围宽。采用单电源供电时，CC V 的电压范围是+10～30V ；采用双

电源供电时，CC V ～EE V 的电压可在±5～±15V 范围内选取。电源电流约为15mA 。

频率稳定性好，振荡频率范围宽。频率范围：0.001Hz ～300KHz 。

输出波形更准确。正弦波失真度〈5%，通过调整能够降到0.5%以下。三角波的失真度为0.1%。

输出特性：矩形波输出为集电极输出，其幅度近似CC V 。正弦波幅值约为CC V /5，输出阻抗1K Ω。三角波幅度为CC V /3，输出阻抗为200Ω。调频输入：范围是10KHz ，线性度为0.1%。

外围电路简单。通过对外部阻容元件值的调节就可以改变振荡率。

2.4振荡频率的计算

调节5G8038输出频率的方法有两种，一是控制电压大小；二是改变电阻大小。

图2-3 5G8038函数发生器典型应用之一

图2-3就是5G8038组成函数发生器典型电路之一。图中5G8038的7脚与8脚相连，振荡频率： )21(6

.02121R R R C R f -+=

矩形波的占空比为：D=%100)21(1

2?-R R 。 当R R R ==21时，2脚输出正弦波，3脚输出三角波， 9脚输出对称的方波。这样输出的信号频率为：RC

f 3.0= 为了产生良好的正弦波和三角波，保证流过4脚和5脚的电流相等，可以让4、5脚短路，然后通过共用电阻R 接到正电源CC V ，此时振荡频率为： RC f 15

.0=

所以改变电阻R 的大小，就可以对函数发生器的输出频率进行调节。

由图2-2可见，管脚8是调频电压控制输入端，管脚7输出调频偏置电压，其值（指管脚6与7之间的电压）是(V CC +V EE /5) ，它可作为管脚8的输入电压。

此外，该器件的方波输出端为集电极开路形式[15]，一般需在正电源与9脚之间外

接一电阻，一般取值10k 左右。当电位器R p1动端处于中间时，并且图中管脚8

与7短接时，管脚9、2和3的输出分别为方波、正弦波和三角波。电路的振荡频率f 为0.3/[C (R 1+R P1/2)] 。调节R P1、R P2可以调整正弦波的失真度。

当R P1动端处于中间位置时，断开管脚8与7之间的连线，若在+V CC 与-V EE 之间接一电位器，使其动端与8脚相连，改变正电源+V CC 与管脚8之间的控制电压（即调频电压），则振荡频率随之变化，所以这个电路是可调频率的函数发生器。假如使电压的变化有一定的规律，那么就可构成扫频式函数发生器。

2.5 电路参数设计

(1)以上文所述，多功能信号发生器的电路结构如图2-4。放大器可提高信号源的带负载能力，2P R 用于减小正弦波失真度。

图2-4 多功能信号发生器

（2）参数计算：为了获得具有最佳特性的振荡信号，流过5G8038集成电路的4脚和5脚的电流应该大小合适。如果电流太大，就可能导致三角波的线性变坏，使得正弦波失真度增大；如果电流过小，就会严重影响电容的漏电流。最佳的电流范围是1μA ～1MA.电阻R ： I

V R CC 10 。

如果V V CC 12=，那么电阻R 的最佳范围是1.2K Ω～1200K Ω。因为

RC

f 15.0=，取1C =4700PF ，当KHz f 20max =时，)(56.115.01max min Ω==K C f R ，取Ω==K R R 5.11min 。现在把电位器1P R 与1R 相串联，取1P R =56K Ω。当电位器11R R P +取最大值时，振荡频率)(555)(15.011min Hz C

R R f P =+=。不能够满足设计的最低要求。因此应该增加一组电容2C 。

).(13.020

10)5.156(15.0)(15.03112uF f R R C P =??+=+= 取2C =0.15uF.调节01=P R ，)(66615.021Hz C R f ==

。因此当转换开关K 接入不同电容时，调节电位器1P R ，得到的振荡频率分别是17Hz ～666Hz 和555Hz ～21KHz 。

为了获得更高的负载能力，让三角波、正弦波信号经由LM318高速运算放大器放大后输出。调节3P R 、4P R ，可以获得不同的信号输出幅度。图中电位器421P P P R R R 、、采用精密多圈电位器。

第3章多功能信号发生器的设计

3.1多功能信号发生器的原理图及PCB图的设计

图3-1 多功能信号发生器的原理图

（1）打开protel99se新建数据库文件, 新建原理图文件并进入原理图编辑器, 定义图纸大小。Protel99se新建默认的图纸大小是B2,进入Domcument Options…页面或Design/Options命令。用鼠标点Sheet Options页面Standard Style区块Standard Styles的下拉菜单，选择系统提供的标准图纸。

（2）放置元件，输入元件名称、封装, 注意元件名称（类型，part type），元件编号(part designator)，管脚名称，管脚编号。

（3）布局元件，直接拖动或Edit/Align。

（4）连接导线。

（5）放置电源地线和网络标号。

（6）自动编号，Tool/Annotate。

（7）将原理图移动到图纸左下角，鼠标指向原理图右上角，X、Y坐标即原理图大小，重新定义图纸大小。

（8）电气规则检查，排除错误。

（9）建立电路的网络表Design\Create Netlist，核对元件、封装及网络是否正确。

(10)使用Reports/Bill of Material制作元器件报表。

当外接电容C可由两个恒流源充电和放电，电压比较器Ⅰ、Ⅱ的阀值分别为总电源电压（指+Vcc、-V EE）的2/3和1/3。恒流源I2和I1的大小可通过外接电阻调节，但必须I2＞I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，恒流源I1给C充电，它的两端电压U C随时间线性上升，当达到电源电压的确2/3时，电压比较器I的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2＞I1（设I2=2I1），I2将加到C上进行反充电，相当于C由一个净电流I放电，C两端的电压U C又转为直线下降。当它下降到电源电压的1/3时，电压比较器Ⅱ输出电压便发生跳变，使触发器输出为方波，经反相缓冲器由引脚9输出方波信号。C上的电压U C，上升与下降时间相等（呈三角形），经电压跟随器从引脚3输出三角波信号。将三角波变为正弦波是经过一个非线性网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波的两端变为平滑的正弦波，从2脚输出。[21]

其中K1为输出频段选择波段开关，K2为输出信号选择开关，电位器W1为输出频率细调电位器，电位器W2调节方波占空比，电位器W3、W4调节正弦波的非线性失真。

使用软件PORTEL99SE进行PCB图的制作，首先新建原理图文件，设计原理图，原理图画好后，进行电气规则检查，检查电路在设计部分时候有错误，在确定无错误后对无封装的元器件制作封装。新建元件封装库，手动设计引脚封装。在设计好元件封装后，设计好的原理图生成网络报表和元器件清单。元器件清单如下表所示：

表3-1 元器件清单

产品名称数量

~220转~15V变压器 1

CW7812 1

CW7912 1

CW7805 1

瓷片电容 4

电解电容 5

56K单联电位器 1

100K单联电位器 2

1/4W电阻 4

154聚炳烯 1

74LS00 1

LM318 1

精密多圈电位器 1

开关 5

ICL8038 1

3.2 PROTEL99SE的PCB的生成

经过前几部分的分析与总结，开始使用PROTEL99SE设计SCH与PCB，在设计PCB图的时候，重点考虑了信号和干扰的问题，从书上得知，，由于空间中存在着由高压电网、电台、电焊机、电机等用电设备造成的各种干扰源，这些干扰会对电子电路造成不良影响，轻则使电路性能指标下降，严重的可使电子电路不能正常工作。为此，在设计电子电路时提高电路的抗干扰能力也是非常重要的。常见抑制噪声的措施有：1、正确选择元件；2、正确分布元件；3、交流输入电源增加电源滤波器；4、施加屏蔽措施；5、用合理的接地方式；6、电路加入滤波电容和补偿网络。故着重对本设计采取了部分措施，例如地线、电源线、信号线特别处理。地线采取大面积敷铜，电源线加宽，信号线使用较粗线，焊盘做泪滴焊点等。在电源里做了总开关，在波形信号发生和脉冲发生里，考虑到也许有相互干扰，在波形信号发生会多用，所以在脉冲发生电路前加了电源开关，这样可以在使用时，如果遇到脉冲发生电路干扰波形信号发生器，可关掉脉冲发生以去掉干扰。还有在元件的分布方面将电位器整齐排列在PCB板的前端，电源电路部分在PCB板右边，78、79系列稳压管需要散热片，排列在PCB板后边，中间为芯片及各个电阻电容元件，PCB板左边为开关，整体布局整齐，美观大方。PCB 图如图3-2所示：

图3-2 多功能信号发生器总PCB图

3.3 PCB板的制作及遇到的问题

经过PROTEL99SE生成PCB图后，在实验室打印了图纸在铜板上就开始了用三氯化铁腐蚀，第一块板腐蚀不成功，取板时墨都还在，只是洗去墨迹，铜也没有了，开始以为是腐蚀了一夜太久的缘故；接着第2块板腐蚀也是相同状况，估计是铜板质量问题；在第3次腐蚀时换过不同质量铜板并随时观察腐蚀状况，发现此板泡在三氯化铁里后半小时就开始脱墨，结果第3块板失败；为了使腐蚀加速得到更好的效果，用两小袋三氯化铁加少量的水，成功出板，可是仍然有一些腐蚀不良的小孔。多次实验才发现是打印机的墨水有问题所致。总体来说，得到的PCB板还算良好。

3.4芯片安全电路检查

设计的外围电路不多，只需要少数电容与电阻，还有一个ICL8038（因为买不到5G8038芯片，而且查资料可知，ICL8038与5G8038各个引脚功能完全相同，所以用前者代替。）一个74LS00测得7脚GND和14脚VCC电压降为+5V，符合要求；一个LM318测得第4脚负电压和第7脚正电压对地分别为-12V和+12V，符合要求；这里的检查主要是查芯片的电源电压，通过分析得知，8038芯片的正负电源接错或引脚电压电流过高很容易导致烧毁，因此检查的时重点测试了这个芯片座，得到以下结果：4、5脚电流为0.2mA（在最佳电流1uA~1mA范围内）；6

脚对地电压为+12V；11脚对地电压为-12V，6脚和11脚电压降为24V，符合要求。然后把ICL8038芯片放入，准备调试整个电路。