开题报告(简易多功能信号发生器)

枣庄学院

本科生毕业设计（论文）

开题报告

（20**届）

简易多功能信号发生器的电路设计

姓名：***

学号：20080613****

专业：过程装备与控制工程

班级：2008级本科（*）班

学院：机电工程学院

指导老师：**

20**年2月25日

一、研究的目的与意义

信号发生器作为科学实验必不可少的装置，被广泛地应用到教学、科研等各个领域。高等学校特别是理工科的教学、科研需要大量的仪器设备，例如信号源、示波器等，常用仪器都必须配置多套，但是有些仪器设备价格昂贵，如果按照传统模式新建或者改造实验室投资巨大，造成许多学校仪器设备缺乏或过时陈旧，严重影响教学科研。如果运用虚拟仪器技术构建系统，代替常规仪器、仪表，不但可以满足实验教学的需要、节约大量的经费、降低实验室建设的成本，而且能够提高教学科研的质量与效率。目前我国经济开始进入一个新的发展时期，经济的快速发展将加快企业的技术改造步伐，各行业特别是电子、通信行业对先进任意波发生器的需求更加强劲。高档台式仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟技术后，就可通过只采购适合自己应用情况的通用仪器硬件，依靠虚拟仪器软件开发平台，设计出所需的高性能价格比的仪器系统。虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器是以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口，利用虚拟仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板，人们通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，去选用仪器功能，设置各种工作参数，启动或停止一台仪器的工作。它能够实现普通仪器的全部功能，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等，也能够实现一些在普通仪器上无法实现的功能。这种方式不但让用户享用到通用 PC 机不断升级的性能，还可体会到完全自定义的测量系统功能的灵活性，最终构建起满足特定需求的系统。虚拟仪器是测试技术与计算机深层次结合的产物，其实质是利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。虚拟仪器应用软件是整个系统的关键。因此，从某种意义上可以说：软件就是仪器。与传统的仪器相比，虚拟仪器更通用、更灵活、更经济，而且更能适应当代科学技术对测量仪器不断提出的更新、扩展功能和性能的要求。

二、国内外的研究状况

波形发生器亦称函数发生器，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，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的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 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。

波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。

在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，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尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，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，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是 HP 公司推出了型号为 HP770S 的信号模拟装置系统，它由 HP8770A 任意波形数字化和 HP1776A 波形发生软件组成。HP8770A 实际上也只能产生 8 中波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic 公司推出了型号为 Data-2020 的多波形合成器，Lecr oy 公司生产的型号为 9100 的任意波形发生器等。而近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。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。

目前可以利用可视化编程语言(如 Visual Basic ,Visual C 等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的 VXI 模块。由于 VXI 总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，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，但由于开发 VXI 模块的周期长，而且需要专门的 VXI 机箱的配套使用，使得波形发生器 VXI 模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI 模块远远不如台式仪器更为方便。随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。

三、设计方案与预期目标

该系统采用单片机作为人机接口。单片机读取键盘输入数据以及控制数码管的显示。用户通过键盘输入希望得到的信号频率、幅度、以及波形种类。单片机获得这些数据后计算出控制字写入 FPGA 模块。通过接收单片机发出的选择，接口模块将频率控制字，波形控制字和幅度控制字分别传送给相位累加器、波形存储器和 DAC 控制模块。每次系统时钟到来时，相位累加器就增加一个频率控制字长度的相位增量，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作。同时累加器输出作为对波形存储器寻址的低位地址，而波形控制字直接作为高位地址。波形存储器输出相应的地址中存储的波形数据。幅度控制字和波形数据输出传送给 DAC 控制模块，该模块输出幅度控制字或者波形数据给TLC7528。再经过低通滤波处理及功率放大即可得到模拟的波形。

四、所需设备和仪器

1）8 位 LED 数码管

2）ZLG7289 键盘显示芯片

3）4x4 键盘输入

4）AT89C51 单片机

5）波形存储器 ROM

6）TLC7528 数模转换芯片

7）RC 低通滤波器

8）功率放大芯片 TDA2030A

五、课题进度计划

1、3-5周：熟悉设计任务，查阅相关资料文献，制定设计方案做出开题报告

2、5-7周：审核开题报告和设计方案

3、7-11周：设计原理电路，绘制电路图，并进行仿真调试

4、11-13周；完成论文，交由指导老师审核

5、13-15周：修改论文

6、15-17周：整理并制作课件，做论文答辩

六、参考文献

李萍.AT89S51 单片机原理、开发与应用实例.中国电力出版社,2008

李荣正等.PIC 单片机原理及应用（第三版）.北京航空航天大学出版社，2006

林伸茂.8051 单片机彻底研究实习篇.中国电力出版社，2007

李建忠.单片机原理及应用.西安电子科技大学出版社，2008

徐阳，钟宝荣.基于单片机的低频信号发生器设计.长江大学学报，2008

王玮.51 单片机与 PC 机串行通信接口的设计.硅谷，2009

朱清慧.Proteus：电子技术虚拟实验室.中国水利水电出版社，2010

楼然苗,胡佳文,李光飞.单片机实验与课程设计:Proteus 仿真版.浙江大学出版社,2010 周润景,张丽娜,刘映群.PROTEUS 入门实用教程.机械工业出版社，2007

袁涛.单片机 C 高级语言程序设计及其应用.北京航空航天大学出版社，2001

李全利.单片机原理及应用[M].清华大学出版社,2007

何立民.单片机高级教程：应用与设计[M].北京航空航天大学出版社，2000