低频信号发生器设计开题报告

1 研究的目的及其意义

随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率、精度、多功能、自动化和智能化方向发展。在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。

便携式和智能化越来越成为仪器的基本要求，对传统仪器的数字化，智能化，集成化也就明显得尤为重要。平时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。单在某些场合，我们需要特殊波形对系统进行测试，这是传统的模拟信号发生器和数字信号发生器很难胜任的。利用单片机，设计合适的人机交互界面，使用户能够通过手动的设定，设置所需波形。该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的了解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：波形的设定，D/A 转换，显示和各模块的连接通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。

2 国内外研究现状

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 种波形，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，Lecroy 公司生产的型号为 9100 的任意波形发生器等。

二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过 GHz的 DDS 芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003 年，Agilent 的产品 33220A 能够产生 17 种波形，最高频率可达到 20M，2005 年的产品 N6030A能够产生高达 500MHz .

3 主要内容要求和目标

3.1 内容：

根据设计目标通过调研、查阅相关资料确定以单片机和D/A转换器为核心的低频信号发生器方案。主要包括：

1）电源电路设计；

2）键盘电路设计；

3）D/A数模转换电路设计；

4）信号放大及低通滤波电路设计；

5）显示电路设计；

5）应用软件（主程序及用于改变频率和信号类型的中断服务程序）设计等。

3.2 要求：

1）系统能产生3种以上的信号；

2）信号频率在一定范围内可调且应具有较高的精度；

3）能显示信号波形的类型和频率；

4）原理电路图应采用工程设计工具软件绘制；

5) 详细的软件系统框架、流程及源代码。

3.3 目标：

设计出一款以单片机和D/A数模转换电路为核心的低频信号发生器。信号类型不低于3种。系统能显示信号类型及频率。通过该设计及安装调试，达到掌握小型电子系统设计方法和常用设计软件、调试仪器使用的目的。

4 设计方案

4.1 设计模块

本次设计所研究的就是对所需要的某种波形输出对应的数字信号，在通过D/A 转换器和单片机部分的转换输出一组连续变化的0~5V 的电压脉冲值。在设计时分块来做，按波形设定、D/A 转换、52单片机连接、键盘控制四个模块的设计。最后通过联调仿真，完成相应功能。

图1 设计模块图

4.2 硬件电路设计

据低频信号发生器系统主要由CPU 、D/A 转换电路、电流/电压转换电路、按键和显示电路、电源等电路组成。其工作原理为当按下第一个按键就会分别出现方波、三角波、正弦波。

图2 硬件电路基本图

4.3 软件部分

本系统的软件包括以下几个程序模块：初始化程序；键盘扫描程序与处理程序；定时器0服务程序；正弦波发生程序及其服务程序；三角波发生程序；方波发生程序。

图3 程序流程图

5 毕业设计（论文）进度安排

查找并阅读相关资料，完成开题报告、外文翻译 ——2012.12.15 完成系统原理、软件流程设计，完成中期检查报告 12.12.15——2013.3.30 完成系统组装、调试 2013.4.1——2013.4.30 撰写毕业设计 2013.5.1——2013.5.14 论文修改、评阅、答辩 2013.5.15——2013.5.30

6 参考资料

[1] 求是科技.单片机典型模块设计实例导航[M] （第二版）.北京：人民邮电出版社， 2008,7 [2] 范风强.兰婵丽.单片机语言C51应用实战集锦[M].北京：电子工业出版社，2003,3 [3] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：电子工业出版社，2005,1 [4] 周立功.单片机实验与实践[M].北京：北京航空出版社，2004,8 [5] 黄继昌.电子元器件应用手册[M].北京：人民邮电出版社，2004,7 [6] 张宪，何宇斌.电子电路制作指导[M].北京：化学工业出版社，2005,8

[7] Raj Kamal. Embedded Systems: Architecture, Programming and Design[M].

McGraw-Hill.2003