第八章波形发生器详解
波形发生器
绪论：函数发生器是一种常用的电子仪器，用于产生标准信号。
它种类繁多，性能各异，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。
在工业生产和科研中利用信号发生器输出的信号，可以对元器件的性能及参数进行测量，还可以对电工和电子产品进行指数验证、参数调整及性能鉴定。
在某些场合，我们对系统进行测试时需要特殊波形，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，设置所需波形。
任务要求设计一种使用简单、性能优良的波形发生器，该发生器能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等常用的标准信号。
波形的频率、幅值均为连续可调。
实现多功能信号发生器波形种类、波形的频率、幅值的状态及数据的显示。
整个系统采用单片机控制。
一、实验设计方案利用单片机AT89C51外接数模转换器和运算放大器，由用户通过按键选择输出实验室中经常使用到的几种基本波形：锯齿波、正弦波、方波和三角波，再由AT89C51单片机将最大值和最小值输出给D/A，通过D/A转换器DAC0832将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来，能产1Hz—3kHz的波形。
通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，并通过液晶屏1602显示其各自的类型以及数值，系统大致包括信号发生部分、数/模转换部分以及液晶显示部分三部分。
原理图及实验选择的单片机二、电路分析（一）、主控电路AT89C51单处机内部设置两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1，它们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及4种工作模式。
在波形发生器中，将其作定时器使用，用它来精确地确定波形的两个采样点输出之间的延迟时间。
模式1采用的是16位计数器，当T0或T1被允许计数后，从初值开始加计数，最高位产生溢出时向CPU请求中断。
中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。
当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件。
《波形发生器》PPT课件
方波发生器<P69图 2.40>
实验内容：<P70>
Uc
将Rw调到中心位的峰
峰值与频率.<要求写出
计算过程〕
方波发生器
实验内容：<P70>
Uc
将Rw调到中心位置,用示
Uo 波器测量Uo〔方波〕
和Uc〔三角波〕的峰
峰值与频率.
将Rw的抽头分别调到上 下两端,用示波器或频 率计测量Uo在这两种 情形下的频率.
测量电阻值应当先将Rw从 电路当中拔下,用万用表进行 测量
临界起振：由完全没有输出 波形开始调节Rw,直到刚 好出现并能维持正弦波输 出〔若往回调节,正弦波 立即消失〕,此即临界起 振状态
RC桥式正弦波振荡器
实验内容：<P70> 记录Rw2〔即Rw移动端到
地的部分〕在临界起振 时的值： 调节Rw使电路出现最大不 失真.分别测量Uo、U+、 U-
这三个电压都是交流信号,应 用交流毫伏表测量.其中Uo 是电路输出,U+和U-分别是 运放同相、反相输入端的对 地电压.
RC桥式正弦波振荡器
实验内容：<P70> 记录Rw2〔即Rw移动端到
地的部分〕在临界起振 时的值：
调节Rw使电路出现最大不 失真.分别测量Uo、U+、 U-
用示波器或频率计测量振 荡频率f0.〔示波器测 量要求写出计算过程〕
波形发生器
给集成运放引入正反馈,配合适当限幅措 施,可以使电路产生稳定的周期性振荡.这 种电路称为波形发生器. 注意：波形发生器电路是自行振荡产生 波形,只需要给电路加直流电源,无需外加 信号源.
RC桥式正弦波振荡器P68图2.39
实验内容：<P70>
波形发生器说明书
1 引言随着单片机功能不断完善，单片机在越来越多的领域得以应用。
按照传统的模式，在单片机应用系统整个项目开发过程中．先根据系统要求设计原理图，绘制PCB电路图，制作电路板，焊接元器件，然后进行软件编程，通过仿真器对系统硬件和软件调试，最后将调试成功的程序固化到单片机的程序存储器中。
无论是从硬件成本上。
还是从调试周期上，传统开发模式的效率都有待提高。
基于Proteus和Keil接口仿真平台是可以进行仿真、调试、制板并最大限度的软件模拟的单片机的开发平台，可极大地提高单片机应用系统的开发过程。
波形发生器是一种常用的信号源，广泛应用于科学研究、生产实践和教学实验等领域。
本次课程设计对基于Proteus和Keil接口的虚拟波形发生器进行了仿真设计．利用AT89C51单片机产生方波、锯齿波、三角波，并可以在不同的波形之间任意切换。
1.1 题目的要求1、设计接口电路，将这些外设构成一个简单的单片机应用系统，画出接口的连接图。
2、编写下列控制程序（1）能输出三角波、锯齿波、方波。
（2）由K0-K2键分别控制以上所述波形的产生。
（3）根据开关对输出波形的频率、幅度进行控制调节。
3、用Protues进行仿真。
1.2 题目的意义（1）利用所学单片机的理论知识进行软硬件整体设计，锻炼学生理论联系实际、提高我们的综合应用能力。
（2）、我们这次的课程设计是以单片机为基础，设计并开发能输出多种波形（三角波、锯齿波、方波）且频率可调的波形发生器。
（3）掌握各个接口芯片(如DAC0832等)的功能特性及接口方法，并能运用其实现一个简单的微机应用系统功能器件。
（4）在平时的学习中，我们所学的知识大都是课本上的，在机房的实验大家也都是分散的对各个章节的内容进行练习。
因此，缺乏一种系统的设计锻炼。
在课程所学结束以后，这样的课程设计十分有助于我们将知识系统地总结到一起。
（5）通过将这几个波形的组合形成了一个函数发生器，使得我对系统的整个框架的设计有了一个很好的锻炼。
波形发生器文献综述
波形发生器1.波形发生器的背景波形发生器又称振荡器，是一种不需要输入信号而能产生各种周期性波形输出的电子装置。
按照产生的波形来分，有正弦波发生器和非正弦波发生器两大类。
非正弦波发生器又包括方波、三角波、锯齿波等。
波形发生器的应用范围很广，几乎覆盖了所有行业。
凡是需要使用其他标准信号源所不能提供的激励信号的应用，都可能是任意波形发生器的用武之地：在通信、测量和遥控等许多技术领域有着广泛的应用；在现代社会中，自动化技术已经渗透到社会生活的各个领域中；在超声波测量技术中，超声换能器（发射换能器和接受换能器）是超声波检测技术的核心部件；高精度、宽频率范围、高稳定性的激励源对于发射换能器及超声检测系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。
传统的波形发生器通常由晶体管、运放IC等分离元件制成。
与此相比，基于集成芯片的波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点。
其中，信号发生器是自动化领域中的一个典型应用。
因为现代的自动化控制中基本都会利用信号来控制设备的工作。
设计师和测试工程师在设计验证中为了模拟最坏情况，会频繁地使用任意波形发生器。
在为了确定和验证性能极限时而降低额定或加重信号时，任意波形发生器是一款理想的工具。
它还被用来确定不可接受的噪声水平、定时问题、信号电平异常、带宽损耗、谐波失真，以及各种相关问题。
利用信号的产生进行仪器的控制已经是自动控制中的一个重要的手段，那么一个幅度、频率、占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有使用价值。
只要将这个信号发生器设计的基本思路掌握，不但可以融会贯通所学的专业知识可以在以后工作中利用到，作为用来控制其他设备或设计的一个参考。
随着集成电路的迅速发展，用集成电路可以很方便的构成各种信号波形发生器，信号发生器可以提供理想的波形，同时满足模拟信号和数字信号要求。
采用采样技术，构建和改变几乎可以想到的任意形状的波形，数字信号发生器的功能是在满足计算机总线需要和类似应用而优化的。
波形产生电路与变换电路
F
可分解为： A F 1
称为振幅平衡条件。 （n = 0 , 1, 2, …)
A F 2n
称为相位平衡条件。
第八章 波形产生电路与变换电路
说明：对相位平衡条件：
A F (o i ) (F o ) F i
FU 即有： Z U Z U Z [F 1]e
1 F 2R 2 T 2T1 2 ln 2RC ln(1 ) 1 F R3
第八章 波形产生电路与变换电路
1 F 2R 2 T 2T1 2 ln 2RC ln(1 ) 1 F R3 1 1 则： f T 2R 2 2RC ln(1 ) R3
即：反馈电压与原输入电压的相位差，也就是信号通过基本放 大器、反馈网络的总相移。所以相位平衡条件就是反馈电压和原输 入电压要同相位，即为正反馈。判断的方法就是瞬时极性法。只有 这两个条件同时满足时，电路才能维持自激振荡。振幅平衡条件可 以通过对电路参数的调节容易满足，所以相位平衡条件是电路能否 产生振荡的关键。 3、自激振荡的建立和起振条件： （1）自激振荡的建立：实际上，振荡器在开始起振时不需要信 号源，靠电路中电路接通时的电扰动，这种电扰动中存在着丰富的 成份，包含频率为fo 正弦信号。 （2）选频网络：为了使频率为fo 正弦信号放大—反馈—再放 大——输出，振荡器中还必须有一个选频网络。
图 8 - 12ICL8038管脚图(顶视图)
第八章 波形产生电路与变换电路
§8.3 正弦波产生电路
一、正弦波振荡器的基本原理
1、自激振荡的基本原理及框图：
如下图：输入信号通过基本放大器得 到输出信号，引入负反馈，调节电路参 数，使之反馈信号等于原输入信号，这 样反馈信号就能代替原输入信号，我们 把这样一个没有输入就有输出的闭环系 统称为自激振荡器。
波形发生器(VHDL)
华南理工大学广州学院数字系统设计（VHDL）课程报告题目：波形发生器姓名：学号：序号：学院：班级：指导老师：完成时间： 2014-1-1 __题目:波形发生器一、 功能及原理介绍1、功能介绍此波形发生器，通过选择“00”、“01”、“10”、“11”，这四种模式来选择相应的波形输出，除此之外，它还可以产生一些其它的波形，利用MIF 文件生成器产生波形的MIF 文件，由此产生各种波形。
这个波形发生器可以用作信号发生器，产生一些自己所需要的信号。
2、原理介绍正弦信号发生器的结构由 3 部分组成：数据计数器或地址发生器、数据 ROM 和 D/A 。
性能良好的正弦信 号发生器的设计要求此 3 部分具有高速性能，且数据 ROM 在高速条件下，占用最少的逻辑资源，设计流程最便捷，波 形数据获最方便。
顶层文件any_bo.VHD 在FPGA 中实现，包含2 个部分：ROM 的地址 信号发生器由7 位计数器担任，和正弦数据ROM ，拒此，ROM 由LPM_ROM 模块构成能达到最优设计，LPM_ROM 底层是FPGA 中的EAB 或ESB 等。
地址发生器的时钟CLK 的输入频率 f0 与每周期的波形数据点数（在此选择 128 点）。
2.1.MIF 文件生成器的使用方法mif 文件就是存储器初始化文件，即memory initialization file ，用来配置RAM 或ROM 中的数据。
而产生MIF 文件的在这里有三种方法：（1）利用Quartus 自带的mif 编辑器、（2）利用mif 软件来生成、（3）用C 语言或者matlab 语言等来生成，而我就利用MIF 文件生成器MIF_Maker 2010来产生MIF 文件。
① 双击打开MIF_Maker 2010，如图选择模式00 0110 117位计数器（地址发生器）7位计数器（地址发生器）7位计数器（地址发生器）7位计数器（地址发生器）正弦波数据 存储ROM三角波数据 存储ROM方波数据 存储ROM锯齿波数据 存储ROM正弦波输出 三角波输出 方波输出 锯齿波输出首先我们对所需要的MIF文件对应的波形参数进行设置，如上图，在“查看”，并于此下拉菜单中选择“全局参数设置”，如选择波形参数：数据长度128，输出数据位宽8，数据格式十六进制（有的情况下需要选择符号类型），初始相位0度，按“确定”后，将会出现一波形编辑窗。
波形发生器_正文
波形发生器在工作中，我们常常会用到波形发生器，它是使用频度很高的电子仪器。
现在的波形发生器都采用单片机来构成。
单片机波形发生器是以单片机核心，配相应的外围电路和功能软件，能实现各种波形发生的应用系统，它由硬件部分和软件部分组成，硬件是系统的基础，软件则是在硬件的基础上，对其合理的调配和使用，从而完成波形发生的任务。
波形发生器的技术指标：（1）波形类型：方型、正弦波、三角波、锯齿波；（2）幅值电压：1V、2V、3V、4V、5V；（3）频率值：10HZ、20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1KHZ；（4）输出极性：双极性操作设计1、机器通电后，系统进行初始化，LED在面板上显示6个0，表示系统处于初始状态，等待用户输入设置命令，此时，无任何波形信号输出。
2、用户按下“F”、“V”、“W”，可以分别进入频率，幅值波形设置，使系统进入设置状态，相应的数码管显示“一”，此时，按其它键，无效；3、在进入某一设置状态后，输入0~9等数字键，（数字键仅在设置状态时，有效）为欲输出的波形设置相应参数，LED将参数显示在面板上；4、如果在设置中，要改变已设定的参数，可按下“CL”键，清除所有已设定参数，系统恢复初始状态，LED显示6个0，等待重新输入命令；5、当必要的参数设定完毕后，所有参数显示于LED上，用户按下“EN”键，系统会将各波形参数传递到波形产生模块中，以便控制波形发生，实现不同频率，不同电压幅值，不同类型波形的输出；6、用户按下“EN”键后，波形发生器开始输出满足参数的波形信号，面板上相应类型的运行指示灯闪烁，表示波形正在输出，LED显示波形类型编号，频率值、电压幅值等波形参数；7、波形发生器在输出信号时，按下任意一个键，就停止波形信号输出，等待重新设置参数，设置过程如上所述，如果不改变参数，可按下“EN”键，继续输出原波形信号；8、要停止波形发生器的使用，可按下复位按钮，将系统复位，然后关闭电源。
波形发生器专题知识讲座
A F 1
——幅度平衡条件
arg A F A F 2nπ
——相位平衡条件
n 0,1,2,
8.1.2 正弦波振荡电路旳构成和分析环节
构成：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。 分析环节： 一、判断能否产生正弦波振荡
1. 检验电路是否具有正弦波振荡旳构成部分；
2. 检验放大电路旳静态工作点是否能确保放大电路正 常工作；
则：
1 f0 2 LC
图
减小了三极管极间电容对振荡频率旳影响，合用于
产生高频振荡。
名称
电 路 形 式
振荡频率
表8-2
变压器反馈式
多种 LC 振荡电路旳比较
• 电容三
电感三点式
电容三点式 点式改
善型
f0
2
1 LC
rbe RC M
f0 2
1 (L1 L2 2M )C
L1 M rbe L2 M R
3. 分析电路是否满足自激振荡旳相位平衡条件和振幅 平衡条件。
判断相位平衡条件旳措施是：瞬时极性法。 二、估算振荡频率和起振条件
8.2 RC 正弦波振荡电路
8.2.1 RC 串并联网络振荡电路
电路构成：
放大电路 —— 集成运放 A ；
图
选频与正反馈网络 —— R、C 串并联电路；
稳幅环节 —— RF 与 R 构成旳负反馈电路。
第八章 波形发生器
8.1 正弦波振荡电路旳分析措施 8.2 RC 正弦波振荡电路 8.3 LC 正弦波振荡电路 8.4 石英晶体振荡器 8.5 非正弦波发生电路
8.1 正弦波振荡电路旳分析措施
8.1.1 产生正弦波振荡旳条件
U i 2Ui sint
UUfi ~FU O
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uo 立即由＋UOM 变成－UOM
(7-4)
2. 当uo = -UOM 时， –
u+=UL
此时，C 经输出端放电。 uc t UL
uc
C
+
R －+ + R2
U上翻。
当uo 重新回到＋UOM 以后，电路又进入另一个 周期性的变化。
(7-5)
–
uc C R1
uc
+
R
t
(7-23)
－ + A1 +
R1 R2
ui uo1
D1
R
D2 R3
C - A2+ +
uo
UH
uc t
由电路的工作情况可知： 改变电压ui
UL
充电电压变化
充电时间变化 uo的频率变化
(7-24)
因此，称该电路为 压频转换电路。
－ + A1 +
R1 R2
ui uo1
D1
R
D2 R3
C - A2+ +
1 2 f o R1C2 2 f o R2C1 时，相移为0。
(7-35)
1 fo 2 R1 R2C1C2
1 如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则： f o 2 RC
1 fo f 3 j( ) fo f 1 幅频特性： U o Ui f fo 2 2 3 ( ) fo f U 传递函数： o Ui
1 uo1dt uo RC
t
-Uom 0
三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由 周期T和参数R、C决定。
(7-12)
电路二：电路一的改型 u o1
－ + + A1
R2 R
反向积分电路 C
R01
R02
上行迟滞 比较器 R1
－ + + A2
uo
特点：由上行的迟滞比较器和反相积分器级联构成， 迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入，反 相积分器的输出又作为迟滞比较器的输入。
2 R1 T1 T2 RC ln(1 ) R2 2 R1 T 2 RC ln(1 ) R2
U L U OM (U H U OM )e
T1 RC
f=1/T
(7-8)
方波发生器电路的改进： – uc C R1 R2 +
R
－+ +
– uo
uc C R1
+
R
－+ + R2
UH
－+ +
R2
uo
0 UL uo UOM
t
输出波形：
0 - UOM
t
T
(7-6)
方波发生器各部分的作用： uc – + R C R1 －+ +
uo
R2
RC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。
下行迟滞比较器：起开关作用，实现高低电平的 转换。
(7-7)
三、周期与频率的计算
R1 U H U L U OM R1 R2
A( )、F ( )
(7-30)
自激振荡的条件：
A( ) F ( ) 1
F ( ) | F | F
因为： A( ) | A | A
所以，自激振荡条件也可以写成：
（1）振幅条件：
（2）相位条件：
| AF | 1
A F 2n
n是整数
相位条件意味着振荡电路必须是正反馈； 振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。
Uo Ui
+90
fo
0
1 3
f
相频特性： arctg 1 ( f f o ) –90 3 fo f
f
(7-36)
二、用运放组成的RC振荡器
R2
R2 因为：A 1 R1
A 0
R C R
_
+
uo
所以，要满足相位 条件，只有在 fo 处
+
C
R1
F 0
AF 1 R2 A 1 R1
R01
uo
uo
T1
T2
－ + + A1
R2
R R02
－ + + A2
UH
UL T
t
R1
1 T1 U OM dt U H U L 0 RC 1 T2 U d t U U OM L H RC 0
T1 T2 0.5T
1 0.5T R1 U OM dt 2 U om 0 RC R2
(7-33)
§8.5.2 RC振荡电路
一、选频电路
用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC 振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这里 只介绍文氏桥选频电路。 R1 C1
U i
U o
R2
C2
(7-34)
R1
C1
U i
U o
R2
C2
U o U i
1 R1 C2 1 (1 ) j( R1C2 ) R2 C1 R2C1
uc
C + R C R R2 反向积分电路 - + +
－ + +
uo
R1
R2 方波发生器
电路一：方波发生器 矩形波积分电路三角波 此电路要求前后电路的时间常数配合 好，不能让积分器饱和。
(7-11)
uc
C R1
+
R
C
－ + +
R2
u o1 R
R2 Uom
- + +
uo
uo1 uo
R2 上下门限电压：
R1 UH U om R1 R2
R1 UL U om R1 R2
(7-3)
–
uc C R1
+
R
－+ +
uc
U+H
uo
uo
UOM
0
t
R2
二、工作原理
1. 设 uo = + UOM
-UOM
0
t
则：u+=UH 此时，输出给C 充电! 在 uc < UH 时， u- < u+ , uo 保持 + UOM 不变； 一旦 uc > UH , 就有 u- > u+ ,
R1 UH UZ R2
uo uc
(7-22)
工作原理：
－ + A1 +
R1 R2
ui uo1
D1
R
D2 R3
uc
C
- A2+ +
uo
uo uc
t
设 uo1=+UZ ，则D2截止，D1导通，U uc H ui 给电容C充电， uo下降，当uo 下降到U+L时uo1翻转到-UZ ，这 UL 时， D1截止，D2导通，电容C快 uo 速放电，uo上升，当uo上升到 UH U+H时uo1翻转到+UZ 。如此周期 变化。 uo为锯齿波。 UL
uo UZ
(7-9)
思考题：点 b 是电位器 RW 的中点，点 a 和点 c 是 b 的上方和下方的某点 。试定性画 出点电位器可动端分别处于 a、b、c 三 点时的 uo - uc 相对应的波形图。
uc C R1 R2
(7-10)
D1
+
D2
RW
a c b
－ + +
uo
§8.2 三角波发生器
X o
反馈信号代替了放大 电路的输入信号。
(7-27)
X d
X f
基本放大 电路Ao 反馈电路
F
自激振荡条件的推导
X i
+
–
X d
基本放大 电路Ao
X o
X f
反馈电路
F
AX X o o d FX X f o X X X d i f
1 F 3
(7-37)
R2 2R1
能自行启动的电路（1）
RT 半导体 热敏电阻 起振时，RT略大于2R1， 使|AF|>1，以便起振； uo 起振后，uo逐渐增大则 RT逐渐减小，使得输出 uo为某值时，|AF|=1， 从而稳幅。
t
R C R C
_
+
R1
+
uo
t
Rt
A
(7-38)
uc上升阶段表示式: t uc (t ) U OM (U L U OM )e RC
uc UH t 0 UL
T1
T2
U H U OM (U L U OM )e
T 2 RC
uc下降阶段表示式: t uc (t ) U OM (U H U OM )e RC
T1 时间段，电容 C 通过 R´ 放电 T2 时间段，电容 C 通过 R 充电
uo
t
T1 R R´ R2 T2 + –C
－ + +
R1 R2
uo1被嵌位 于±Uz
- + +
uo
充放电的 时间T1、T2可通过 R、R'调整。 当R'=0时，则为锯齿波发生器。
(7-19)
§8.3 锯齿波发生器
X i