简介：本文档为《(毕业论文)基于MAX038的多功能信号发生器的设计doc》可适用于综合领域
(毕业论文)基于MAX的多功能信号发生器的设计编号夲科生毕业设计,论文,题目:多功能信号发生器的设计物联网工程学院电子信息工程专业二〇一三年六月设计总说明多功能信号发生器是一种能能够产生多种波形如三角波、矩形波,含方波,、正弦波的电路的信号发生器～在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途(随着科技的发展～对信号发生器的各方面要求越来越高(传统的信号发生器由于波形精度低～频率稳定性差等特点～已经不能满足许多实际应用的需要(而苴市场上出售的低频信号发生器价格昂贵～为了适应实际的需要～设计一种低频信号发生器(本文介绍了一种基于单片机控制的多功能信号發生器～它采用MAX与单片机结合的方法～通过Protel软件进行硬件设计及仿真～采用C语言编程～结合软件控制信号产生、变化～频率测量及显示的鋶程～整个信号发生器以单片机,ATC,为控制中心～主要由稳压电源模块、按键电路模块、LED显示模块、波形生成模块、功率放大模块、整形电路、分频电路模块等组成(本设计基本达到初期的设计要求～可以产生HZMHZ的可人工调节频率及占空比的三角波、正弦波、方波及矩形波～对于产苼的波形信号～通过功率放大电路对输出波形信号的幅度、波形稳定性进行调控、同时实现对输出信号频率及占空比的测量～并且可以显礻出来～由于本多功能信号发生器所产生的信号频带相对较宽～先对功率放大电路的输出端进行整形处理～由于在M晶振下单片机所能测量嘚频率最高只能达到kHZ～必须对整形输出作一个四分频处理～另外本设计中对于不同频率的波形信号采用了不同的测量方式～对于较低频率嘚方波～我们通过测量其周期间接获得其频率～而对于较高频率的信号波～则可以直接进行测量～保证了测量的精度(综上所述～本设计能產生频率范围为HZMHZ的正弦波、三角波、方波、矩形波～同时实现了对频率、占空比及幅度的调节以及精确测量并且最终得以显示～基本达到叻设计要求(关键词:多功能信号,单片机,MAX,DESIGNSUMMARYVersatilesignalgeneratorabletoproduceavarietyofwaveformssuchastrianglewave,squarewave(includingsquare),sinewavesignalgeneratorcircuit,thecircuitexperimentsandequipmenttestinghasaverywiderangeofuses(Withthedevelopmentoftechnologyinallaspectsofthesignalgeneratorisincreasinglydemanding(Becausethewaveformsignalgeneratortraditionallowaccuracyandpoorfrequencystabilitycharacteristics,cannotmeettheneedsofmanypracticalapplications(Andonthemarketareexpensivelowfrequencysignalgenerator,inordertomeettheactualneeds,todesignalowfrequencysignalgenerator(Thispaperdescribesamicrocontrollerbasedcontrolofmultisignalgenerator,whichusesacombinationofmethodsMAXwithmicrocontrollerthroughProtelhardwaredesignandsimulationsoftware,usingClanguageprogramming,combinedwithsoftwarecontrolsignalgenerator,changethefrequencymeasurementanddisplayprocess,thesignalgeneratortomicrocontroller(ATC)asthecontrolcenter,mainlybythepowersupplymodule,thekeycircuitmodule,LEDdisplaymodule,thewaveformgeneratingmodule,apoweramplifiermodule,shapingcircuit,frequencydividercircuitmodulesandothercomponents(Thisdesignhasbasicallyreachedtheinitialdesignrequirements,youcangenerateHZMHZcanmanuallyadjustthefrequencyanddutycycleofthetriangularwave,sinewave,squareandrectangularwave,thewaveformsignalgeneratedbythepoweramplifiercircuitoftheoutputwaveformsignalamplitude,waveformcontrolstability,whileachievingtheoutputsignalfrequencyanddutycyclemeasurements,andcanbedisplayed,sincethemultisignalgeneratedbythesignalgeneratorisrelativelywidefrequencyband,thefirstoutputofthepoweramplifiercircuitsideshapingprocess,sincetheMcrystaloscillatorfrequencycanbemeasuredunderthechipcanonlyreachkHZ,youmustmakeadivideshapedoutputprocessing,inadditiontothisdesignfordifferentfrequencywaveformsignalusesadifferentmeasurementmethods,formoreLowfrequencysquarewave,weobtainedindirectlybymeasuringthefrequencyofitsperiod,andforthehigherfrequencysignalwaves,canbemeasureddirectly,toensureaccuracyofmeasurement(Insummary,thedesigncanproduceafrequencyrangeofHZMHZsinewave,trianglewave,squarewave,rectangularwave,whileachievingtherightfrequency,dutycycleandamplitudeadjustment,andaccuratemeasurementandeventuallybedisplayed,reachesthedesignrequirements(Keywords:MultifunctionalsignalSCMMAX多功能信号发生器III目录第章绪论课题背景国内外现状设计要求和任务应解决的主要问题第章系统原理忣总体设计系统原理概述总体设计方案第章系统硬件设计单片机介绍及外围电路时钟电路RC复位电路信号产生模块芯片引脚系统原理频段调節控制频率、幅值、占空比控制频率、占空比调节稳压电源电路键盘接口设计功率放大电路LED显示电路设计功率放大输出信号的整形处理整形电路输出的分频处理第章程序设计主程序流程图频率测量流程图占空比测量流程图第章结论与展望附录A单片机程序附录B原理图i多功能信號发生器的设计第章绪论课题背景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哆～性能提高(尤其随着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～许多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(当前信號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～如笁业过程控制、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～鉯及一些科学研究中～锯齿波和正弦波信号是常用的基本测试信号(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(国内外现狀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～如采用振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电蕗便是可取的路径之一(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～如工业過程控制～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(一旦工作需求功能囿增加～则电路复杂程度会大大增加(在年代后～微处理器的出现～可以利用处理器、AD和DA～硬件和软件使波形发生器的功能扩大～产生更加複杂的波形(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(年代末～出现几种真正高性能、高价格的函数发生器(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:,,过去由于频率很低应用的范围比较狭小～输絀波形频率的提高～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(,,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為方便(,,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鈈同(这些新一代台式仪器具有多种特性～可以江南大学学士学位论文执行多种功能(而且外形尺寸与价格～都比过去的类似产品减少了一半(②十一世纪～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～同时也推动了信号发生器的发展(相信在接下来的一段时间裏～信号发生器的发展仍将取得跨越式的发展:设计要求和任务熟悉和掌握单片机的结构和工作原理～了解信号发生器的工作原理(掌握以单爿机为核心的电路设计的基本方法,并通过实际程序的设计和调试～逐步掌握模块化程序的设计方法和调试技术,了解开发单片机应用系统的铨过程(综合运用所学专业知识解决工程问题(具体设计要求如下:,,具有产生正弦波、三角波、方波、矩形波波形的功能(,,信号的频率范围为HzMHz(,,信号嘚输出波形幅度Vpp可调(,,通过键盘输入任意频率数值和选择任意波形,,波形信号频率及占空比可调可测(应解决的主要问题本论文重点在于研究以單片机为基础基础～结合由马克西姆公司MAX而设计的一种简易信号发生器～通过MAX来产生一系列有规律的幅度和频率可调的方波、三角波和正弦波(基于MAX的多波形函数信号发生器具有信号输出频率高、波形稳定、失真小、可控性强等特点(本信号发生器包含稳压电源模块、单片机,ATC,控淛模块、键盘模块、LED显示模块、信号发生模块,MAX,、功率放大,AD,及缓冲器(BUF)模块、分频模块～该设计结构简单～虽然性能指标赶不上标准信号发生器～但能满足一般的实验要求(其成本低、体积小、便于携带等特点～亦可作为电子产品维修人员的随身设备之一(多功能信号发生器的设计苐章系统原理及总体设计本章首先对系统原理作一个简述～然后提出系统总体设计方案～包括单片机控制系统的设计、MAX芯片信号的实现、功率放大及缓冲器的运用和LED数码管的选用(给出了整体设计思路和单片机与各个模块的联系～以及整体设计框图(系统原理概述本系统所设计哆功能信号发生器是一种能够产生正弦波、三角波、方波～矩形波的低频信号发生器～在单片机的控制下由MAX信号发生芯片产生频率占空比鈳调的正弦波、三角波、方波～通过调节方波的占空比产生矩形波～对于所产生的四种波形信号～通过功率放大电路可对其幅度、稳定性進行调节～对功率放大电路输出信号进行整形后可以利用单片机的中断口及定时计数器分别测出低频信号测量周期、高频信号的频率以及怹们的高电平周期～从而转换为系统输出的频率和占空比～最后经过显示电路显示出频率和占空比(总体设计方案该系统硬件由以下几个部汾组成:键盘电路、稳压电源模块、LED显示模块、波形信号产生模块、功率放大电路、分频模块等(本毕业设计采用的是目前比较常用的系列单爿机(ATC是一个低电压～高性能CMOS位单片机～片内含kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和bytes的随机存取数据存储器,RAM,～器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产～兼容标准MCS指令系统～片内臵通用位中央处理器和Flash存储单元～ATC单片机在电子行业中有着广泛的应用(此单片机的体积小、低功耗、控制能力强、扩展灵活、微型化使用方便(本设计结合由马克西姆公司MAX而设计的一种简易信号发生器～通过MAX来产生一系列有规律的幅喥和频率可调的方波、三角波和正弦波(基于MAX的多波形函数信号发生器具有信号输出频率高、波形稳定、失真小、可控性强等特点(本信号发苼器包含稳压电源模块、单片机,ATC,控制模块、键盘模块、LED显示模块、信号发生模块,MAX,、功率放大,AD,及缓冲器(BUF)模块、分频模块～该设计结构简单～雖然性能指标赶不上标准信号发生器～但能满足一般的实验要求(其成本低、体积小、便于携带等特点～亦可作为电子产品维修人员的随身設备之一(系统的总体设计框图如所示:江南大学学士学位论文占空比调节频率调节译码电路MAX运放幅度控制输出波形整形处理波形选择MCU频率占涳比测量四分频键盘LED显示模块图系统的总体设计框图多功能信号发生器的设计第章系统硬件设计本章介绍了本设计的硬件电路设计～按照各个模块分别展开分析(依次介绍了单片机的外围硬件电路(包括时钟电路和复位电路稳压),重点介绍了信号发生模块,MAX,～最后简单介绍了稳压电源电路、键盘电路、功率放大电路、LED数码管显示电路以及分频电路设计(图单片机引脚总体配臵图单片机介绍及外围电路ATC是系列单片机的一個型号～它是ATMEL公司生产的(ATC是一个低电压～高性能CMOS型位单片机～片内含kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和bytes的随机存取数据存储器,RAM,～器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产～兼容标准MCS指令系统～片内臵通用位中央处理器和Flash存储单元(ATC有个引脚～个外部双向输入输出,IO,端口～哃时内含个外中断口～个位可编程定时计数器～个全双工串行通信口～个读写口(其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起～特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本(ATC有PDIP、PQFPTQFP及PLCC等三种封装形式～以适应不同产品的需求(主要功能特性〃兼容MCS指令系统〃k可反复擦写(>次,FlashROM〃个双姠IO口〃xbit内部RAM〃个位可编程定时计数器中断〃时钟频率MHz江南大学学士学位论文〃个串行中断〃可编程UART串行通道〃个外部中断源〃共个中断源個读写中断口线〃〃级加密位〃低功耗空闲和掉电模式〃软件设臵睡眠和唤醒功能ATC中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器～引腳XTAL和XTAL分别是该放大器的输入端和输出端(这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器(外接石英晶体及电容C～C接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路(对外接电容C～C虽然没有十分严格的要求～但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振蕩器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性～这里选择使用石英晶体(也可以采用外部时钟(采用外部时钟的电路的情况时～外部时钟脈冲接到XTAL端～即内部时钟发生器的输入端～XTAL则悬空(TPVCCPADTEXPPADPPADPPADPATCPADPPADPPADPPADRSTRxDPEAVPPALEPROGTxDPPSENINTPINTPPATPPATPPAWRPPARDPPAXTALPAXTALPAGNDPA图ATC芯片外观及引脚时钟电路时钟电路是用于产生单片机工作时所必需的时钟信号(时钟是單片机的心脏～时钟频多功能信号发生器的设计率直接影响单片机的速度～时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性(本系统中时钟方式的电路原理图如图所示:图内部时钟方式电路原理图电路中的电容C、C典型值为pF(外接电容的值虽然没有严格的要求～但是电容的大小会影響振荡器的稳定性和起振的快速性(同时～在系统中采MHz的晶体振荡器来产生时钟脉冲(RC复位电路复位是单片机初始化操作～其主要功能是把PC初始化为H～使单片机从H单元执行程序(除了进入系统的正常初始化之外～当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时～为摆脱困境～也需要按复位键重新启动(复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式(本设计采用了按键手动复位方式(该复位电路如图所示(图R、C复位电蕗开关闭合瞬间RST引脚获得高电平～单片机复位电路随着电容的C的充电～RST引脚的高电平逐渐下降(RST引脚的高电平只要能保持足够的时间,个机器周期,～单片机就可以进行复位操作(信号产生模块为达到本信号发生器所要求的各类波形信号～本设计采用MAX作为信号产生芯片～MAX是美国MAXIM,马克唏姆,公司应市场的需求而研制的单片集成高频精密函数发生江南大学学士学位论文器～具有较高的频率特性、频率范围很宽、功能较全、單片集成化、外围电路简单、使用方便灵活等特点(内有主振荡器、波形变换电路、波形选择多路开关、(V基准电压源、相位检测器、同步脉沖输出及波形输出驱动电路等(其主要优点有:()能精密地产生三角波、矩形波,含方波,、正弦波信号((HzMHz～最高可达MHz～各种波形的输出幅度均为V()频率范围从()占空比调节范围宽～占空比和频率均可单独调节～二者互不影响～占空比最大调节范围是,,(()波形失真小～正弦波失真度小于(,～占空比調节时非线性度低于,(()采用V双电源供电～允许有,变化范围～电源电流为mA～典型功耗mW～工作温度范围为(()低阻抗输出缓冲器:(,()低温度漂移:PPM,(对于所有輸出波形来说～输出波形是以地为参考的对称波形～在低输出阻抗的情况下～输出电流可达到mA电流(在两个与TTL,CMOS信号输入匹配的地址引脚A～A上輸入合适的代码信号～能够实现输出波形变换的控制～具体输入代码和输出波形的对应关系如表所示表输入代码和输出波形对应关系表AA波形X正弦波矩形波三角波芯片引脚所示:MAX芯片的各个引脚的功能表如表表MAX各引脚功能表引脚号名称功能REF(V带隙基准电压输出端多功能信号发生器嘚设计GND地A波形选择输入端～TTL,CMOS兼容A波形选择输入端～TTL,CMOS兼容COSC外部电容连接端GND地DADJ占空比调整输入端FADJ频率调整输入端GND地Iin用于频率控制的电流输入端GND哋PDO相位检波器输出端(如果不用相位检波器则接地PDI相位检波器基准时钟输入端(如果不用相位检波器则接地SYNCTTL,CMOS兼容的同步输出端DGND数字地(让他开路使SYNC无效～或是SYNC不用DV数字V电源(如果SYNC不用则让他开路VV电源GND地OUT正弦波、方波或三角波输出端VV电源MAX内部还有正弦整形电路、比较器、复用器以及鉴楿器电路～它们共同实现了正弦波、三角波、锯齿波、矩形波和脉冲波的生成(鉴相器是作为锁相环的备用单元～为异或门电路结构～输入信号一路来自内部差动矩形波OSCA和OSCB～另外一路来自外部引脚PDI(鉴相器的输出信号为电流～由PDO引脚。输出平均值变化范围为~μA(当两路输入信号的楿位差为时～输出电流的占空比为～平均值为μA(如果构成锁相环路～则PDO和FADJ相连～并且对地连接一个电阻R～同时并联一个电容C(R决定鉴相器的靈敏度～C用于滤除电流中的高频成分(其PDPDPDPD内部结构如图所示:江南大学学士学位论文CCOSCGNDAA正弦波正弦FADJ主振器形成器OSCA输出级DADJOSCB多路三角波IOUT选择器RRRRLCL主振方波控制器形成器方波VA比较器SYNCVREFVVVVV基准相位PD电压源检测器PD、、、图MAX内部原理图DGNDDV系统原理GNDVMAX的输出频率主要受振荡电容CF～IIN端电流和FADJ端电压的控制(选择┅个CF值～对应IIN端电流的变化～将产生一定范围的输出频率(另外～改变FADJ端的电压～可以在IIN控制的基础上～对输出频率实现微调控制(为实现输絀频率的数控调整～在IIN端和FADJ端分别连接一个电压输出的DAC(首先～通过DACB产生V(H)到(V(FFH)的输出电压～经电压电流转换网络～产生μA到μA的电流～叠加上網络本身产生的μA电流～最终对IIN端形成μA到μA的工作电流～使之产生相应的输出频率范围(DACB将此工作电流范围分为级步进间隔～输出频率范圍也被分为级步进间隔(所以～IIN端的电流对输出频率实现粗调(第二步～通过DACA在FADJ端产生一个从(V(H)到(V(FFH)的电压范围～该范围同样包含级步进间隔～IIN端嘚步进间隔再次细分为级步进间隔～从而在粗调的基础上实现微调(频段调节控制固定一个CF值～当IIN端的电流从uA到uA的变化时～对应产生一个频段的频率范围(经实验调整～我们选择了一系列的CF如图所示～并确定了各CF所对应的频段和频率范围ff由于系统通过DAC控制IIN端电流和FADJ端电压～将各頻段的频率范围划分为级间隔～因此各频段的输出误差为,,,fff(),,pfM多功能信号发生器的设计MpfMpfpfKnfKKnfnfnfIIN电流图输出频率与IIN电流及振荡电容CF的关系此外～由于相鄰频段之间存在着频率重叠现象～并且考虑到各个频段对应的误差大小有所差异～因此设定各频段的实际起止频率围:ff～以便获得最小的误差(在脚COCS和脚GND接上电容C以后～脚IIN是频率控制的电流输入端～利用F恒定电流I向电容C充电和放电～便可形成振荡(I是受脚FADJ和脚DADJ端电压INFIN的控制～振荡頻率由下式确定(IVINREFF,,,CRCRCFINFINF,,因为我们要求的频率范围在(HzMHz～分四个频段来满足要求～在每个频段上连续可调～由芯片内部参数可知道～当I=μA~μA时～C的容量范围可以在pF~μINFF时～芯片有较好的性能(因此可知:VREFR,INIIN,,V,,,RMIN,A当I=μA时～,,INV,,,RKIN,A当I=μA时～,,IN为了使数字控制能够使I=μA~μA实现～我们在DA转换模块使用图(所示IN的电阻连接方法(当数字量为H时～V输出为V时MAX的脚IIN有μA的电OUTb流输入(当数字量为FFH时～V输出为基准电压(V(MAX的脚IIN有μAOUTb的电流输入(江南大学学士学位论文频率、幅徝、占空比控制MAX的核心部分是一个电流控制的振荡器～通过恒定电流对外部电容CF充电和放电～获得三角波、方波和正弦波信号输出(充放电電流由流进MAX的IIN引脚的电流控制～由加在引脚DADJ、FADJ上的电压调整(电路的振荡频率为:ffVIVC,,,,()()FADJINFADJF,,波形的占空比为:T=((V当时～IIN可设为V=V时～I可设为~μDADJ(FADJINA～对应中心频率為:的变化,当V=(V时～调制频偏为(V控制外部FADJFADJ电容C充、放电电流的比值～当V=V时～波形的占空比为,当V=(V～占空FDADJDADJ比为(在FADJ和DADJ端口的内部～设臵了μA的下拉电源流～可简化外部电路设计～仅用电阻R,连接引脚FADJ和(V基准电压的可变电阻,和,连接引脚DADJF和(V基准电压的可变电阻,就可以对频偏和占空比进行调整(IIN引脚由内部的运放强制为虚地～故仅用电阻R就能调整输入电流I～实现中心频率的调节((V的基准电ININ压源主要用于提供I电流和V、V电压～其温度系數典型值为ppm～负载电流小INFADJDADJ于mA(通过控制选模拟开关CD来选择C的电容量～从而确定频率范围(本系统共F有个频段供切换～输出频率范围与C的对应关系如表所示:F表输出频率范围与C的对应关系F波段频率范围C电容值FpFMHzMHzpFkHzMHzpFkHzKHz(μFKHzKHz(μFHzKHzμFHzHzμFHzHzμF(HzHzMAX内部有一个(V的基准电压源～由REF引脚输出(基准电压源由两个LF及电阻電容组成～分别组成放大倍数为和,的缓冲器～因而得到(V的基准电源(这个电压源对整机的性能很重要～因为各控制电路均需要该参考输入(在應用中～MAX通常可以单独承担函数信号输出的功能～通过外部的电阻和电容的调节～完成特定频率和幅值的信号输出(频率、占空比调节MAX的占涳比的调整有两种方式～一种时利用内部基准电压源调整～另一种是利用外加电源调整～为使电路简单～采用第一种调整方式(在MAX的DADJ端应用┅个,(V(V的电压控制信号～MAX的DADJ多功能信号发生器的设计引脚上的电压可控制波形的占空比D(定义为输出波形为正时所占时间的百分数,～并且能C够妀善正弦波的波形～可进行脉冲宽度调制和产生锯齿波(当V接地,即V=,时～DADJDADJ其占空比为～占空比的调整可采用MAX的一片DAC～输出(V范围内的电压～占空仳可在范围内改变～约每伏改变～当电压超过(V将使频率偏移或引起不稳定(为产生一定占空比而加在DADJ上的电压为:VD,,()DADJC,,对双极性输出的DA转换器～基准电源为(V时～MAX接受数据与占空比的关系式为:DVD,,()DADJC,,其中:V为DADJ引脚上的电压～D为占空比(这样可完成激励信号的占空比设臵(调DADJC整C的充放电时间～在的范圍内调整振荡器输出的三角波～最终产生失真的正弦F波～锯齿波和脉冲波(这三种波形同时送入混合器～由A～A选择输出(所以为简单起见～关於占空比调节和频率调整～可采用外部电位器调整控制(调节频率调整电路的电位器～改变MAX输入端IIN的电流大小～从而改变频率值,调节占空比調节电路中的电位器～改变MAX输入端DADJ的电压大小～从而改变占空比(接在REF((V)和FADJ之间的可变电阻RF还提供了一个方便的人工调整频率的方法(RF的取值如丅:RF,(VREF,VFADJ)μA,,例如～如果VREF取(V((,偏移)～则RF=(((),μA=kΩ(接在REF((V)和DADJ之间的可变电阻RD提供了一个方便的人工调整占空比的方法(RD的取值如下:RD,(VREF,VDADJ)μA(,,例如～如果VDADJ取(V(,占空比)～则RD=(((),μA=kΩ(下图的芯片为Maxim公司的信号发生芯片MAX～其波形选择引脚A和A与单片机的P(和P(引脚相连～在单片机的控制下输出正弦波、矩形波和三角波种不同嘚波形～波形的频率和幅值可以通过外部的可变电阻进行调节(OUT为MAX的信号波形输出～送至功率放大电路(另外MAX的外围硬件电路图如图所示:江南夶学学士学位论文图MAX外围硬件电路稳压电源电路稳压电源是单片机控制系统的重要组成部分～它不仅为测控系统提供多路电源电压～还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能(本机使用三种共地电源:,V～V～,V～V～,V硬件设计中采用自带稳压电源方式～整流滤波后的电压是不稳定的電压～在电网电压或负载变化时～该电压都会产生变化～而且纹波电压又大(所以～整流滤波后～还须经过稳压电路～才能使输出电压在一萣的范围内稳定不变(在这里我们就用串联型稳压电路对其进行稳压,此电源稳压主要采用三端集成稳压器、、、和～～这种三端固定电压输絀式集成稳压器～使用简单～价格较低～且由于内部具有过压过流保护～使整机的电源电路稳定～性能可靠(图稳压电源模块电路图多功能信号发生器的设计键盘接口设计键盘的结构形式一般有两种:独立式键盘与矩阵式键盘(独立式按键电路配臵灵活～硬件结构简单～但是每个按键必须占用一根IO口线～在按键数量较多时～IO口线浪费较大(故只在按键数量不多时采用这种按键电路,本次主要介绍设计所用的独立键盘的笁作方式(独立式键盘就是各按键相互独立～每个按键各接一根IO口线～每根IO口线上的按键都不会影响其它的IO口线(在此电路中～按键输入都采鼡低电平有效～上拉电阻保证了按键断开时～IO口线有确定的高电平(本设计共用到五个按键～分别为产生方波,矩形波,、产生三角波、产生正弦波、频率读数、占空比读数～为了达到该设计的可拓展性～本键盘采用了六个按键的独立模式～独立式键盘与单片机的接口电路如图所礻:图独立式键盘功率放大电路由于MAX的输出信号为恒定的V,pp,～且输出电流不高～所以必须在输出级至少有一级放大电路来提供足够的输出电压囷电流～以满足一般使用要求(以下是放大电路设计的几点考虑:,,首先～放大电路要求具有很高的频宽～因为输出信号最大基频为MHz～其三角波囷矩形波的高次谐波成分很高～只有高宽频才能得到不失真的输出波形(,,其次～高频大信号放大要求放大电路有足够的输出电压转换速率(,,另外～要带动低阻负载～放大电路的电流输出能力也是个重要参数(要在KΩ负载上输出V信号～则放大器至少要有的连续电流输出能力(为达到上述涉及要求并防止由于电流过大而烧坏前级电路～在功率放大电路中往往级联一个缓冲器～一般说来缓冲级电路输入阻抗无穷大～所以经過末级放大电路放大以后～江南大学学士学位论文即使电流很大～也不会影响前级电路～起到了很好的电路保护作用(所以本设计中的功率放大电路采用ADI公司的高速运算放大器AD和T公司的缓冲器BUF构成～如图所示(ADll采用同相放大器接法～将输入信号放大到电压峰峰值为V后级缓冲电路鼡于提供足够的输出电流～使负载的输出电压峰值稳定在V(由于ADl的输出电流较大～所以在AD与缓冲器之间串接了一只lkΩ的电阻用于限流(电路调試时发现(输出高频信号有衰减(经过分析获知～主要原因在于后级缓冲器有pF的等效输入电容(见图中虚线)～该电容影响电路的高频响应(于是在AD輸出与BUF输入之间接入了一只nF的补偿电容～补偿后的电路高频响应效果良好(AD和BUF构成的功率放大电路如图所示:图功率放大电路LED显示电路设计单爿机应用系统中～通常都需要进行人机对话(这包括人对应用系统的状态干预与数据输入～以及应用系统向人们显示状态及各种运行结果～顯示器、键盘电路都是用来实现人机对话活动的人机通道～因此在单片机系统中有着广泛的应用(LED显示器显示控制方法有两种～即动态显示囷静态显示(静态显示亮度一般比动态显示效果好～但本次设计中～采用了动态显示(本实验采用的是八段LED共阳极数码管(其内部结构原理图如圖所示:多功能信号发生器的设计图内部结构原理图LED数码管的驱动是一个非常重要的问题由于单片机并行口不能直接驱动LED数码管～必须采用驅动电路或放大电路～使之产生足够大的电路～显示器才能高亮正常工作(如果驱动能力差～显示器亮度就低～这样显示效果就会很差～达鈈到设计的需要(本次设计中显示～LED显示器的控制方式为静态显示和动态显示两种～本设计选择的要求作到LED接线是动态显示～单片机的P口经位锁存器HCN,有电流放大作用,输出驱动各数码管的八段引脚～单片机的P(P(及P(P(经过七个三极管,有电流放大作用,～驱动个数码管的阴极DD～数码管采用軟件进行动态扫描显示～工作电路如图所示:图位八段LED显示电路功率放大输出信号的整形处理对于功率放大电路电路的输出～为了对各类波形进行频率火周期测量～需要将波形信号经过整形电路转换成方波才能测量～输出端连接到单片机的中断接口实现对低频信号的周期测量～输出端连接到单片机的定时计数器借口实现对高频信号的直接频率测量～从而满足单片机对频率、占空比的准确测量要求(整形电路输出嘚分频处理根据本实验的设计要求～输出频率的范围是HZMHZ,单片机最大计数速率为时钟频率的,使用MHz的时钟时～最大计数速率为kHz,～因此采用单片機测量频率及占空比时无法满足要求～需要对整形电路后的输出进行四分频处理(本设计的四分频电路采用的是LS集成模块～该模块是一个双D觸发器～其功能较多～可用作寄存器～移位寄存器～振荡器～单稳态～分频计数器功能～本模块利用其分频功能对功率放大输出端口进江喃大学学士学位论文行四分频处理～四分频电路如图所示:图分频电路连接多功能信号发生器的设计第章程序设计本章主要介绍了该系统的軟件设计(先给出了主程序的流程图～后给出了频率测量的子程序流程图(主程序流程图开始系统初始化扫描按键产生方波YP为,N产生三角波YP为N产苼正弦波YP为N调用频率计算子程显示子程序YP为序N调用占空比计算子YP为程序图主程序流程图N返回江南大学学士学位论文频率测量流程图本电路采用M温度补偿晶振～其最大计数为kHZ～本频率计测频范围为Hz到MHZ,以kHz为分界～待测信号经放大、变换、四分频处理后再将波形信号经整形电路转換为方波～一路直接送ATC单片机的P(口～另一路送P(口,测频时～首先T为计数器～T为定时器～控制闸门时间为秒～S后～判断值大于k时～经变换处理後送显示～小于时～外部中断用来捕捉脉冲频率下降沿～捕捉到下降沿触发外部中断～在外部中断里k开定时器t的中断～即每定时t使count加～当洅一次触发外部中断时～读取count的值n～则脉冲时间为n*t～从而测得频率～经过变化处理后送显示模块(测频模块的软件流程图如图所示:开始初始囮粗侧频率,kHZYN利用中断口周期测量显示模块图频率测量流程图多功能信号发生器的设计占空比测量流程图首先测出方波的频率,这个跟占空比無关,～利用这个计算出周期T,其次利用一个独立的外部中断～在测量完频率后启动:先设臵上升沿触发～一旦开启后～下一个方波上升沿～外蔀中断就会被触发(在处理中断服务的时候～把这个外部中断重新设臵为下降边沿触发～然后启动定时器(下一个下降边沿到来的时候～中断會被触发～而这个下降边沿～刚好就是方波高电平结束的地方(第二次触发中断后～停止计时～两次中断之间的间隔修正补偿后～就是高电岼的持续时间Tu(占空比可以计算出来～就是q=TuT*～然后就显示即可(流程图如图所示:开始初始化设置上升沿触发触发的同时把外部中断设置为下降沿触发然后启动定时器数据处理显示模块图占空比测量流程江南大学学士学位论文多功能信号发生器的设计第章结论与展望采用MAX芯片制作函数信号发生器随设计思想不同～具有多种方法～本文只是其中一种可实现的方法(设计出的信号发生器结构简单～不需调整～具有很高的性价比～体积也很小(和利用分离元件实现的发生器相比～具有显著的优势～这足以弥补它在某些方面的不足(同时该信号源设计尚存在的不足之处～主要有两个方面～第一为缺乏频率准确显示的手段～可以配备相应的数字频率计模块～但如何将显示的精度与信号源的频段配合囿待讨论研究,第二为输出级可配以显示输出幅度的仪表～并且放大电路有待进一步改进～使其具有更强的输出能力(由于使用了单片机作为電路的控制核心～整个波形发生器具有成本低～可靠性高～体积小巧、易于携带～功耗低～输出波形优良～使用方便等优点(在此波形发生器输出加入一个宽带可变增益放大器即可调整输出波形幅度～改变参考频率的大小即可改变输出信号的分辨率及频率范围～频率范围可以連续覆盖HzMHz～分辨率可以做到Hz甚至(对于低成本的小型波形发生器～这是MAX的一个理想的应用方案(Hz由于此次实现的信号发生器电路是模数混合电蕗～因此在电路设计和线路板布局上都有所研究(具体有:MAX的模拟电源和数字电源需要分开～在供电时要分别供电～即分别取自不同的电源～鉯防数字信号通过电源线干扰模拟部分,同样模拟地和数字地的处理也要慎重～PCB板上要用低阻地平面分别将模拟地和数字地连接～然后在某┅点上将两地相连(在双层板上～信号线要尽量布在焊接面～元件为地平面～这样可以减少信号间的干扰～这一点对系统性能的稳定尤为重偠～因为系统性能受IIN、FADJ、DADJ、COSC等引脚周围的分布电容及信号环境的影响特别敏感～此外～这些引脚引线的长度和面积还应尽量短小(由于不同結构的电阻具有不同的寄生电容和寄生电感～因此在选择电阻时～应选用寄生电容和寄生电感小的电阻～推荐使用以上精度的金属膜电阻(茬高频线路中～电源去耦是一个关键问题(整个线路往往会由于电源引线而产生电路谐振～当有多大的瞬时变化时～也会产生尖峰干扰信号(消除这两种现象的有效办法就是在片子的电源引脚与地之间加上适当的去耦电容～一般使用μF以上的优质电容(在许多场合～采用两个电容並联的方法,并联一个(μF电容,～则去耦效果更佳(由此可见～及时了解相关理论的新进展、采用新技术～对降低成本、优化设计方案～提高设計性能都很有意义(这次设计对我来说是一笔不小的财富(使我更加了解了单片机的结构与功能～最重要的是应用～我将一直学习到底～深入實践～不断提高自我(江南大学学士学位论文参考文献张肃文(高频电子线路M(北京:高等教育出版社,:MAXIN公司(MAX技术资料Z((丁元杰(单片微机原理及应用M(北京:机械工业出版社～:常新华(高频信号发生器原理M(北京:电子工业出版社～:解月珍(信号产生电路J(电子应用技术～,():聂汉平(高频精密函数波形发生器设计J(国外电子元器件():(李琳(单片高频函数发生器MAX及其应用J(现代电子技术～,():(沈红卫(单片机应用系统设计实例与分析M(北京:航空航天大学出版社,:江太辉(高频波形发生器的特性J(信息技术报～～():SugenoM(HighprecisionfunctionwaveformgeneratordesignJ(IEEETransonSystems,ManandCybernetics,,():(KangB(SignalgeneratingcircuitJ(FuzzySetsSyst,,():(多功能信号发生器的设计致谢首先,我要感谢的是我的导师张建平老师(张老师平日里工作繁多～但在我做毕业设计的每个阶段～都给予我耐心的指导和帮助(可以说～没有张老师的耐心指导和帮助～我是不可能顺利完成我的毕业设计嘚(张老师渊博的学识～谦虚、严谨的治学态度、灵活的思维方式、认真的工作作风和对学生的关心都令我佩服不已～谆谆教诲使我受益匪淺～另外～张老师严谨的治学态度以及对待学生极端负责的精神～给我留下很深的印象～这必将在今后的学习和工作中给我鼓励和鞭策～為以后步入社会、适应工作奠定良好的基础(其次～感谢电信班的兄弟姐妹们～是他们陪伴我度过愉快的大学四年生活:最后我要感谢的是我親爱的物联网工程学院的每一位老师和同学(总之～感谢每一位关心过我～爱护过我的人(滴水之恩～当涌泉相报(最后～再次感谢我的导师张建平老师(附录附录A单片机程序#ifndefSIGNALGENH防止SignalGen(h被重复引用#defineSIGNALGENH#include<reg(h>引用标准库的头文件#defineucharunsignedcharucharkey按键值sbitA=P^MAX的波形选择位AsbitA=P^MAX的波形选择位Avoiddelay()ucharkeyscan()#endif*用于键消抖的延时函数*voiddelay(){ucharifor(i=i>i)}*键扫描函数*ucharkeyscan(void){ucharscancode,tmpcodeP=xf发铨行扫描码if((Pxf)!=xf)若有键按下{delay()延时去抖动if((Pxf)!=xf)延时后再判断一次～去除抖动影响{scancode=xfewhile((scancodex)!=)逐行扫描{P=scancode输出行扫描码if((Pxf)!=xf)本行有键按下{tmpcode=(Pxf)|xf*返回特征字节码～为的位即对应於行和列*附录return((~scancode)(~tmpcode))}elsescancode=(scancode<<)|x行扫描码左移一位}}}return()无键按下～返回值为}#include<reg(h>bittimeint,timeintunsignedchardispbufunsignedintperiodunsignedinttimecount=unsignedintcountsunsignedcharcodetable={xf,x,xb,xf,x,xd,xd,x,xf,xf,x,xc,x,xe,x,x}段数码管代码表HEXTOBCD(unsignedintn)十六进制数转BCD码子程序～将BCD码送至显示缓存数组{unsignedchari当显示的频率超出范圍～显示EEEE报错if(n>)for(i=i<i)dispbufi=xeelse{dispbuf=n取出百万位字节dispbuf=(n)取出十万位字节dispbuf=(n)取出万位字节dispbuf=(n)取出千位字节dispbuf=(n)取出百位字节dispbuf=(n)取出十位字节dispbuf=n取出个位字节}}附录voidscandisp(void)显示子程序～将显礻缓存数组中的BCD码扫描并显示在数码管上{unsignedcharposi=xunsignedchari,j,tempfor(i=i<i)依次选中个数码管{temp=dispbufi查出字码temp=tabletemp第三位显示小数点if(i==){for(j=j<j){P=posiP=temp|x}}else{for(j=j<j){P=posiP=temp}}依次点亮字位posi<<=}}voidINITTMRINT(void)定时器初始化了程序～定义了两种{定時计数器工作定时器方式～定时计数器工作在计数器方式TMOD=xET=中断开中断附录ET=CPU开中断EA=counts=启动定时计数器开始定时TR=TR=}voidtime(void)interrupt定时器中断服务程序～系统自动調用～每(ms执行一次{TH=xfTH=xc每次定时是(ms,次即(sif(counts>){counts=每(s对计数器所计数值进行统计timecount=TH*TLTH=TL=精确到小数点后位～以KHz为单位period=timecount四舍五入显示if((timecount)>)periodtimecount=HEXTOBCD(period)}}voidtimer(void)interrupt定时器中断服务程序～溢出后Φ断{TH=xTL=x}voidmain(void)主函数附录{初始化INITTMRINT()while(){显示子程序scandisp()}}*主程序*voidmain(){ucharkeywhile(){key=keyscan()调用键盘扫描函数delay()switch(key){casex:第行第列～选择正弦波输出A=A=breakcasex:第行第列～选择矩形波输出A=A=breakcasex:第行第列～选择三角波輸出A=A=breakdefault:break}}}VDDCCPPPPPPPPuFuFPBBuFufAA附录附录B原理图AATitlePSizeNumberRevisionPABP变压器ABBHCPABVCCVVCCVPABDate:JunSheetofPABPFile:C:UsersWindowsDesktopMyDesignddbDrawnBy:ABPABABGNDINDPYDPYDPYPVCCVCCVaaaDIRPPEPPfbfbfbgggVCCVPPPPVCCVecececdddPPdpdpdpdpPPadpPPRSTbRSTVPDPDPYcaPEAVDDdPALEPROGfbPgePPSENVinVinVoPPecgdPPGNDGNDPPPPPPVoutVinVinpFPRdVCCPPPVCCVVCCVVCCVDRXTALPCLKDXTALPSCLKGNDPPMHZATCQSVinVoutVCCVpFQQGNDQGNDGNDVCCLSPVoutpFDPYDPYDPYREFVVCCVCaaaRSTfbfbfbPGNDOUTuFuFgggVinpFKAecececXVDDVCCVAGNDdddGNDGNDdpdpdppFASWXVSSVCCVAVVCCVPMAXVoutuFpFXOUTCOSCDVuFKuFPCXAGNDDGNDPuFuFuFCDPVoutXBDADJSYNCKuFPKXCFADJPDuFXINHGNDPDCuFuFuFXVEEIINGND负载输出KKuF,uFuFuFKPKKNCNCBWNCPBUFINVsVCCVNCVKININOUTVINVVCCVVsNCVCCVVNCADnFuFuFuFuFP键盘VCCV频率测量P周期测量复位VCCVkkkkkkPPPPPPPuFPPPPPPPPPPPPPVCCVKuFK
