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函数信号发生器完整论文
本科毕业设计说明书
（
题目：
函数信号发生器设计
学生姓名：
赵守军
学院：
信息工程学院
系别：
电子系
专业：
通信工程
班级：
通信07-1
指导教师：
王秀玲副教授
二〇一一年六月
函数信号发生器设计
摘要
信号发生器又称信号源或振荡器，广泛应用于通信，雷达，测控，电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到波形发生器。
随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对波形发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，且操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。
可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场需求，研究制作函数信号发生器十分有必要，而且意义重大。
各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。
能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
函数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。
通过对信号发生器的原理以及构成的分析，可设计一个能产生出方波、三角波、正弦波、方波的函数信号发生器。
本课题采用集成芯片ICL8038制作方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法，经过protel的仿真制作，以及proteus仿真得出了方波、三角波、正弦波，方波—三角波转换及三角波—正弦波转换的波形图。
[关键词］信号发生器ICL8038仿真方波三角波正弦波
FunctionSignalGenerator
Abstract
Signalgenerator,alsoknownassourceoroscillator,widelyusedincommunications,radar,monitoringandcontrol,electronicwarfare,andmoderninstrumentation,andotherfields,isaworkfortheelectronicmeasurementoftheelectricalsignalstomeetthestringenttechnicalrequirementsforequipment,andoscilloscopes,voltagemeter,frequencymeterandotherinstrumentsasthemostcommon,basicandappliedoneofthemostwidelyusedelectronicdevices,almostallofthemeasurementofelectricalparameterstobeusedinthewaveformgenerator.Withtherapiddevelopmentofmodernelectronictechnology,modernelectronicmeasuringtheperformanceoftheworkofthewaveformgeneratorhasputforwardhigherrequirements,requiresnotonlycanproducesine,squareandotherstandardwaveforms,butalsogeneratearbitrarywaveformsasneeded,andeasytooperate,theoutputwaveformquality,widerangeofoutputfrequency,outputfrequencystability,highaccuracyandresolution,frequencyconversionandfrequencyconversionspeedandoutputwaveformphasecontinuousandsoon.Canbeseen,tomeetthecontinuousdevelopmentofmodernelectronictechnologyandmarketdemand,westudytheproductionfunctionsignalgeneratorisnecessaryandsignificant.
Curvesofvariouswaveequationcanbeexpressedbytrigonometricfunction.Canproduceavarietyofwaveformssuchastrianglewave,sawtooth,squarewave（withsquarewave）,thesinewavesignalgeneratorcircuitiscalledthefunction.Functiongeneratorinthecircuitexperimentsandequipmenttestinghasaverywiderangeofuses.Signalgeneratorthroughtheanalysisoftheprincipleandform,canbedesignedtoproduceasquarewave,trianglewave,sinewave,squarewavefunctiongenerator.ICL8038integratedchipsusedinthisprojectproducedasquarewave-Trianglewave-sinefunctiongeneratordesign,thesimulationproducedbyprotel,proteussimulationandobtainedthesquarewave,trianglewave,sinewave,squarewave-Transferandtrianglewavetrianglewave-sinewavewaveformconversion.
Keywords:
SignalGeneratorICL8038SimulationSquarewave
TriangleSinewave
引言
信号发生器是科研及工程实践中重要的仪器之一，在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域系统设计及调试过程中，用不同频率的正弦波、三角波和方波常作为信号源，应用十分方便。
过去常由分立元件及集成运放构成振荡器，分立元件体积大、相对耗能高、故障频率也高。
随着集成电路的迅速发展，用集成电路可以很快、很方便的构成各种信号波形发生器。
用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有很大的提高。
信号发生器根据用途不同,有产生三种或多种波形的发生器,其电路中使用的器件可以是分离器件,也可以是集成器件,产生方波,正弦波,三角波的方案有多种,如先产生正弦波,根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系,再通过整形电路将正弦波转化为方波,经过积分电路后将其变为三角波。
也可以先产生三角波-方波,再将三角波或方波转化为正弦波。
随着电子技术的快速发展,新材料新器件层出不穷,器件的可选择性大幅增加,例如ICL8038就是一种技术上很成熟的可以产生正弦波,方波,三角波的主芯片。
ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡等波形发生电路。
第一章背景与意义
1.1背景与意义
波形发生器即通常所说的信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于通信，雷达，测控，电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到波形发生器。
随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对波形发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，且操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。
可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场需求，研究制作高性能的函数信号发生器十分有必要，而且意义重大。
一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。
这种信号发生器虽然具有输出信号频率范围宽，结构简单等优点，但输出波形单一，不能产生任意波形，且频率稳定度和准确度较差，频率稳定度一般劣于10-5／分，频率准确度一般在0．5％以下，对于作为精密测量用的信号发生器，其频率稳定度一般要求达到10-6到10-7。
因此传统的信号发生器已经越来越不能满足现代电子测量的需要，正逐步退出历史舞台。
而基于频率合成技术制成的信号发生器，由于可以获得很高的频率稳定度和精确度，因此发展非常迅速，尤其是最近随着现代电子技术的不断发展，其应用更是有了质的飞跃。
1.2国内外动态
1.2.1波形发生器的发展状况
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、振动激励、通讯和仪器仪表领域引。
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，一是通过电位器的凋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瞄。
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年代木，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HPl776A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，Lecroy公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。
到了二十一世纪，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-心片，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的频率，采样的频率可达1．25GHz。
由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快近几年来，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。
从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。
目前可以利用可视化编程语言（如VisualBasic，VisualC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。
2．与VXI资源结合。
目前，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。
3．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。
1.2.2国外波形发生器产品
早在1978年，由美国Wavetek公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为5MHz，可以形成256点（存储长度）波形数据，垂直分辨率为8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。
变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。
波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。
以下给出了几种波形发生器的性能指标，从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在波形发生器上的研制水平。
公司
TeTtronix
TeTtronix
横河电机
Wavetek
型号
AG320
AWG710
AG5100
295
最高采用频率
16MS/s
4GMS/s
1GMSS/s
50MS/s
通道数
2
2
2
4
垂直分辨率
12bit
8bit
8bit
12bit
存储容量
64K
8M
1M
64K
输出电压
10V
2.5V
2V
15V
图1.2.2波形器产品比较
1.3函数信号发生器的集中实现方案
1.3.1程序控制输出方式
计算机根据波形的函数表达式，计算出一系列波形数据瞬时值，并定时地逐个传送给D／A转换器，合成出所需要的波形。
这种方式具有电路简单、实现方便等特点。
但数据输出定时不准确，会影响信号的频率和相位；波形数据输出依靠指令的执行来完成，当需要同时输出多个信号时，相邻信号通道的输出存在时间差；受计算机运行速度的限制，输出信号的频率较低。
1.3.2DMA输出方式
DMA（directmemo巧access）方式输出不依赖于程序的执行，由DMA控制器申请总线控制权，通过地址总线给出存储器的地址信号，同时选通存储器和D／A转换器，在两者之间建立直接的数据通道，使存储器相应单元中的波形数据传送给D／A转换器转换后输出信号。
DMA方式输出信号，可以大大提高信号的数据输出速率。
但也存在一些问题，如波形输出期间，微处理器因为失去了总线控制权，无法进行其他操作；在一个DMA操作中，只能在一个D／A转换器和存储器之间传送数据，无法实现多通道的信号输出。
1.3.3可变时钟技术器寻址方式
采用可变时钟计数器寻址波形存储器表，该方法是一种传统型任意波形发生器。
原理框图如图1.3.3所示。
可变时钟源
计数器
波形存储器
低通滤波器
图1.3.3可变时钟计数器寻址的任意波形发生器
图中的计数器实际上是一个地址发生器，计数器的触发时钟脉冲由一个频率可以控制的频率发生器产生，通过改变频率发生器的频率设置值，实现调整计数器产生的地址变化速率，从而改变输出的任意波形的频率。
计数器产生的地址码提供读出存储器中波形数据所需要的地址信号，波形数据依次读出后送至高速D／A转换器，将之转变为模拟量，经低通滤波器后输出所需的波形。
可见传统的任意波形发生器采用可变时钟和计数器寻址波形存储器表，此方法的优点是产生的地址连续，输出波形质量高。
但其取样时频率较高，对硬件的要求也较高，而且常需多级分频或采用高性能的锁相环，其中分频式的任意波形发生器频率分辨率低，锁相式的任意波形发生器频率切换速度慢。
1.3.4直接数字频率合成方式
DDS（directdigitalsynthesize）9是在一组存储器单元中按照信号波形数据点的输出次序存储了将要输出波形的数据，在控制电路的协调控制下，以一定的速率，周而复始地将波形数据依次发送给D\A转换器转换成相应的模拟信号。
由于用硬件电路取代了计算机的控制，信号输出稳定度高。
如需更新输出信号，不必改动任何线路和元器件，只需改写存储器中的波形数据即可。
更主要的是，可以将微处理器从信号输出的负担中解脱出来。
如图为其工作流程图。
频率设置
波形数据设置
图3.1.4直接数字频率合成方式的信号发生器
1.3.5利用专门的信号发生器集成芯片方法
ICL8038的函数信号发生器是一个用最少的外部元件就能产生高精度正弦波，方波，三角波，锯齿波和脉冲波形彻底单片集成电路。
调频的选择从0.001hz---300khz可以用电容器电阻器来调节，调频扫描还可以由同一个电压（外部）完成。
ICL8038函数发生器是采用二极管等先进工艺制造的单片集成电路芯片，输出时由温度和电源变化范围广决定，这个单片集成电路芯片和锁相回路作用，具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过250ppm/0C。
利用单片集成函数信号发生器ICL8038、集成振荡器、电位器等外围电路灵活的组成，使通过电源来产生产生正弦波、方波、三角波等波形电路。
第二章.本次毕业设计方案设计与选择
2.1函数信号发生器的设计方案
方案一
采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。
此方案中函数发生器电路组成框图如图2.1.
（1）所示。
由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。
差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。
特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
方案二
利用单片集成函数信号发生器ICL8038、集成振荡器、电位器等外围电路灵活的组成，使通过电源来产生产生正弦波、方波、三角波等波形电路。
工作原理整体框图如图2.1
（2）所示。
2.2方案选取
经过分析比较，由于方案一函数发生器所采用电路复杂，不易理解，更不容易掌握，所以本课题采用方案二利用单片集成函数信号发生器ICL8038、集成振荡器、集成定时器等灵活的组成来产生产生正弦波、方波、三角波等波形电路，具有线路简单，调试方便，功能完备，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高，系统输出频率范围较宽且经济实用，而且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。
特别适合用于工控和电子实验室，当输出缓冲电路独立设置多路时，可同时多路输出三种信号，比较容易满足设计需要。
第三章.电路的设计过程与分析
3.1电路设计原理图及与应用要点
3.1.1.函数信号频率和占空比的调节
由于ICL8038单片函数发生器有两种工作方式，即输出函数信号的频率调节电压可以由内部供给，也可以由外部供给。
图3.1为几种由内部供给偏置电压调节的接线图。
图3.1
（1）ICL8038典型应用
图3.1
（2）ICL8038典型应用
图3.1（3）ICL8038典型应用
在以上应用中，由于第7脚频率调节电压偏置一定，所以函数信号的频率和占空比由RA、RB和C决定，其频率为F，周期T，t1为振荡电容充电时间，t2为放电时间：
T＝t1＋t2 f＝1／T（3-1-1）
由于三角函数信号在电容充电时，电容电压上升到比较器规定输入电压的1／3倍，分得的时间为：
t1=CV/I=（C+1/3·Vcc·RA）/（1/5·Vcc）=5/3RA·C（3-1-2）
在电容放电时，电压降到比较器输入电压的1／3时，分得的时间为：
t2＝CV／I＝（C＋1／3·VCC）／（2／5·VCCRB－1／5·VCC／RA）
＝（3／5·RARB·C）／（2RA－RB）（3-1-3）
f＝1／（t1＋t2）＝3／｛5RAC［1＋RB／（2RA－R）］｝（3-1-4）
对图3.1
（1）视图中，如果RA＝RB，就可以获得占空比为50％的方波信号。
其频率f＝3／（10RAC）。
3.1.2.函数发生器原理图
由于ICL8038单片函数发生器所产生的正弦波是由三角波经非线性网络变换而获得。
该芯片的第1脚和第12脚就是为调节输出正弦波失真度而设置的。
图3.1.2为一个调节输出正弦波失真度的典型应用，其中第1脚调节振荡电容充电时间过程中的非线性逼近点，第12脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近点，在实际应用中，两只100K的电位器应选择多圈精度电位器，反复调节，可以达到很好的效果，图3.1.2即为产生三种波形的函数发生器的原理图。
图3.1.2函数发生器原理图
3.2电路主要芯片的分析
3.2.1.ICL8038管脚功能图及实物图
图3.2.1
（1）为ICL8038实物图。
脚1、12
（SineWaveAdjust）：
正弦波失真度调节；
脚2（SineWaveOut）：
正弦波输出；
脚3（TriangleOut）：
三角波输出；
脚4、5（DutyCycleFrequency）：
方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（V＋）：
正电源±10V～±18V；脚7（FM Bias）：
内部频率调节偏置电压输；脚8（FMSweep）：
外部扫描频率电压输入；脚9（Square Wave Out）：
方波输出，为开路结构；脚10（Timing Capacitor）：
外接振荡电容；脚11（V－or GND）：
负电原或地；脚13、14（NC）：
空脚。
如图3.2.1
（2）所示。
3.2.1
（2）ICL8038管脚图
3.2.2.ICL8038的性能特点
（1）具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃。
（2）正弦波输出具有低于1％的失真度。
（3）三角波输出具有0．1％高线性度。
（4）具有0．001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽。
（5）2％～98％之间任意可调；高的电平输出范围。
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