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低频信号发生器设计
摘要
函数信号发生器是各种测试和实验过程中必不可少的工具，在通信、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。
不论是在生产、科研还是教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具，而且，信号发生器的设计方法很多，设计技术也越来越先进。
研究函数信号发生器的设计方法，克服传统方法的缺点，以更好的方法设计出比较复杂的调频、调幅功能的信号发生器。
本文采用函数信号发生器芯片ICL8038设计了一种信号发生器，完成了信号发生器的总体方案设计、硬件电路设计和软件设计。
硬件电路主要包括信号产生电路、单片机最小系统、频率控制电路、幅值控制电路以及键盘电路。
单片机最小系统负责系统控制，键盘电路用于波形的选择、频率的控制和幅值的控制。
末级的放大电路则对生成的信号进行适当的放大，以提高信号的振幅和强度。
软件部分主要实现输出信号的波形选择，输出信号的频率和幅值的调节。
关键词：
信号发生器，ICL8038，频率调节，幅值调节
Abstract
Functionsignalgeneratorisallsortsoftestandexperimentprocesstheessentialtool,incommunication,measuring,radar,control,teachingfieldsusedwidely.Bothinproductionandscientificresearchorteaching,signalgeneratorareelectronicengineersignalsimulationexperiment,andthebesttool,signalgeneratorsignalgeneratordesigntechnologyisbecomingmoreandmoreadvanced.Researchfunctionsignalgeneratordesignmethods,overcomeshortcomingsoftraditionalmethods,inordertobetterdesignedcomplexFM,attenuationfunctionsignalgenerator.
Inthispaper,thefunctionsignalgeneratorICL8038chipwasadoptedtodesignakindofsignalgenerator.Thissignalgeneratormainlyincludestheoveralldesignofthewholesystemstructure,thedesignofhardwareandsoftware.Hardwarecircuitismainlyincludingsignaloutputcircuit,single-chipmicrocomputerminimumsystem,waveformsoutputcircuit,frequencycontrolcircuit,amplitudecontrolcircuitandkeyboardcircuit.Singlechipminimizesystemisresponsibleforusersinteractionandsystemcontrol,keyboardcircuitforselectionofwaveform,frequencyandamplitudecontrol.Thelaststageamplifiercircuitisthesignaltogenerateproperamplifier,inordertoimprovethesignalamplitudeandstrength.Thesoftwaredesignmainlyusedtorealizetheselectionofwaveformtype,changeoffrequencyandamplitude.
KeywordsSignalgenerator,ICL8038,changeoffrequency,changeofamplitude
1绪论
1.1信号发生器概述
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，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。
随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地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，都有了很大的提高。
波形发生器也称函数发生器，作为实验信号源，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，多为锯齿波，正弦波，方波，三角波等波形。
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经之一，不用依靠。
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。
1.2信号发生器的发展状况
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、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，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。
1.3本文的主要工作
本文主要安排五个章节介绍基于单片机的信号发生器。
第一章为绪论部分。
主要介绍信号发生器的背景及意义，波形发生器的发展状况，本文的主要内容及章节安排。
第二章为信号发生器总体方案设计。
主要介绍了信号发生器的整体结构，信号发生器的主电路结构及工作方式，本文基于ICL8038的信号发生器的整体方案设计。
第三章为信号发生器的硬件设计。
主要包括信号波形产生电路，单片机控制电路，频率控制电路，幅值控制电路，键盘电路及波形选择电路的设计。
第四章为信号发生器的软件设计。
主要包括主程序的设计，幅值调节程序，幅值调节程序，波形选择程序和键盘程序等设计。
第五章为结论部分。
对全文进行了总结，提出设计所取得的成效和不足。
2信号发生器的总体方案设计
2.1信号发生器的方案选择
本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号选择、信号频率控制以及信号幅值的控制。
在设计的过程中，我们针对信号发生部分、信号幅值控制部分、信号幅值控制部分进行不同方案的比较。
2.1.1信号发生部分
方案一：
采用震荡电路（如RC振荡电路或555震荡电路）实现频率的连续调节，通过波形变换电路得到所需的波形。
但是该电路对电阻和电容的要求较高，工作很不稳定。
方案二：
采用专用波形IC芯片（如MAX038或ICL8038）实现，通过改变外围电路参数设置输出信号的频率。
该方案实现简单，电路简单，可以参考。
方案三：
采用单片机、FPGA、DDS芯片等通过软件编程生成波形数据，在经过D/A转换电路实现模拟信号输出。
该方式能实现各种波形，且能达到各个频率，但成本较高。
根据以上比较采用方案二。
2.1.2信号幅值控制部分
方案一：
采用可编程放大器，电路简单，对放大倍数以及信号输出电压有较高的要求，需要对输出电压进行预先处理。
方案二：
采用数字电位器，该方式能通过单片机控制，实现幅值的调节。
该方式线路简单，编程方便，可实施性强。
方案三：
采用单一放大电路，该方式能得到可调连续的幅值变化，但还得需要进行峰值检测，反馈给单片机输出幅值信号，方法比较繁琐。
根据以上比较，采用方案一。
2.1.3信号频率控制部分
方案一：
采用纯可变电阻调节，改变函数信号发生器芯片ICL8038输出波形的频率，该方法还得通过频率计来得出频率，实现太繁琐。
方案二：
改变接入电路的电容大小，可以通过单片机编程实现频率的调节，且容易通过编程显示频率。
根据以上比较，采用方案二。
2.2信号发生器的总体方案
2.2.1硬件总体方案
ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需调整个别的外部元件就能产生从0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。
输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。
另外由于该芯片具有调频信号输入端,所以可以用来对低频信号进行频率调制。
我们设计能输出正弦波、方波、三角波。
它是本制作的核心，通过键盘输入，单片机AT89C52可控制ICL8038的输出波形类型的选择，并可由键盘设定电压值及频率，再经由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器输出对ICL8038的实现频率和幅度的调控。
硬件总体方案如下图所示。
图2.1系统模块图
本次设计所研究的就是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换的0-5V的电压脉冲值。
在设计时分块来做，按照波形选择模块、频率控制模块、幅值控制模块、键盘控制模块四个电路模块设计。
模块介绍：
（1）4*4键盘模块：
实现波形的切换、幅值的控制和频率的控制。
（2）幅值控制模块：
通过单片机控制程控增益放大器AD603，改变其反馈电阻的大小，实现幅值的变化。
（3）频率控制模块：
通过单片机控制接入电路的电容的组合，改变输出信号频率的大小。
（4）波形选择模块：
通过控制输出口，实现正弦波、三角波、方波的输出。
通过以上的介绍，该信号发生器具有以下几个功能：
（1）通过按键能输出三角波、正弦波、方波等几种常用的波形。
（2）通过按键能实现幅值的连续可调，幅值范围为0.5-10V。
（3）通过按键能实现频率的调节
2.2.2软件总体方案
软件设计程序的基本思路是：
程序开始，先初始化。
然后检测键盘的按键：
如果是波形类型变换的按键按下，则转换波形种类；如果是频率改变的按键按下，改变输出频率；如果是幅值变换的按键按下，则改变放大器的反馈电阻，实现幅值的变化。
其主要完成的设计有以下几个部分：
（1）主程序的设计：
完成系统的初始化，各部分的配置以及在主循环中进行系统的工作状态检测。
（2）波形产生电路的编程：
完成通过按键选择波形类型的输出。
（3）幅值控制电路：
通过检测按键，实现单片机输出数字量的改变，同时改变DAC0832输出的模拟量，从而改变输出波形的幅值。
（4）频率控制电路：
通过按键实现接入ICL8038的电容的选择，从而实现频率的改变。
（5）键盘子程序：
通过扫描单片机I/O端口确定是否有键按下，并判断按下的是何种功能的按键。
然后根据键值转入相应的入口执行相应的按键子程序
2.3本章小结
本章主要介绍了信号发生器设计的总体思路。
主要包括以下几个内容：
首先是信号发生器的方案选择，通过比较实现信号发生器的各种方案的比较：
例如信号发生模块、信号幅值调整模块和频率调整模块等的比较中，选择出最好的一种实现方式；然后简单介绍波形发生器的核心器件ICL8038的信息，画出信号发生器的硬件框图。
之后是各个模块的简介，简单介绍各个模块的功能，最后是软件编程。
该章的作用是为下文的具体介绍做了个铺垫。
3信号发生器的硬件电路设计
本章将介绍信号发生器的电路设计原理，对各个功能模块分别进行讨论，主要包括波形产生电路、单片机控制电路、频率控制电路、幅值调节电路和键盘电路。
3.1信号产生电路
本设计主要基于函数发生器芯片ICL8038产生波形,该芯片是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需调整个别的外部元件就能产生从0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。
输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。
该芯片性能特点：
具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1％的失真度；三角波输出具有0．1％高线性度；工作变化周期宽，2％～98％之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。
ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为：
可同时产生和输出正弦波、三角波、方波等波形。
（1）ICL8038电源电压范围宽，采用单电源供电时，V+-GND的电压范围+10-+30V；采用双电源供电时，V+-V-的电压可在±5-±15V内选取。
电源电流约15mA。
（2）振荡频率范围宽，频率稳定性好。
频率范围是0.001Hz-300kHz，频率温漂仅50ppm/℃（1ppm=10-6）。
（3）输出波形的失真小。
正弦波失真度＜5%，经过仔细调整后，失真度还可降低到0.5%。
三角波的线性度高达0.1%。
（4）矩形波占空比的调节范围很宽，D=1%-99%，由此可获得窄脉冲、宽脉冲或方波。
（5）外围电路非常简单，易于制作。
通过调节外部阻容元件值，即可改变振荡频率，产生高质量的中、低频正弦波，矩形波（或方波，窄脉冲）,三角波（或锯齿波）等函数波形，其应用领域比普通单一波形的信号发生器更为广阔。
此外8038还能实现FM调制，扫描输出。
3.1.1ICL8038内部原理
图3.1ICL8038内部原理电路图
ICL8038是单片集成函数发生器，其内部原理电路框图如图3-1。
在图3-1中，ICL8038由恒流源I1、I2，电压比较器C1、C2和触发器等组成。
电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/（VR=VCC+VEE），电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。
当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。
而电流源I1则向外接电容C充电，使电容两端电压VC随时间线性上升，当VC上升到VC=2VR/3时，比较器C1输出发生跳变，使触发器输出端Q由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。
由于I2>I1，因此电容C放电，vc随时间线性下降。
当vc下降到vc≤VR/3时，比
较器C2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，vc又随时间线性上升。
如此周而复始，产生振荡，若I2=2I1，vc上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。
而触发器输出的方波经缓冲器输出到脚9。
三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。
因此，ICL8038能输出方波、三角波和正弦波等三种不同的波形
与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。
而触发器输出的方波经缓冲器输出到脚9。
三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。
因此，ICL8038能输出方波、三角波和正弦波等三种不同的波形
其中，振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。
恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。
当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的2／3倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。
由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的1／3倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。
在以上基本电路中很容易获得3种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得。
由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚3和管脚9输出。
适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。
因此，对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下，可以循环调节，从最小到最大，任意选择调整，所以，只要调节电容器充放电时间不相等，就可获得锯齿波等函数信号。
正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。
利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。
ICL8038中的非线性网络是由4级击穿点的非线性逼近网络构成。
一般说来，逼近点越多得到的正弦波效果越好，失真度也越小，在本芯片中N＝4，失真度可以小于1。
在实测中得到正弦信号的失真度可达0．5左右。
其精度效果相当满意。
3.1.2电路分析
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。
在初始阶段我们用以下几种由内部供给偏置电压调节的接线图对芯片进行测试，观察其特性，图3.2为基本接法。
图3.2ICL8038典型接法
针对以上电路失真无法调节的缺点，我们改进方案，实现正弦波正负失真的可调。
由于该芯片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。
下图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，在安装调试中，我们选用两只100K的多圈精密电位器，反复调节，达到了很好效果的方波占空比调节、正弦波和三角波的对称调节。
图3.3信号产生电路基本设计
在图3.3中，波形的选择是通过单刀三置开关SW1来实现的，频率调节依靠可变电阻RV3和电容C1，幅值调节通过程控增益放大器AD603调节，为了使放大器不会干扰波形，在放大器前接入一个电压跟随器。
这个电路已经可以产生方波、正弦波和三角波，下一步设计用单片机控制按键来选择波形以及波形幅值和频率的调节。
3.2单片机最小系统
单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。
相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高，且价格相对低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。
目前，在我国，单片机已经广泛地应用于只能仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。
本系统采用AT89C52单片机，该单片机AT89C52是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2052是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，AT89C2052是它的一种精简版本。
AT89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图3.4是AT89C52单片机芯片，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。
图3.4AT89C52DIP封装芯片
它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第一脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚……第40管脚。
AT89C52单片机的功能：
3.2.1主要特性
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命：
1000
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