1923_基于單片機(jī)的多功能信號(hào)發(fā)生器

1923_基于單片機(jī)的多功能信號(hào)發(fā)生器,基于,單片機(jī),多功能,信號(hào)發(fā)生器 黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 1 頁(yè)文獻(xiàn)綜述1.前言 隨著電子測(cè)量及其他部門對(duì)各類信號(hào)發(fā)生器的廣泛需求及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，促使信號(hào)發(fā)生器種類增多，性能提高。尤其隨著 70 年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號(hào)發(fā)生器向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。現(xiàn)在，許多信號(hào)發(fā)生器帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自動(dòng)故障診斷和自動(dòng)波形形成和修正等功能，可以和控制計(jì)算機(jī)及其他測(cè)量?jī)x器一起方便的構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。當(dāng)前信號(hào)發(fā)生器總的趨勢(shì)是向著寬頻率覆蓋、低功耗、高頻率精度、多功能、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。在科學(xué)研究、工程教育及生產(chǎn)實(shí)踐中，如工業(yè)過(guò)程控制、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)分析、材料試驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，常常需要用到低頻信號(hào)發(fā)生器。而在我們?nèi)粘Ｉ钪校约耙恍┛茖W(xué)研究中，鋸齒波和正弦波、矩形波信號(hào)是常用的基本測(cè)試信號(hào)。譬如在示波器、電視機(jī)等儀器中，為了使電子按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以利用熒光屏顯示圖像，常用到鋸齒波產(chǎn)生器作為時(shí)基電路。信號(hào)發(fā)生器作為一種通用的電子儀器，在生產(chǎn)、科研、測(cè)控、通訊等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 但市面上能看到的儀器在頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足許多方面實(shí)際應(yīng)用的需求。加之各類功能的半導(dǎo)體集成芯片的快速生產(chǎn)，都使我們研制一種低功耗、寬頻帶，能產(chǎn)生多種波形并具有程控等低頻的信號(hào)發(fā)生器成為可能。2信號(hào)發(fā)生器的工作原理信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生頻率為 20Hz200kHz 的正弦信號(hào)(低頻)。除具有電壓輸出外，有的還有功率輸出。所以用途十分廣泛，可用于測(cè)試或檢修各種電子儀器設(shè)備中的低頻放大器的頻率特性、增益、通頻帶，也可用作高頻信號(hào)發(fā)生器的外調(diào)制信號(hào)源。另外，在校準(zhǔn)電子電壓表時(shí)，它可提供交流信號(hào)電壓。低頻信號(hào)發(fā)生器的原理：系統(tǒng)包括主振級(jí)、主振輸出調(diào)節(jié)電位器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器(輸出變壓器)和指示電壓表。3. 信號(hào)發(fā)生器的分類正弦信號(hào)發(fā)生器：正弦信號(hào)主要用于測(cè)量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。按頻率覆蓋范圍分為低頻信號(hào)發(fā)生器、高頻信號(hào)發(fā)生器和微波信號(hào)黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 2 頁(yè)發(fā)生器；按輸出電平可調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器（即信號(hào)源）、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器（輸出功率能準(zhǔn)確地衰減到-100 分貝毫瓦以下）和功率信號(hào)發(fā)生器（輸出功率達(dá)數(shù)十毫瓦以上）；按頻率改變的方式分為調(diào)諧式信號(hào)發(fā)生器、掃頻式信號(hào)發(fā)生器、程控式信號(hào)發(fā)生器和頻率合成式信號(hào)發(fā)生器等。用 555 制作的多波形信號(hào)發(fā)生器低 頻 信 號(hào) 發(fā) 生 器 ： 包括音頻（20020000 赫）和視頻 （1 赫10 兆赫）范圍的正弦波發(fā)生器。主振級(jí)一般用 RC 式振蕩器，也可用差頻振蕩器。為便于測(cè)試系統(tǒng)的頻率特性，要求輸出幅頻特性平和波形失真小。 高 頻 信 號(hào) 發(fā) 生 器 ：頻率為 100 千赫30 兆赫的高頻、30300 兆赫的甚高頻信號(hào)發(fā)生器。一般采用 LC 調(diào)諧式振蕩器，頻率可由調(diào)諧電容器的度盤刻度讀出。主要用途是測(cè)量各種接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。輸出信號(hào)可用內(nèi)部或外加的低頻正弦信號(hào)調(diào)幅或調(diào)頻，使輸出載頻電壓能夠衰減到 1 微伏以下。（圖 1）的輸出信號(hào)電平能準(zhǔn)確讀數(shù)，所加的調(diào)幅度或頻偏也能用電表讀出。此外，儀器還有防止信號(hào)泄漏的良好屏蔽。標(biāo) 準(zhǔn) 信 號(hào) 發(fā) 生 器 微 波 信 號(hào) 發(fā) 生 器 ：從分米波直到毫米波波段的信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)通常由帶分布參數(shù)諧振腔的超高頻三極管和反射速調(diào)管產(chǎn)生，但有逐漸被微波晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管和耿氏二極管等固體器件取代的趨勢(shì)。儀器一般靠機(jī)械調(diào)諧腔體來(lái)改變頻率，每臺(tái)可覆蓋一個(gè)倍頻程左右，由腔體耦合出的信號(hào)功率一般可達(dá) 10 毫瓦以上。簡(jiǎn)易信號(hào)源只要求能加 1000 赫方波調(diào)幅，而標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器則能將輸出基準(zhǔn)電平調(diào)節(jié)到 1 毫瓦，再?gòu)暮箅S衰減器讀出信號(hào)電平的分貝毫瓦值；還必須有內(nèi)部或外加矩形脈沖調(diào)幅，以便測(cè)試?yán)走_(dá)等接收機(jī)。 掃 頻 和 程 控 信 號(hào) 發(fā) 生 器 ：掃頻信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生幅度恒定、頻率在限定范圍內(nèi)作線性變化的信號(hào)。在高頻和甚高頻段用低頻掃描電壓或電流控制振蕩回路元件（如變?nèi)莨芑虼判揪€圈）來(lái)實(shí)現(xiàn)掃頻振蕩；在微波段早期采用電壓調(diào)諧掃頻，用改變返波管螺旋線電極的直流電壓來(lái)改變振蕩頻率，后來(lái)廣泛采用磁調(diào)諧掃頻，以 YIG 鐵氧體小球作微波固體振蕩器的調(diào)諧回路，用掃描電流控制直流磁場(chǎng)改變小球的諧振頻率。掃頻信號(hào)發(fā)生器有自動(dòng)掃頻、手控、程控和遠(yuǎn)控等工作方式。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 3 頁(yè)頻 率 合 成 式 信 號(hào) 發(fā) 生 器 ：這種發(fā)生器的信號(hào)不是由振蕩器直接產(chǎn)生，而是以高穩(wěn)定度石英振蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源，利用頻率合成技術(shù)形成所需之任意頻率的信號(hào)，具有與標(biāo)準(zhǔn)頻率源相同的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。輸出信號(hào)頻率通常可按十進(jìn)位數(shù)字選擇，最高能達(dá) 11 位數(shù)字的極高分辨力。頻率除用手動(dòng)選擇外還可程控和遠(yuǎn)控，也可進(jìn)行步級(jí)式掃頻，適用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成，變換頻率迅速但電路復(fù)雜，最高輸出頻率只能達(dá) 1000 兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標(biāo)準(zhǔn)頻率源通過(guò)鎖相環(huán)控制電調(diào)諧振蕩器（在環(huán)路中同時(shí)能實(shí)現(xiàn)倍頻、分頻和混頻），使之產(chǎn)生并輸出各種所需頻率的信號(hào)。這種合成器的最高頻率可達(dá) 26.5 吉赫。高穩(wěn)定度和高分辨力的頻率合成器，配上多種調(diào)制功能（調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相），加上放大、穩(wěn)幅和衰減等電路，便構(gòu)成一種新型的高性能、可程控的合成式信號(hào)發(fā)生器，還可作為鎖相式掃頻發(fā)生器。 函 數(shù) 發(fā) 生 器 ：又稱波形發(fā)生器。它能產(chǎn)生某些特定的周期性時(shí)間函數(shù)波形（主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號(hào)。頻率范圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于其他非電測(cè)量領(lǐng)域。圖 2 為產(chǎn)生上述波形的方法之一，將積分電路與某種帶有回滯特性的閾值開(kāi)關(guān)電路（如施米特觸發(fā)器）相連成環(huán)路，積分器能將方波積分成三角波。施米特電路又能使三角波上升到某一閾值或下降到另一閾值時(shí)發(fā)生躍變而形成方波，頻率除能隨積分器中的 RC 值的變化而改變外，還能用外加電壓控制兩個(gè)閾值而改變。將三角波另行加到由很多不同偏置二極管組成的整形網(wǎng)絡(luò)，形成許多不同斜度的折線段，便可形成正弦波。另一種構(gòu)成方式是用頻率合成器產(chǎn)生正弦波，再對(duì)它多次放大、削波而形成方波，再將方波積分成三角波和正、負(fù)斜率的鋸齒波等。對(duì)這些函數(shù)發(fā)生器的頻率都可電控、程控、鎖定和掃頻，儀器除工作于連續(xù)波狀態(tài)外，還能按鍵控、門控或觸發(fā)等方式工作。 脈 沖 信 號(hào) 發(fā) 生 器 ：產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測(cè)試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，或用模擬信號(hào)來(lái)測(cè)試?yán)走_(dá)、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。脈沖發(fā)生器主要由主控振蕩器、延時(shí)級(jí)、脈沖形成級(jí)、輸出級(jí)和衰減器等組成。主控振蕩器通常為多諧振蕩器之類的電路，除能自激振蕩外，主要按觸發(fā)方式工作。通常在外加觸發(fā)信號(hào)之后首先輸出一個(gè)前置觸發(fā)脈沖，以便提前觸發(fā)示波器等觀黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 4 頁(yè)測(cè)儀器，然后再經(jīng)過(guò)一段可調(diào)節(jié)的延遲時(shí)間才輸出主信號(hào)脈沖，其寬度可以調(diào)節(jié)。有的能輸出成對(duì)的主脈沖，有的能分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。隨 機(jī) 信 號(hào) 發(fā) 生 器 ：隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器分為噪聲信號(hào)發(fā)生器和偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器兩類。 噪 聲 信 號(hào) 發(fā) 生 器 ： 完全隨機(jī)性信號(hào)是在工作頻帶內(nèi)具有均勻頻譜的白噪聲。常用的白噪聲發(fā)生器主要有：工作于 1000 兆赫以下同軸線系統(tǒng)的飽和二極管式白噪聲發(fā)生器；用于微波波導(dǎo)系統(tǒng)的氣體放電管式白噪聲發(fā)生器；利用晶體二極管反向電流中噪聲的固態(tài)噪聲源（可工作在 18 吉赫以下整個(gè)頻段內(nèi)）等。噪聲發(fā)生器輸出的強(qiáng)度必須已知，通常用其輸出噪聲功率超過(guò)電阻熱噪聲的分貝數(shù)（稱為超噪比）或用其噪聲溫度來(lái)表示。噪聲信號(hào)發(fā)生器主要用途是：在待測(cè)系統(tǒng)中引入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，以模擬實(shí)際工作條件中的噪聲而測(cè)定系統(tǒng)的性能；外加一個(gè)已知噪聲信號(hào)與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲相比較以測(cè)定噪聲系數(shù)；用隨機(jī)信號(hào)代替正弦或脈沖信號(hào)，以測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。例如，用白噪聲作為輸入信號(hào)而測(cè)出網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，便可得到這一網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)函數(shù)。 偽 隨 機(jī) 信 號(hào) 發(fā) 生 器 ： 用 白 噪 聲 信 號(hào) 進(jìn) 行 相 關(guān) 函 數(shù) 測(cè) 量 時(shí) ， 若 平 均 測(cè) 量 時(shí) 間 不 夠長(zhǎng) ， 則 會(huì) 出 現(xiàn) 統(tǒng) 計(jì) 性 誤 差 ， 這 可 用 偽 隨 機(jī) 信 號(hào) 來(lái) 解 決 。 當(dāng) 二 進(jìn) 制 編 碼 信 號(hào) 的 脈 沖 寬度 墹 T 足 夠 小 ， 且 一 個(gè) 碼 周 期 所 含 墹 T 數(shù) N 很 大 時(shí) ， 則 在 低 于 fb=1/墹 T 的 頻 帶內(nèi) 信 號(hào) 頻 譜 的 幅 度 均 勻 ， 稱 為 偽 隨 機(jī) 信 號(hào) 。 只 要 所 取 的 測(cè) 量 時(shí) 間 等 于 這 種 編 碼 信 號(hào)周 期 的 整 數(shù) 倍 ， 便 不 會(huì) 引 入 統(tǒng) 計(jì) 性 誤 差 。 二 進(jìn) 碼 信 號(hào) 還 能 提 供 相 關(guān) 測(cè) 量 中 所 需 的 時(shí)間 延 遲 。 偽 隨 機(jī) 編 碼 信 號(hào) 發(fā) 生 器 由 帶 有 反 饋 環(huán) 路 的 n 級(jí) 移 位 寄 存 器 組 成 ， 所 產(chǎn) 生的 碼 長(zhǎng) 為 N=2-1 。3 總體方案論證與設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法通常有以下幾種：方案一：用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。方案二：可以由晶體管、運(yùn)放 IC 等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 IC 產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 IC，如 L8038、BA205、XR2207/2209 等，黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 5 頁(yè)它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有 300kHz，無(wú)法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影響。方案三：利用專用直接數(shù)字合成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到很高的頻率。但成本較高。方案四：采用 AT89C51 單片機(jī)和 DAC0832 芯片，直接連接鍵盤和顯示。該種方案主要對(duì) AT89C51 單片機(jī)的各個(gè) I/O 口充分利用. P1 口是連接鍵盤以及接顯示電路,P2口連接 DAC0832 輸出波形.這樣總體來(lái)說(shuō),能對(duì)單片機(jī)各個(gè)接口都利用上,而不在多用其它芯片,從而減小了系統(tǒng)的成本.也對(duì)按照系統(tǒng)便攜式低頻信號(hào)發(fā)生器的要求所完成.占用空間小,使用芯片少,低功耗。綜合考慮，方案四各項(xiàng)性能和指標(biāo)都優(yōu)于其他幾種方案，能使輸出頻率有較好的穩(wěn)定性，充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)的要求，而且這些芯片及器件均為通用器件，在市場(chǎng)上較常見(jiàn)，價(jià)格也低廉，樣品制作成功的可能性比較大，所以本設(shè)計(jì)采用方案四。參考文獻(xiàn):1 馮建雨 單片機(jī)控制的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J 東南大學(xué) 2002.52 熊飛麗.王光明.劉國(guó)福 多功能智能函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)J 國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程和自動(dòng)化學(xué)院 2002.9.273 鄭威.潘定 基于 MAX038 和單片機(jī)的高頻精密函數(shù)信號(hào)發(fā)生器J 福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院信息工程系; 暨南大學(xué)管理學(xué)院4 張立萍 一種種多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) J2005.105 景國(guó)新 基于 DDS 技術(shù)的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 成都電子科技大學(xué)增刊實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)J2006.126 劉燦.代永紅.肖偉.梅衛(wèi)龍 基于 FPGA 和 51 單片機(jī)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J 電子設(shè)計(jì)工程7 胡偉 LXI 高性能信號(hào)發(fā)生器模塊研制J 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010.78 楊晶晶.劉巖 基于 AT89C52 單片機(jī)的超低頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)J 現(xiàn)代電子技術(shù) 2011.29 張?zhí)m英 雙通道寬帶信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)J 哈爾濱理工大學(xué) 2010.3黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 6 頁(yè)10 張海黎.李俊德 單片機(jī) C 語(yǔ)與 C 高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的異同J 湖南廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào) 2002.1111Springer London. 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