课程设计（论文）基于单片机的函数信号发生器的设计.doc
摘 要函数信号发生器是一种在科研和生产中经常用到的基本波形发生器，为此我们设计了一款基于利用AT89S52单片机的多功能函数信号发生器。利用AT89S52单片机、以ICL8038为核心的振荡电路、可编程键盘、1602液晶显示模块和高精度数字电位器X9C103等构成的一款函数信号发生器。可实现输出频率能在1 Hz-IMHz范围内连续调整，达到调试简单、性能稳定、使用方便等优点。系统采用了模块化的设计方法，实现了输出信号在频率和幅值上的精确调整，并可在1602液晶上实现功能及参数的显示。 关键词：函数信号发生器；ICL8038;数字电位器X9C103；调频；调幅AbstractFunction Signal Generator frequently used in research and production is a basic waveform generator, for which we designed a multi-function signal generator based on AT89S52 single chip.In this paper, a Function Generator is designed by using AT89S52 microcontroller, to the core of the oscillator circuit ICL8038, programmable keyboard, 1602 LCD modules and other high-precision digital potentiometer X9C103. Output frequency can be achieved in 1 Hz-I MHz within a range of adjustments, to debug a simple, stable performance, ease to use. System was used a modular design to achieve the output signal in the frequency and amplitude of the fine-adjusting, and can be realized in liquid crystal display 1602 with the functions and parameters.Keywords： Function Generator, ICL8038, Digital Potentiometer X9C103, FM, AM目录摘 要IIIAbstractIV一、信号发生器的电路设计与意义11.1设计意义：11.2系统功能分析11.2.1电路方案论证11.2.2键盘显示模块11.2.3方案选取2二、信号发生器元件与仿真32.1系统工作原理与分析32.1.1 ICL8038的简介32.1.2 X9C103的简介52.1.3 OP07（双极型运算放大器）的简介62.1.4 液晶显示电路模拟口接线方式82.2电路与调试技术92.2.1 由ICL8038等构成的函数发生器下图2.3所示92.2.2 数字电位器调试102.2.3 波形调试112.2.4 波形频率范围调试112.2.5 波形幅度范围调试122.2.6失真度调试122.2.7 软件调试132.2.8 数据的计算13三、电路中问题的发现与处理143.1安装与调试143.2遇到的问题与解决14参考文献15四、心得总结16谢辞17附录：18一、信号发生器的电路设计与意义1.1设计意义：函数信号发生器是一种在科研和生产中经常用到的基本波形发生器，随着大规模集成电路的迅速发展，多功能信号发生器已被制作成专用集成电路，在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。1.2系统功能分析 本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度的控制。在设计的过程中，我们综合考虑了以下三种实现方案： 1.2.1电路方案论证 方案一采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。 方案二采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 相信都很难控制。 方案三：采用8038单片压控函数发生器，8038可同时产生正弦波、方波和三角波。改变8038的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为0.001Hz300KHz。1.2.2键盘显示模块方案一：采用8段数码管，将单片机得到的数据通过数码管显示出来。该方案简单易行，但所需的元件较多，且不容易进行操作，可读性差，一旦设定后，很难再加入其他的功能。方案二：采用液晶显示系统，将得到的数据通过液晶系统显示。该方案所需液晶器件可由厂家提供，并且可用软件进行调制，对后续的功能兼容性高，只需将软件作修改即可，可操作性强，也易于读数。1.2.3方案选取在经过考论认证后，决定选着三种方案。这个方案的调幅，调频和失真，都要比第一，二中法案要好。由频率控制模块、幅度控制模块、键盘模块和液晶显示模块组成整个系统。用单片机控制键盘和液晶显示，液晶屏显示四个参数：频率、幅值、类型和不同频率范围中频率的步进。用单片机控制两个数字电位器中的抽头位置来实现改变输出的频率和幅度的大小，运用数字电位器X9C103和ICL8038共同设计的函数信号发生器。该电路能够产生稳定的正弦波信号、三角波信号、频率与占比可调节的矩形波信号，其输出频率能在1 Hz-IMHz范围内连续调整，达到调试简单、性能稳定、使用方便等优点。其工作系统框图如下图1.1所示。而显示模块，经过比较我们采用后者，此显示电路采用的是1602型号液晶显示器，它能显示16*2点阵，既能显示文本，也能显示图形。在这个设计中用液晶显示频率、幅值、类型和不同频率范围中频率的步进。 图1.1 基本电路二、信号发生器元件与仿真2.1系统工作原理与分析 2.1.1 ICL8038的简介ICL8038单片函数波形发生器，可以产生精度较高的正弦波、方波、矩形波、锯齿波等多种信号。产品的各种频率信号可通过改变外接电阻和电容的参数值进行调节，为快而准确地实现函数信号发生器提供了极大的方便。性能特点ICL8038具有以下主要参数和主要特点：工作频率范围：0001 Hz500kHz；波形失真度：不大于05；同时有3种波形输出：正弦波、方波和三角波； 电源：单电源为十10十30aV，双电源为±5±15V；足够低的频率温漂：最大值为50×106/；改变外接电阻、电容值，可改变输出信号的频率范围；外接电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比使用简单，外接元件少。原理简介 ICL8038采用DIP-14封装，管脚排列如下图所示。正弦波调节1正弦波输出2三角波输出3频率调节4占空比调节5V+ 6 调频78调频9 方波输出10外接电容11 V-12正弦波调节213 NC14 NCICL8038ICL8038管脚芯片ICL8038是由两个电流源、两个比较器、两个缓冲器、触发器和正弦波变换器等部分组成的。在10脚外接电容交替地从一个电流源充电后向另一个电流源放电，则在电容两端产生三角波。三角波加到两个比较器的输人端，同比较器的两个固定电平进行比较，从而产生触发信号，并通过触发器控制两个电源的相互转接。电容两端的三角波通过缓冲器加到正弦波变换器，则可以获得三角波输出和正弦波输出。通过比较器和触发器，并经过缓冲器，又可获得方波信号输出。因为三角波和方波信号是经过缓冲器获得的，因而输出阻抗较低（约200），而正弦波输出未经缓冲，输出阻抗较大（约1k），所以在实际使用时，还需要在8038的正弦波输出端再加一级独立的同相放大器，进行缓冲、放大、调整振幅等。在设计电路中如何精确的改变频率是这个电路的核心部分。由ICL8038构成的压控振荡器，它的频率主要是由其外接的电容和可变电阻来改变，电容的改变主要是进行频段的选择，如：0.05HzO.5Hz5Hz50Hz500Hz5KHz500KHz。在频段范围内如何改变得到精确的频率，传统的方式是通过机械电位器来改变，机械电位器有触点，滑动端长期滑动出现接触问题，而数字电位器没有触点，因而使用寿命和可靠性优于机械电位器，更重要的是精度很高。它用控制MOS管的X9C103开关来调节滑动端VW在VH和VL之间多个等值电阻的位置，抽头数越多，等值电阻越多。调整的范围越宽，对DCDC变换器的输出电压调整幅度越小。其工作原理如下：利用恒流源对外接电容进行冲、放电，产生三角波（或锯齿波），经缓冲器从第3脚输出：由触发器获得的方波（或矩形波），经缓冲器从第9脚输出，再利用正弦波变换器将三角波变换成正弦波，冲第2脚输出。改变电容的充、放电时间，可以实现三角波与锯齿波、方波与矩形波的互相转换。2.1.2 X9C103的简介为了提高本仪器的准确度，我们使用数控电阻X9C103来调节三个波形的线性比例系数， x9c103的引脚图如图2.2所示图2.2 X9C103样图X9C103采用单电源供电， Vcc，Vss分别是+5V电源的正端和地。CS(7)为片选线. VH(3)，VI，(6)，Vw(5)分别是数调电阻的两端和中间抽头。UD(2)是上调和下调标志信号.INC端为电阻步进信号.当数控电阻X9C103的片选端CS为低，若VD为高，则在INC端有个脉冲下降沿的时候， 电阻上调。反之若V/D为低，在INC端有个脉冲下降沿的时候，电阻下调。并且使用时一定要注意在芯片的正负电源引脚上接一个滤波电容，防止杂波干扰使芯片不工作。本设计中用到两个X9C103,它是10K的单100抽头非易失性线性数字电位器，有100个阻值，包含有100个电阻单元的电阻阵列，每个单元之间都可以被滑动单元访问。滑动单元的位置有CS、U/D和INC三个输入端控制，滑动端的位置还可以呗储存在一个非易失性存储器中，因而在下次上电工作是可以被重新调用。X9C103的分辨率等于最大的电阻值除以99。其中一个X9C103用单片机控制数字电位器是通过软件设置来改变其滑动抽头的步进大小，然后改变阻值从而调节输出频率的大小.还有一个X9C103是通过单片机控制来改变输出电压的大小，从而达到所需求的电压幅值。主要特点： 1、不需外部频率补偿： 2、具有短路保护； 3、失调电压调到零的能力； 4、较宽的共模和差模电压范围； 5、功耗低； 6、无阻塞现象。 7、该器件有个输入电压极限为10V，超过此电压可能造成芯片不工作,而在实际电路中我们用AT89S52单片机的P3.0、P3.1分别控制两个X9C103的U/D和INC，由P3.6、P3.7分别控制两个芯片的CS片选线。而由P1.3、P1.4来分别控制芯片的上调和下调。2.1.3 OP07（双极型运算放大器）的简介op07的功能介绍：Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。其特点有：超低偏移： 150V最大 。低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5V/ 。超稳定，时间： 2V/month最大高电源电压范围： ±3V至±22v OP07 管脚图 OP07芯片引脚说明: 1和8位偏置平衡（调零端） 2为反向输入端 3为正向输入端 4脚接地 5脚空脚 6脚为输出端 7脚接电源+2.1.4 液晶显示电路模拟口接线方式 1602基本操作时序(1)读状态：输入：RS=L,RW=H;E=H 输出：D0D7=状态字(2)写指令：输入：RS=L,RW=L,D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：无 （3）读数据：输入：RS=H,RW=H,E=H 输出：D0D7=数据（4）写数据：输入：RS=H,RW=L,D0D7=数据，E=高脉冲 输出：无 2.2电路与调试技术2.2.1 由ICL8038等构成的函数发生器下图2.3所示 图 2.3 函数发生器电路图上图是由ICL8038等构成的函数发生器电路。ICL8038由充放电泳电流源、比较器、电桥及将三角波变成正弦波的折线近似电路组成。该电路作为压控振荡器的工作方式，增设A1是为了改善控制电路的线性。振荡频率有控制电压（RP1的输出电压）、RP2的阻值。R1、R2和C3决定。ICL8038的输出阻抗在输出方波时由R3决定，三角波时为200，由于波形失真大，不能在高阻抗状态下输出正弦波，因此增设了缓冲放大器A2 。S1未转换开关，接1是输出方波，其振幅可摆到电源电压正负Ucc；接2是输出正弦 波，其振幅可为电源电压正负Ucc*0.33；接3时输出三角波，其振幅可为电源电压正负Ucc*0.22。 RP2用于调节波形的对称性；RP3用于调节超低频是波形的对称性；RP4用于将正弦波输出波形的失真跳刀最小。2.2.2 数字电位器调试 方法：利用软件产生一个单次脉冲检测程序，按下按键使电位器的滑动抽头移动来直接测量阻值(电压)的变化，如下图2.4图2.5。结果：每按一下按键，电阻值都向一个固定方向增大或减小说明利用软件控制数字电位器成功。根据测量电压每按一次键后变化Oo5伏(使用5伏电源)。在这个调试过程中 一定要使用单次脉冲来进行检测，这样可以看到电压表的变化。 图2.4 功能测试(一) 图2.5功能测试（二）2.2.3 波形调试(1)波形振荡部分调试ICL8038可以产生三种不同的波形，调试时只需要测芯片不同输出信号的对应引脚。测试结果：可以产生正弦波、三角波和方波三种不同的波形。2.2.4 波形频率范围调试测量方法：通过改变芯片l0引脚连接电容来改变频率(频段)的范围，通过软件控制X9C103在一定范围内调整频率的大小即进行微调。测量结果：改变与10引脚连接电容可以明显调整频率的范围。如下图调试前图2.6和调试后图2. 图2.6 图2.72.2.5 波形幅度范围调试通过仪器示波器观察到调整前幅值较小调整后幅值有了明显的增大。2.2.6失真度调试ICL8038的4脚和5脚是输出信号重复频率和占空比（或波形不对称度）调节端。通常4脚端接可变电阻，到V，5脚端接可变电阻到V，改变阻值可调节频率与占空比。如图所示为占空比频率调节电路，调节电位器RP，可以使输出波形对称，获得占空比为50的方波，图2.6中R182k是8038内部偏置电路所需要的。而且电位器RP和外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节RP，使波形对称 图2.8由上图2.6调试前可看出波形有些失真，但是通过调整ICL8038 4脚和5脚的电位器使输出波形失真降低。2.2.7 软件调试软件调试是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除的过程。软件调试一般采用先独立后联机、先分块后组合、先单步连续的调试方法。在软件调试中，首先调试子程序或函数，其次调试中断服务程序或函数，最后调试主程序或函数。许多子程序和目标硬件无关，对这部分程序完全可以和硬件进行同步调试或先于硬件进行调试。2.2.8 数据的计算 （1）精度的计算： Fj=103 (Rs2+1240)/Cw一03 (2Rs2+l 240)/Cwl=0。3 Rs2Cw； (1)Rs为数字电位器的单元阻值为100欧姆；所以由式(1)得Fj=03 1002Cw取Cw=05uF；Fj=75Hz （2）幅度的计算：Uo=RoR V (2)其中R0是软件设定的电位器B的电阻值；R是电位器B的全阻值；V是加在数字电位器上的满电压值；R0=X100*R； (3)由式(2)和式(3)推导出：U0=X100*V其中X是软件中控制数字电位器抽头所在的电阻单元号(1<=X<=l00)；例：X=50；U0=40100"12=5V（3）频率的计算： 由F=1/(2*3.14*R*CW) 可得F=0.33/RCW其中F是输出信号的频率，R是X9C103A的阻值和电阻R1的和的大小,CW是11脚所接电容的大小。三、电路中问题的发现与处理3.1安装与调试1. 在安装元件之前，尤其要注意电容元件的极性，注意三端稳压器的各端子的功能及 电路的连接。2.在焊电路的时候，我们要避免元件产生过高的温度，确保元件的完好性，和高度灵敏性。3.在安排电路的时候我们要安排合理，尽量少有跳线、重叠。4.基于ICL8038的电路在调试中就遇到较多的问题。3.2遇到的问题与解决1.在焊接点解电容的时候，我们必须要分清电容的极性，耐压值。要不在调试中，可能会因为电压值过高，而直接把电容给烧坏坏，严重甚至爆炸。2.基于ICL8038的函数发生器电路调试中，没有功能出。我们就要学会怎样排除故障，首先要大概知道，问题主要出现在那里；其次要测试元件有没有问题，把有问题的原件给找出来，更换。一般情况下主要有三个问题，(1)电子元件给短路了，这个我们可以利用压降来判断。(2)电子元件给短路了，这个可以利用万用表测试其通不通来判断。(3)电路板焊的电路虚焊，导致的断路，这个同样可以用万用表来测得。(4在判断是芯片可能有问题的时候，要查找芯片的资料，利用其经典简单的电路调测试 。是不是芯片有问题，并把故障给排除。(5）在遇到问题时，要学会利用各种器件综合协调把问题根源给找出来。参考文献考资料料：通用电子电路应用400例 作者：何希才等编著无锡商业职业技术学院学报 作者：戴建华，冒 莉 2008年6月第3期 EDA技术基础教程 作者：李建兵，周长林著 国防工业出版社 数字电子技术基础第五版 作者： 阎 石 等著 高等教育出版社C程序设计第二版 作者： 谭浩强著 清华大学出版社 电子技术基础模拟部分（第五版）作者：康华光等著 高等教育出版社四、心得总结通过这次函数信号发生器毕业设计的提炼，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，甚至得不到参数。在焊接的过程中也遇到了很多麻烦。在对X9C103B电路焊接时，由于没能之前更好理解5和6之间的管脚的联系，错误以为5和6的管脚是可以接一起的，导致最终在调试过程中，导致一直无法正确调节示波器上正确的幅值。在买器件过程中，以为没能意识到，器件的全部参数的总要性，结果买了一些电容因为耐压值不够，而导致浪费，甚至重新买。这次设计让我明白了一个道理，做任何事前之前，不管完成它的时间有多么充裕，我们都要事前做好准备、充分的利用时间合理安排是时间和团队的配合。这次给我的经验是宝贵的，在以后的单片机设计或毕业设计中，我就能更加好的利用，安排时间和把作品给做完美。在这次设计的过程中，最后的主电路在调试过程中，由于最后发现的问题是由于单片机AT89S52引脚接反导致芯片直接烧毁，虽然后来又买了一片吧，但是让我明白了往往细节问题是注定成败的关键，当你因为马虎而失败时候，你注定是失败了，而且是败给了自己。这次试验是成功了，但是我也于然收获不少的宝贵的经验，这就是我初次课程设计的收获。谢辞在本次毕业设计过程中，我要特别感谢我的两位指导教员张长峰教员和刘锦金教员，他们对该设计课题给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中,教员严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这四年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！同时还要感谢我的同伴，以及帮助过我其他同学，谢谢你们。最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。附录：实物图调试图：
