单片机信号发生器设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景与意义 1
1.2 信号发生器的发展状况 1
1.3 主要研究内容 3
2 方案论证与设计 4
2.1 选题论证 4
2.2 主控模块的选型和论证 4
2.3 显示模块的选型和论证 4
2.4 信号产生模块的选型和论证 5
2.5 程控放大模块的选型和论证 5
2.6 负压产生模块的选型和论证 6
3 信号发生器的硬件电路设计 6
3.1 系统框图 6
3.2 主控模块 6
3.3 信号产生模块设计 11
3.4 程控放大模块的设计 13
3.5 电源电路设计 14
4 系统软件设计 15
4.1 主程序 15
4.2 程序设计原理 18
5 系统调试 18
5.1 硬件调试 18
5.2 软件调试 19
结论 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
系统整体原理图 23
系统仿真图 24
系统源程序 25
1 绪论
1.1 课题研究背景与意义
信号发生器作为现代常见的电子仪器，在实验设计以及生产实践过程都中有着非常广泛的应用。当代电子领域的日新月异，使得信号发生器从传统的纯硬件电路的波形质量差，控制难向基于单片机的软硬件结合的高性能、高精度、高准确性的转变。单片机的应用已经越来越深入，这必然会带来传统科学研究和生产技术领域的日益革新。单片机以其强大的控制能力已经占据智 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
能仪表、工业控制、日常生活等诸多领域的一席之地，其构成的仪器具有高可靠性，高性价比等优点[1]。
信号发生器既可以构成独立的信号源，也可以作为高性能的自动测试装备、网络分析仪和频谱仪的组成部分。信号源的优劣决定了系统性能的好坏，所以对信号源的要求也变得越来越高。传统采用振荡器的信号源有一定的局限性，如精度不高，产生的波形较少，准确性以及灵活性也较差等。随着科技的迅猛发展，要求信号源具备诸多优势，如频带范围宽、频率切换快、功耗低、成本低、体积小等。
本系统主要有以下几个模块组成：主控模块、显示模块、信号产生模块、程控增益模块和负压产生模块。采用AT89C52单片机作为其控制中心，设计了一个基于DAC0832的信号发生器，可输出不同频率的正弦波、三角波、锯齿波以及方波，并且可以通过按键来切换其输出波形，也可以改变频率和频率变化情况下的步进。
1.2 信号发生器的发展状况
1.2.1 发展历程
信号发生器产生于上世纪20年代，随着通信技术的不断发展，在40年代出现了标准信号发生器，最初只是为了用它进行各种接收机的测试，做定性分析，慢慢才发展为定量分析的仪器。脉冲信号发生器在这个时期也出现了，它的应用比较局限，主要用于脉冲测量。真正进入快速发展时期的是60年代，信号发生器也扮演着这个时期代表作的角色，该时期的信号发生器一般都运用模拟电子技术，其主要构成有分立元件或模拟集成电路，而模拟器件构成的电路不可避免的有其自身的缺点，如尺寸较大、价格昂贵、功耗较大等。如果要得到复杂的波形，必然使得其电路结构也非常复杂。另外还存在两个不可忽视的缺陷：一是信号发生器输出频率的调节必须要通过电位器，由于不能进行直接控制，因此如果想把频率调到某一个固定值，这并不容易；二是脉冲的占空比不可调节。70年代，信号发生器的功能又有了崭新的面貌，这主要归功于微处理器的出现，这时期的信号发生器已经能产生更加复杂的波形。但是还是多以软件为主，通过用微处理器对程序的控制来产生各种简单的波形，该种信号发生器的缺点是频率低，这主要还是因为微处理器的工作速度不快。到了90 年代末，才开始出现了几种真正高性能、高价格的信号发生器，不过依然还是没有占据市场的主角，价格昂贵是一个重要因素[2]。到了二十一世纪，随着现代电子技术的高速发展，数字信号处理处理技术逐渐崭露头角，在科学技术更替的进程中，总有淘汰者，模拟信号处理技术就在这进程中慢慢退出。数字信号处理处理技术在精度、准确度、速度方面都上了一个新高度，社会由此逐渐进入数字信号发生器时代。
1.2.2 国内外研究现状
当今社会，国家科技实力的迅速发展，使得信号发生器这类器件当前的发展局势运行的非常好，现在正往商业化、企业化方向发展。但是客观来说，在信号发生器的研究领域，依旧是国外几大仪器公司在引导着技术潮流，如日本横河、Agilent，其生产的信号发生器不仅能在任意条件下产生高质量的波形，也能产生低失真的波形，如三角波、正弦波，并且其频率和幅度很高。国内生产的各种信号发生器的主要性能指标在各方面也都有了很大的改进，以及一些简单的机械结构，小型化，多功能各个方面也有了显着的进步，如华高仪器、南京盛普仪器在信号发生器的生产改进方面都已经很接近国外的水平。
直接数字频率合成技术DDS是第三代频率合成技术，它是继直接频率合成技术和间接频率合成技术之后的新一代频率合成技术。现在的频率合成器芯片内部集成电路越来越多，而成本也不高，意味着它功能越来越强，性价比越来越高。在市面上DDS芯片的种类已经比较齐全，生产DDS芯片的主要有摩托罗拉公司、富士通和美国国家半导体公司。电子工艺的不断进步，使DDS芯片从原来的只能输出单一信号转变为可输出多种信号，从原来的并行控制变为现在的串行控制及总线控制，工作频率也提高了很多，因此由DDS芯片制成的信号源实用性更强。所以研究DDS技术有意义也有经济效应，现在及将来都有必要继续进行研究[3]。
1.2.3 信号发生器的发展前景
随着信号发生器运用领域的拓展和客户需求的不断上升，同时出口需求不断加大，信号发生器的新兴行业将迎来新的发展机遇，它必然将朝着越来越完善的方向发展[4]。任意一种测量仪器在社会各领域都有着不同的需求，需求程度决定了信号发生器不仅仅只是要做高精产品，它还会被应用于一些精度不高的实验，所以要全面地适应市场，观察市场得出：
（1）日渐趋于成熟的信号发生器，它作为一种产品种类会在竞品中选择出更好的产品，最终去满足大量用户的应用；
（2）信号发生器的设计将继续主要受通信工业需求的影响，特别是调制和编码；
（3）组件标准化的要求应该多听取系统用户的声音，了解他们的需求，去做出最贴合更多用户的产品，并为通信工业所采用；
（4）大多数信号发生器将继续用于一些小型的系统测试中，所以面向这些需求的产品将会更小，更轻，性能更高。
1.3 主要研究内容
本论文的研究内容安排如下：
（1）绪论部分，先大致介绍了课题的研究背景与意义，引入了信号发生器，然后回顾了信号发生器的发展历程，展示了它的前世今生，接着分析了信号发生器在国内外的研究现状，以及在这基础上它的发展前景；
（4）信号发生器的软件部分，介绍了整个信号发生器系统的软件设计方案，介绍了以AT89C52单片机为主控系统的软件程序的设计，包括主程序和产生正弦波，三角波，锯齿波，方波的程序，以及参数设置、数据采集、数据处理和分析等模块的程序编码；
1 绪论 1
1.1 课题研究背景与意义 1
1.2 信号发生器的发展状况 1
1.3 主要研究内容 3
2 方案论证与设计 4
2.1 选题论证 4
2.2 主控模块的选型和论证 4
2.3 显示模块的选型和论证 4
2.4 信号产生模块的选型和论证 5
2.5 程控放大模块的选型和论证 5
2.6 负压产生模块的选型和论证 6
3 信号发生器的硬件电路设计 6
3.1 系统框图 6
3.2 主控模块 6
3.3 信号产生模块设计 11
3.4 程控放大模块的设计 13
3.5 电源电路设计 14
4 系统软件设计 15
4.1 主程序 15
4.2 程序设计原理 18
5 系统调试 18
5.1 硬件调试 18
5.2 软件调试 19
结论 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
系统整体原理图 23
系统仿真图 24
系统源程序 25
1 绪论
1.1 课题研究背景与意义
信号发生器作为现代常见的电子仪器，在实验设计以及生产实践过程都中有着非常广泛的应用。当代电子领域的日新月异，使得信号发生器从传统的纯硬件电路的波形质量差，控制难向基于单片机的软硬件结合的高性能、高精度、高准确性的转变。单片机的应用已经越来越深入，这必然会带来传统科学研究和生产技术领域的日益革新。单片机以其强大的控制能力已经占据智 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
能仪表、工业控制、日常生活等诸多领域的一席之地，其构成的仪器具有高可靠性，高性价比等优点[1]。
信号发生器既可以构成独立的信号源，也可以作为高性能的自动测试装备、网络分析仪和频谱仪的组成部分。信号源的优劣决定了系统性能的好坏，所以对信号源的要求也变得越来越高。传统采用振荡器的信号源有一定的局限性，如精度不高，产生的波形较少，准确性以及灵活性也较差等。随着科技的迅猛发展，要求信号源具备诸多优势，如频带范围宽、频率切换快、功耗低、成本低、体积小等。
本系统主要有以下几个模块组成：主控模块、显示模块、信号产生模块、程控增益模块和负压产生模块。采用AT89C52单片机作为其控制中心，设计了一个基于DAC0832的信号发生器，可输出不同频率的正弦波、三角波、锯齿波以及方波，并且可以通过按键来切换其输出波形，也可以改变频率和频率变化情况下的步进。
1.2 信号发生器的发展状况
1.2.1 发展历程
信号发生器产生于上世纪20年代，随着通信技术的不断发展，在40年代出现了标准信号发生器，最初只是为了用它进行各种接收机的测试，做定性分析，慢慢才发展为定量分析的仪器。脉冲信号发生器在这个时期也出现了，它的应用比较局限，主要用于脉冲测量。真正进入快速发展时期的是60年代，信号发生器也扮演着这个时期代表作的角色，该时期的信号发生器一般都运用模拟电子技术，其主要构成有分立元件或模拟集成电路，而模拟器件构成的电路不可避免的有其自身的缺点，如尺寸较大、价格昂贵、功耗较大等。如果要得到复杂的波形，必然使得其电路结构也非常复杂。另外还存在两个不可忽视的缺陷：一是信号发生器输出频率的调节必须要通过电位器，由于不能进行直接控制，因此如果想把频率调到某一个固定值，这并不容易；二是脉冲的占空比不可调节。70年代，信号发生器的功能又有了崭新的面貌，这主要归功于微处理器的出现，这时期的信号发生器已经能产生更加复杂的波形。但是还是多以软件为主，通过用微处理器对程序的控制来产生各种简单的波形，该种信号发生器的缺点是频率低，这主要还是因为微处理器的工作速度不快。到了90 年代末，才开始出现了几种真正高性能、高价格的信号发生器，不过依然还是没有占据市场的主角，价格昂贵是一个重要因素[2]。到了二十一世纪，随着现代电子技术的高速发展，数字信号处理处理技术逐渐崭露头角，在科学技术更替的进程中，总有淘汰者，模拟信号处理技术就在这进程中慢慢退出。数字信号处理处理技术在精度、准确度、速度方面都上了一个新高度，社会由此逐渐进入数字信号发生器时代。
1.2.2 国内外研究现状
当今社会，国家科技实力的迅速发展，使得信号发生器这类器件当前的发展局势运行的非常好，现在正往商业化、企业化方向发展。但是客观来说，在信号发生器的研究领域，依旧是国外几大仪器公司在引导着技术潮流，如日本横河、Agilent，其生产的信号发生器不仅能在任意条件下产生高质量的波形，也能产生低失真的波形，如三角波、正弦波，并且其频率和幅度很高。国内生产的各种信号发生器的主要性能指标在各方面也都有了很大的改进，以及一些简单的机械结构，小型化，多功能各个方面也有了显着的进步，如华高仪器、南京盛普仪器在信号发生器的生产改进方面都已经很接近国外的水平。
直接数字频率合成技术DDS是第三代频率合成技术，它是继直接频率合成技术和间接频率合成技术之后的新一代频率合成技术。现在的频率合成器芯片内部集成电路越来越多，而成本也不高，意味着它功能越来越强，性价比越来越高。在市面上DDS芯片的种类已经比较齐全，生产DDS芯片的主要有摩托罗拉公司、富士通和美国国家半导体公司。电子工艺的不断进步，使DDS芯片从原来的只能输出单一信号转变为可输出多种信号，从原来的并行控制变为现在的串行控制及总线控制，工作频率也提高了很多，因此由DDS芯片制成的信号源实用性更强。所以研究DDS技术有意义也有经济效应，现在及将来都有必要继续进行研究[3]。
1.2.3 信号发生器的发展前景
随着信号发生器运用领域的拓展和客户需求的不断上升，同时出口需求不断加大，信号发生器的新兴行业将迎来新的发展机遇，它必然将朝着越来越完善的方向发展[4]。任意一种测量仪器在社会各领域都有着不同的需求，需求程度决定了信号发生器不仅仅只是要做高精产品，它还会被应用于一些精度不高的实验，所以要全面地适应市场，观察市场得出：
（1）日渐趋于成熟的信号发生器，它作为一种产品种类会在竞品中选择出更好的产品，最终去满足大量用户的应用；
（2）信号发生器的设计将继续主要受通信工业需求的影响，特别是调制和编码；
（3）组件标准化的要求应该多听取系统用户的声音，了解他们的需求，去做出最贴合更多用户的产品，并为通信工业所采用；
（4）大多数信号发生器将继续用于一些小型的系统测试中，所以面向这些需求的产品将会更小，更轻，性能更高。
1.3 主要研究内容
本论文的研究内容安排如下：
（1）绪论部分，先大致介绍了课题的研究背景与意义，引入了信号发生器，然后回顾了信号发生器的发展历程，展示了它的前世今生，接着分析了信号发生器在国内外的研究现状，以及在这基础上它的发展前景；
（4）信号发生器的软件部分，介绍了整个信号发生器系统的软件设计方案，介绍了以AT89C52单片机为主控系统的软件程序的设计，包括主程序和产生正弦波，三角波，锯齿波，方波的程序，以及参数设置、数据采集、数据处理和分析等模块的程序编码；
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