函数波形发生器硬件电路设计课程设计.docxVIP

函数波形发生器硬件电路设计1.概述函数波形发生器，可以产生某些特定的周期性时间函数波形(正弦波、方波、三角波、锯齿波等)信号，频率范围从几微赫到几十兆赫。它在国内外电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频发射。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电子测量领域。函数发生器在测量中作为信号源的应用也是非常广泛的。国际上波形发生器技术发展主要体现在以下两个方:（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，对各种计算机语言的飞速发展以及对任意波形发生器软件方面的技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如 Visual Basic ,Visual C 等等)编写任意波形发生器的软面板，同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）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。要得到一个频率稳定的正弦波、矩形波等多种波形的方法也很多，但是就国内外研究人员大多数研究状况都表明设备的成本都比较昂贵，电路比较复杂，为了节约成本，故本次设计利用单片机的基本性质，数字电路，模拟电路，通信原理以及C语言的应用，采用软硬件的方法来实现一个稳定性、可靠性较好，智能性强，电路操作简单，成本较低，能在键盘电路的控制下输出正弦波、方波、锯齿波、三角波并且频率可以调整、方波的占空比也可以进行调整的函数波形发生器。2 总体方案设计2.1 两种基本方案及思路方案一: 应用AT89C51单片机配合键盘电路，数模转换电路，数码管等在示波器上实现方波、矩形波、三角波和正弦波的输出，并通过按键电路能实现频率增减以及方波占空比的增减。能达到实用性强，智能性好的特点。方案二: 采用EDA技术，利用VHDL编程语言和综合设计能力设计出能输出矩形波、方波、三角波和正弦波以及测量范围为1hz——100khz，其幅度为100mV——5V的函数波形发生器。2.2 各方案优缺点以及最终方案选定方案一中AT89C51单片机是一种低电压，高性能的CMOS 8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。系统整体加入了8个键盘来分别控制4种输出波形以及频率增减和方波占空比的增减，通过数模转换和滤波放大电路输出。其失真小，性能稳定，智能型好 ，非常有助于设计者软硬件综合能力的提高。但是，由于受硬件限制，使频率调整范围小。程序设计时问题出现频繁，修改麻烦。数模转换时的芯片选择以及数模转换电路设计比较困难，一旦设计稍有偏差就会导致波形不稳定。方案二中利用EDA技术采取模块化设计思想,把系统分成几个具体的模块可以使电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。利用EDA的VHDL硬件描述语言来设计信号发生器可达到较高的频率和产生多种波形信号，工作稳定，只需改变软件部分就能改变波形，易于调试，成本低。然而，EDA技术都是在理想环境下进行仿真，不会考虑到干扰或者布线之类的影响。另外利用VHDL语言进行程序设计难度比较大，稍微的错误即会导致结果失真或是不稳定。由于相比利用EDA设计思路的方案二，利用单片机设计的方案一在软件方面采用的是C语言编写程序，比起VHDL语言更为简单灵活，实用性强。硬件电路成本比较低，布局十分简单，并由于按键式键盘电路的加入使整个电路更容易灵活操作。数模转换电路的设计更加考验了通信基础知识的应用能力，对设计者的能力提高有着促进作用，因此，最终选定方案一（利用AT89C51单片机为主控芯片）为本次设计的设计思路。2.3 本次设计要求(1) 熟悉Proteus仿真软件，并在掌握函数波形发生器原理的基础上搭建出一个函数发生器的软件实现系统，并实现其仿真。(2)在万用版上正确的利用焊接技术实现函数波形发生的电路系统，并用示波器观察波形，测量频率和电压范围。根据波形分析系统性能