函数信号发生器电路

函数信号发生器电路（共10篇）

1.函数信号发生器电路 篇一

波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。本次课程设计使用的AT89S51 单片机构成的发生器可产生锯齿波、三角波、正弦波等多种波形，波形的周期可以用程序改变，并可根据需要选择单极性输出或双极性输出，具有线路简单、结构紧凑等优点。在本设计的基础上，加上按钮控制和LED显示器，则可通过按钮设定所需要的波形频率，并在LED上显示频率、幅值电压，波形可用示波器显示。

二、系统设计

波形发生器原理方框图如下所示。波形的产生是通过AT89S51 执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。在AT89S51的P2口接5个按扭,通过软件编程来选择各种波形、幅值电压和频率，另有3个P2口管脚接TEC6122芯片，以驱动数码管显示电压幅值和频率，每种波形对应一个按钮。此方案的有点是电路原理比较简单，实现起来比较容易。缺点是，采样频率由单片机内部产生故使整个系统的频率降低。

1、波形发生器技术指标

1）波形：方波、正弦波、锯齿波；

2）幅值电压：1V、2V、3V、4V、5V；

3）频率：10HZ、20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1KHZ；

2、操作设计

1）上电后，系统初始化，数码显示6个‘－’，等待输入设置命令。

2）按钮分别控制“幅值”、“频率”、“方波”、“正弦波”、“锯齿波”。

3）“幅值“键初始值是1V，随后再次按下依次增长1V，到达5V后在按就回到1V。

4）“频率“键初始值是10HZ，随后在按下依次为20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1000HZ循环。

三、硬件设计

本系统由单片机、显示接口电路，波形转换（D/A）电路和电源等四部分构成。电路图2附在后

1、单片机电路 功能：形成扫描码，键值识别、键处理、参数设置；形成显示段码；产生定时中断；形成波形的数字编码，并输出到D/A接口电路和显示驱动电路。

AT89S51外接12M晶振作为时钟频率。并采用电源复位设计。复位电路采用上电复位，它的工作原理是，通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过对电容充电。RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始工作。

AT89S51的P2口作为功能按钮和TEC6122的接口。P1口做为D/A转换芯片0832的接口。用定时/计数器作为中断源。不同的频率值对应不同的定时初值，允许定时器溢出中断。定时器中断的特殊功能寄存器设置如下：

定时控制寄存器TCON＝20H；

工作方式选择寄存器TMOD=01H；

中断允许控制寄存器IE=82H。

2、显示电路

功能：驱动6位数码管显示，扫描按钮。

由集成驱动芯片TEC6122、6位共阴极数码管和5个按钮组成。当某一按钮按下时，扫描程序扫描到之后，通过P2口将数字信号发送到 TEC6122芯片。TEC6122是一款数字集成芯片。它的外接电压也是+5V，并且由于数码管的载压较小，为了保护数码管，必须在两者间接电阻，大约是560欧。

扫描利用软件程序实现，当某一按键按下时，扫描程序立即检测到，随后调用子程序，执行相应的功能。

3、D/A电路

功能：将波形样值的编码转换成模拟值，完成双极性的波形输出。

由一片0832和两块LM358运放组成。DAC0832是一个具有两个输入数据寄存器的8位DAC。目前生产的DAC芯片分为两类，一类芯片内部设置有数据寄存器，不需要外加电路就可以直接与微型计算机接口。另一类芯片内部没有数据寄存器，输出信号随数据输入线的状态变化而变化，因此不能直接与微型计算机接口，必须通过并行接口与微型计算机接口。DAC0832是具有20条引线的双列直插式CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换，故不需要外加电路。0832是电流输出型，示波器上显示波形，通常需要电压信号，电流信号到电压信号的转换可以由运算放大器LM358实现，用两片LM358可以实现双极性输出。

单片机向0832发送数字编码，产生不同的输出。先利用采样定理对各波形进行抽样，然后把各采样值进行编码，的到的数字量存入各个波形表，执行程序时通过查表方法依次取出，经过D/A转换后输出就可以得到波形。假如N个点构成波形的一个周期，则0832输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，即一个周期。重复输出N个点，成为第二个周期。利用单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制了输出的波形的频率。这样就控制了输出的波形及其幅值和频率。

四、软件设计

主程序和子程序都存放在AT89S51单片机中。

主程序的功能是：开机以后负责查键，即做键盘扫描及显示工作，然后根据用户所按的键转到相应的子程序进行处理，主程序框图如图1所示。

子程序的功能有：幅值输入处理、频率输入处理、正弦波输出、锯齿波输出、方波输出、显示等。

下面是程序

include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit LCP=P2^2;

sbit SCP=P2^1;

sbit SI=P2^0;

sbit S1=P2^3;

sbit S2=P2^4;

sbit S3=P2^5;

sbit S4=P2^6;

sbit S5=P2^7;

sbit DA0832=P3^3;

sbit DA0832_ON=P3^2;uchar fun=0,b=0,c=0,d=0,tl,th;

uchar code tab[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

uchar code tosin[256]={0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,0x9f,0xa2,0xa5,0xa8,0xab,0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5 ,0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5 ,0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd ,0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda ,0xd8,0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99 ,0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,0x80,0x7c,0x79,0x76,0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,0x51 ,0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16 ,0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00 ,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02 ,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15 ,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,0x27,0x29,0x2b,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4c,0x4e ,0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66 ,0x69,0x6c,0x6f,0x72,0x76,0x79,0x7c,0x80 };

void display(unsigned char command){

unsigned char i;LCP=0;

for(i=8;i>0;i--){

SCP=0;

if((command & 0x80)==0){

SI=0;}

else {

SI=1;}

command<<=1;

SCP=1;}

LCP=1;}

void key1(void){

fun++;

if(fun==4)

fun=0x00;}

void key2(void){

tl++;

if(tl==0x1f)

th++;}

void key3(void){

tl--;

if(tl==0x00)

th--;}

void key4(void){

double t;

int f;

TR0=0;

t=(65535-th*256-tl)*0.4;

f=(int)(1000/t);

S3=tab[f%10];

f=f/10;S2=tab[f%10];

f=f/10;

if(f==0)

S1=0;

else

S1=tab[f];

TR0=1;}

void key5(void){

tl--;

if(tl==0x00)

th++;}

void judge(void){

uchar line,row,de1,de2,keym;

P1=0x0f;

keym=P1;

if(keym==0x0f)return;

for(de1=0;de1<200;de1++)

for(de2=0;de2<125;de2++){;} P1=0x0f;

keym=P1;

if(keym==0x0f)return;

P1=0x0f;

line=P1;

P1=0xf0;

row=P1;

line=line+row;/*存放特征键值*/

if(line==0xde)key1();

if(line==0x7e)key2();

if(line==0xbd)key3();

if(line==0x7d)key4();}

void time0_int(void)interrupt 1 //中断服务程序 {

TR0=0;

if(fun==1){

DA0832=tosin[b];//正弦波

b++;}

else if(fun==2)//锯齿波 {

if(c<128)

DA0832=c;

else

DA0832=255-c;

c++;}

else if(fun==3)// 方波

{

d++;

if(d<=128)

DA0832=0x00;

else

DA0832=0xff;}

TH0=th;

TL0=tl;

TR0=1;}

void main(void){

TMOD=0X01;TR0=1;

th=0xff;

tl=0xd0;

TH0=th;

TL0=tl;

ET0=1;

EA=1;

while(1){

display();

judge();} }

五、心得体会

开始的时候由于没有经验，不知如何下手，所以就去图书管找了一些书看，尽管有许多的设计方案，可是总感觉自己还是有许多的东西弄不太清楚，于是就请教同学。他常做一些设计，有一些经验。经过他的解释分析各方案之后，决定用查表的方法来做。这样可以降低一些硬件设计的难度，初次设计应切合自己的水平。用8031需要扩展ROM，这样还要进行存储器扩展。而且现在8031实际中已经基本上不再使用，实际用的AT89S51芯片有ROM，这样把经过采样得到的数值制成表，利用查表来做就简单了。我认为程序应该不大，片内ROM应该够用的。用LED显示频率和幅值，现有集成的接口驱动芯片，波形可通过示波器进行显示，单片机接上D/A转换芯片即可，这样硬件很快就搭好了。

我以为这些做好了，构思也有了，写程序应该是相对容易的。谁知道，写起程序来，才想到功能键要有扫描程序才行呀，我真的感到很难。那时真的有点想放弃？于是就去请教了老师，老师帮忙分析了一下，自己又查阅了一些资料，终于明白了扫描程序怎么写。

于是在自己的努力下，程序很快就写好了。这次是我的第一个设计器件，尽管经历了不少的艰辛，但给我积累了一点设计的经验，最后也有点小小的成就感。后面的路还很长，我还的努力！

参考文献

[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础〔M〕.北京:高等教育出版社，2003.345-362

[2] 潘永雄，沙河，刘向阳.电子线路CAD实用教程〔M〕.西安：西安电子科技大学出版社，2001.13-118.[3] 张毅刚，彭喜源，谭晓昀，曲春波.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈

尔滨工业大学出版社，1997.53-61.

2.函数信号发生器电路 篇二

信号发生器是实验室的基本设备之一,目前广泛使用的是一些标准产品,虽然功能齐全、性能指标较高,但是价格较贵,而且许多功能用不上。该设计以集成运算放大器为应用核心,通过添加外围器件使之形成运算、正反馈电路,并满足振荡条件,产生一定的波形,最后利用差分电路的传输特性将方波转换为正弦波。该仪器具有结构简单、成本低、体积小、便于携带等特点,虽然功能及性能指标赶不上标准信号发生器,但足以满足一般的实验要求。该波形发生器有以下一些功能:

(1) 在给定的±12 V直流电源电压条件下,使用运算放大器设计并制作一个函数信号发生器。

(2) 具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。

(3) 输出波形的频率范围1~10 kHz重复频率可调,频率步进间隔≤50 Hz。

(4) 输出波形幅度范围:方波:Vp-p≤24 V , 三角波:Vp-p≤6 V , 正弦波:Vp-p>1 V

方波上升和下降时间≤10 ms,三角波失真度≤2%,正弦波失真度≤5%,同时,可按一定的步进≤0.2 V(峰-峰值)调整。

(5) 具有信号大衰减功能,可以把输出电压衰减0.1,0.01倍。

(6) 利用占空比可调节,可产生一些其他的波形,如锯齿波和尖顶波。

2 设计方案

2.1 直流稳压电源的设计

采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点,不再赘述。

2.2 信号产生电路方框图

本设计思想是先由积分器和比较器同时产生三角波和方波,其中比较器起开关的作用,将具有正、负极性的电位交替地反馈到积分器,通过积分得到三角波。

经过分析,本电路的优点有:

(1) 线性良好、稳定性好。

(2) 频率易调。在几个数量级的频带范围内,可以方便地连续地改变频率,而且频率改变时,幅度恒定不变。

(3) 三角波和方波在半周期内是时间的线性函数,易于变换其他波形。

同时差分放大电路具有工作点稳定、输入阻抗高,抗干扰能力强的特点。利用差分放大器的差模传输特性曲线具有非线性,来进行电路波形的变换。

3 整机电路设计和分析计算

3.1 三角波-方波产生电路

电路如图2所示,由三个集成运算放大器组成。其中核心部分是由A1组成积分电路和由A3组成的电压比较、限幅器,A2实现限幅、反相等功能运算。同时A2和A3组成正反馈电路,用R1作反馈通路。稳定时,A3的输出电压只能是正电平U+和负电平U- 。假设在初始状态时,A3输出为正电平U+。其中一部分信号反馈到A2的反相输入端。另一部分通过RP1反馈到A1的反相输入端,其值的大小由R8与R13的分压比决定。该信号电压被积分器反相积分,使A1的输出电压uo1以时间常数RP1C2下降,并通过R2加在A2的反相输入端,流过R1的反馈电流U+/R1(设为I1),流过电阻R2的电流为uo1/R2 (设为I2),当正反馈电流I1与电流I2相等时,A2反相输入端的电压为零。由于开关二极管的作用,A2开始从-0.7 V跳变到+0.7 V,从而迫使A3的输出随之翻转,使uo3从U+跳变到U-,与此同时,A1反相输入端的电压也随之翻转跳变到负电平U-,A1对电压U-进行反向积分,使得uo1按着同样的时间常数RP1及C2上升,电流I2与I1反向。I2 = uo1/R2逐渐增加,当正反馈电流I1与I2相等时,uo2再次跳变,从+0.7 V跳变到-0.7 V,迫使Uo3再次翻转,从U+跳变到U-,这就完成了一个振荡周期,如此周而复始的循环。在A1地输出端产生三角波uo1,在A3的输出端产生方波uo3。

3.2 三角波-正弦波变换电路

电路如图3所示,主要采用镜像电流源作为有源负载。图中Q1,Q2为PNP型镜像电流源作为Q3,Q4的有源负载。如前所述,电路利用了差放的转移特性,将三角波近似逼近为正弦波。

在差模输入电压作用下,Q3,Q4分别输出数值相等、极性相反的增量电流,即ic1=ICQ+ic,ic2=ICQ-ic,其中ic1通过Q1管时,他将等值的转换到Q2管。因此,输出电流io=iC2-iC4=iC1-iC4iC3-iC4=2iC,这就是说,他的值近似等于近双端输出时的差模输出电流。

在共模输入电压作用下,Q3,Q4分别输出数值相等、极性相同的增量电流,即ic1=ICQ+ic,ic2=ICQ-ic,其中ic1通过Q1管时,他将等值的转换到Q2管。因此,输出电流io=iC2-iC4=iC1-iC4=iC3-iC4=0,也就是说,与双端输出时的差模输出电流为零是一致的。

3.3 接口电路

通过上述电路的分析和设计,已经产生出了三种规定的函数波形,但为了满足应用上的要求,还需输入电压可调,并具备一定的驱动能力。这些要求必须要有一个接口电路来实现和完成。

考虑到音频信号的输出阻抗常用600 Ω,而带有反馈的运算放大器的输出阻抗几乎为零,那么必须在输出处加一600 Ω的电阻使输出阻抗变为600 Ω,这样且即使发生误操作使输出短路,该电阻也能起到过流保护的作用。

在对输出进行幅值调节时,输出电压变小,运放的偏移电压的影响会很大。为了使信号有很大衰减,我们又设计了-20 dB和-40 dB的衰减器,可以把输出电压衰减0.1,0.01倍。在信号衰减的同时偏移电压也同样被衰减,这样就防止了偏移影响的作用。具体电路如图4所示。

4 整机电路图的设计说明

差分放大电路的失调漂移往往是随时间、温度、电源电压等外界因素的变化而变化的,由于这种失调漂移是随机的,所以,任何调零装置是不可能跟踪的。为解决此类问题,我们利用调零电路给予补偿,通过这种补偿,使之达到零输入时零输出的要求。具体是通过调节RP6来调节差分放大电路。该电路主要由LM301集成运算放大器构成,这款运放具有较高的速度,价格虽略高,但是性能优越。

A6构成闭环负反馈运算放大器,对输出具有稳压性。晶体管Q5,Q6构成电流缓冲放大器,使输出阻抗得以扩展,从而保证输出的通用性。二极管D5,D6是为消除Q5,Q6的交越失真而设置的。整机电路图见图5。

5 电路的EDA仿真分析

以下各参数的测量均在Protel 99SE的仿真支持下完成的。

5.1 输出瞬态分析

通过在RP1和C2的数值范围内对其调节可以得到频率覆盖1~10 kHz的各输出波形。下面是其中的某个频率的瞬态分析结果:

通过测试的数据证明,该电路已远远超过了设计所要求的各项性能指标,而且其三角波、方波的表现又颇为突出,通过改变三角波积分电容和电阻的方法,还可以将频率覆盖进一步扩展至10 Hz~100 kHz左右。

5.2 温度扫描分析

图10~图12是在RL=600 Ω,0 dB输出、-15 ℃~+65 ℃步长为20 ℃的温度扫描图。

由以上各图可以看出,波形除了时间上存在延迟外并无畸变。电路在该温度范围内是正常工作的。

6 结 语

该电路利用集成运算放大器构成的正反馈电路产生了三角波、方波以及最后利用差分电路的传输特性将方波转换成了正弦波,但可以看出正弦波在达到幅值时存在一定的失真,这是本电路的不足之处。在一些正弦波形要求不是绝对严格的场合,本电路是十分经济实用的选择。

参考文献

[1]路勇.电子电路实验及仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]蔡忠法.电子技术实验与课程设计[M].杭州:浙江大学出版社,2003.

[3]潘永雄,沙河,刘向阳.电子线路CAD实用教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[4]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].3版.北京:高等教育出版社,2001.

3.小信号精密整流电路设计 篇三

摘 要：精密整流的作用是将交流小信号在过零处准确转换为直流信号。传统的二极管整流电路中，当输入电压小于二极管的开启电压时，二极管截止，输出电压为零；当输入电压大于开启电压，并使二极管完全导通，此时输出电压等于输入电压减二极管导通电压，输出电压小于输入电压，即输出电压只能反映出输入大于导通电压的部分。因此，当输入电压值较小，为某一交流小信号时（信号有效值与二极管的导通电压相近），二极管整流电路就会产生明显失真。所以，对交流小信号的整流不能用二极管。本文中所论述的小信号精密整流电路，是以运算放大器为核心器件，将双极性信号转换为单极性信号。

关键词：交流；小信号；整流；运放；波形

中图分类号： TU9 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）25-176-2

1 电路组成

1.1 电路组成框图

交流小信号首先经过半波整流部分产生一半波信号，该信号再送入后级与输入信号进行叠加反向，输出的波形为全波整流信号。这个信号经一阶滤波电路后可得到较为平稳的直流信号。

1.2 电路原理图

电路图中由U1、D1、D2、R1、R2构成半波整流部分；由U2、R3、R4、R5构成叠加反向部分；由R6、C1构成一阶滤波部分。

假设电路中二极管导通电压为0.7V，而集成运放的开怀放大倍数一般为万倍级，此时运放输入端仅需微伏级的净输入量就能使二极管导通。所以，运放输入端电压的微小变化，就能使输出跟随其发生变化。小信号精密整流电路正是利用了这一特点，来实现对交流小信号的整流。

电路中集成运放的型号主要根据输入信号的电压幅度及频率进行选择。通常会选择幅值范围较大的轨到轨运放。

2 电路工作原理分析

2.1 半波整流部分

2.1.1 当输入交流小信号为电压正半周时：

因为ui>0，所以U1的输出电压uo1<0，使D1导通、D2截止。此时R1、R2、U1构成反向比例放大电路，其输出电压uo1=-（R2/R1）ui。电路中取R1=R2，所以uo1=-ui，电路为放大倍数为-1的反向放大电路。

2.1.2 当输入交流小信号为电压负电压时：

因为ui<0，所以U1的输出电压uo1>0，使D1截止、D2导通。由于D1截止，使U1输出端的信号uo1不送入下一级（即U2的输入端）；因为同向端接地，所以反向端电压为零，而此时D2导通，因此U1的输出电压uo1被钳位在0V（即uo1=0）。

2.2 叠加反向部分

由硬件电路图可知，R3、R4、R5和U2共同构成了个反向加法电路，它将输入信号ui和U1的输出信号uo1进行反向叠加运算。uo2=-（R5/R3）uo1-（R5/R4）ui，因为2R3≈R5、R4=R5，所以uo2=-2uo1-ui。

2.2.1 当输入交流小信号为电压正半周时：

①uo1为输入信号：因为U1输出的电压为uo1=-ui，该信号经U2后输出为uo2=2ui；

②ui为输入信号：该信号的输出为uo2〞=-ui；

③U2的输出uo2=uo2+uo2〞= ui。即当输入为正半周时，为等量同向输出。

2.2.2 当输入交流小信号为电压负电压时：

①uo1为输入信号：uo1被钳位在0V，即R3左侧电压为0，而R3右侧电压根据虚短可知也为0，所以理想情况下此时无电流流入U2，即uo2=0；

②ui为输入信号：该信号的输出为uo2〞=-ui；

③U2的输出uo2= uo2+ uo2〞=-ui。即当输入为负半周时，为等量反向输出。

2.2.3 在整个周期内：U2的输出为正半周电压加负半周的反向电压，从而实现了交流整流。

2.3 电路等效框图

在整个周期范围内，通过R1、R2的支路的放大倍数为-1，通过R3的支路的放大倍数为-2，通过电阻R4的支路的放大倍数为-1。所以，该小信号精密整流电路可以用下面的等效框图表示。

3 波形仿真

3.1 U1输出仿真波形

3.2 U2输出仿真波形

3.3 滤波后波形

参 考 文 献

[1] 赛尔吉欧·佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安交通大学出版社，2009.

[2] 科特尔.运算放大器权威指南[M].人民邮电出版社，2010.

4.多功能函数信号发生器 篇四

——多功能函数信号发生器

多 功 能 函 数 发 生 器

— — 设 计 报 告

一、设计任务

�1�设计一个能产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波的电路�要求波形的频率在一 定范围内可调�矩形波占空比在一定范围内可调�

�2�用数码管显示波形频率�

�3�用中、小规模集成电路�双列直插式�组件和阻容元件实现所选定的电路。�4�在计算机上用 Multisim 仿真优化。

�5�在模拟实验装置和逻辑实验箱上安装、调试。

1、题目�多功能函数发生器

2、设计要求

3、主要技术指标

�1�频率范围�150~300Hz�连续可调。

�2�矩形波占空比�30%~60%�连续可调。

�3�输出电压�矩形波U P-P≤ 12V�三角波U P-P≤12V�

正弦波U P-P ≥ 1V。

�4�由三个数码管实时显示输出频率。

�5�波形特性� �略�

�6�负载能力� 50 欧�5 伏

二、仪器与器件

1、仪器

1)2)3)4)5)

2、器件

1)2)3)4)四运放 LM324

2-5-10 进制计数器 74LS90 四位寄存器 74LS194 四 2 输入与非门 74LS00 直流稳压电源 示波器 万用表 模拟实验装置 数字实验箱 台 1 台 1 台 1 台 1 台

块 3 块 3 块 1 块

5)6)

7)555 定时器 二极管、稳压管 电位器、电阻器、电容器 块 若干 若干

三、设计思路

1、系统简要框图

计数器

函数发生器

寄存器

译码

锁存 显示

秒脉冲

发生

2、单元电路设计

�1�函数发生器 用模拟电路实现。多种方案�

在模拟电路或数字电路中�能产生方波信号的电路很多。如由运算放大器组成 的滞回比较器、门电路或 555 定时器组成的多谐振荡器。而方波信号经积分电路就 可以方便地形成三角波或锯齿波信号。典型的电路是由两个运算放大器构成的方波

-三角波发生器。而正弦波信号的产生可以采用波形转换的方式�利用低通滤波器或比例系数可

调的比例运算电路将三角波信号转换为正弦波信号�也可以应用在模拟电路中的正 弦波振荡器产生。

根据实验室条件和对基础知识的应用能力�函数发生器可以采用以下两种方法 实现。方案一�

方案二� RC桥式

滞回

积分

滞回

该设计采用第二种方案�

积分 滤波

图中最左边的运算放大器连接构成的是滞回比较器�功能是产生方波信号�中间部 分是积分电路�将前面产生的方波进行积分产生三角波�通过调节图中 R2 的阻值可以调 节波形的占空比�可以产生锯齿波�最右边的部分是一个低通滤波器�将三角波滤波产生

正弦波。

通过调节图中 R5 的阻值可以调节产生波形的周期�频率��要满足对频率和占空比 的范围要求计算出两个变阻器的阻值�从而实现频率范围�150~300Hz�连续可调�矩形 波占空比�30%~60%�连续可调。

�2�计数器及存储显示部分

用 74LS90 构成 3 位十进制计数器。计数器是数字电路中使用广泛的功能器件。无论是 TTL 还是 CMOS 集成电路�都是品

种齐全的 MSI 计数器。如使用 74LS90�74LS290�74LS163 等都可以方便得构成三位十进 制计数器�对函数发生器产生的方波信号进行计数。

此部分电路设计时应注意以下几点�

1�不同的计数器模块其清零方式可能不同�

2�不同的计数器模块触发方式可能不同�所以应特别注意进位线的连接方式�

3�寄存器锁存电路�

用三片寄存器芯片如 74LS194 组成的 BCD 码锁存电路�保证数码管能够稳定显示最终

的计数结果。4�数码管显示�

选用三个 BCD 码数码显示管。�3�秒脉冲产生

利用 555 定时器构成秒脉冲发生器产生正脉冲宽度为 1S。

根 据 脉 冲 宽 度 的 公 式

tH=0.7�R1+R2�C1�设置合适的 R1、R2 和 C1�使其能够产生一个能够 持续 1s 的高电平脉冲�通过它 来控制计数部分的清零、计数和 对寄存器的置数功能�从而使计 数显示电路部分能够准确的显

示输出波形的频率。该部分电路连接图如上图所示。根据计数部分对控制电平的要求�需

将 555 产生的秒脉冲信号进行反相后接到控制端。它在控制计数器 74LS90 清零的同时又控 制着移位寄存器的置数信号�其具体工作为先将计数器的数值置入寄存其中�然后再给计 数器清零。

�4�反相放大 为 了 提 高 函 数发生器

带负载的能力�在信号输出

之前首先经过放大�本设计 中采用的是反相放大电路

�如右所示�。通过调节图 中的电位器可以调节输出

信号的电压幅值�从而达到

提高带负载的能力。根据所需的负载能力来确定放大的倍数�从而确定电路中的各个参数

值。

3、整体电路 将设计好的部分电路按照其各自的功能连接出完整的电路�如下图�

完整原理图

四、Multisim 软件仿真

打开 Multisim 运行环境�按照上图连接好电路�首先分别测试每一部分的电路功能�

使每一部分都达到设计要求后�将它们连接成整体电路�用示波器分别观察每一个波形的 产生�通过调节电位器观察波形的频率或周期有无变化�是否满足设计要求及产生的误差。并观察数字部分的计数是否准确�该部分通过测量波形的周期理论计算该信号的频率�并

与显示的数值进行比较�分析产生误差的原因并对电路进行参数调整�将误差减小到最小。仿真波形如图�

方波与三角波 正弦波

五、系统安装调试

按照设计电路将测试好的参数器件连接实物电路�

1�在九孔板上搭接函数发生器电路� 按仿真调试后的原理图分别搭接矩形波发生器、三角波发生器、正弦波发生器等单元

电路。

2�在数字逻辑实验箱上搭接电路� 按仿真调试后的原理图分别搭接秒脉冲发生器、十进制计数器、寄存器锁存及置数控

制等单元电路。在功能测试时秒脉冲发生器用数字实验箱上的 1HZ 秒脉冲信号代替�这样 计数部分的示数应为实际信号频率的一半。

计数器 74LS90 和寄存器 74LS194 的功能引脚图�

3�调试过程�

�1�先按顺序调整好函数发生器�

�2�调整好计数器和锁存器电路�

�3�将秒脉冲引入计数器电路�在秒脉冲作用下�调整计数译码显示电路。�4�在模拟部分和数字部分均调试完毕�将两部分之间的连线接好�系统就可以按

照设计进行正常工作。

六、性能指标测试

用示波器分别观察方波、三角波、正弦波�观察波形的稳定性�并调节频率和占空比� 观察波形的变化是否符合设计要求�再观察示波器上显示的波形的频率和数字部分的计数 值呈现二倍的关系。

七、设计中出现的问题

1、在参数的确定方面需要合理的选择�因为它们都是彼此影响的�通过合理的设计 选参�最终得出符合设计要求的各个器件参数。

2、在功能测试中�如果直接将产生的方波送到计数器的计数输入端�则会出现计数 不准确的情况�为了解决这个问题需要将产生的方波在送人计数器之前先经过一个同相比 例运算电路�将它放大一倍�过一个二极管将波形的负值消去�然后再送入 74LS90 进行计 数�上述问题得以解决。

八、参考文献

“模拟电子技术基础”清华大学 1)

2)3)4)

童诗白 主编 阎石 主编 康华光 主编 孙肖子 主编 “数字电子技术基础”清华大学 “电子技术基础”

5.函数信号发生器电路 篇五

关键词：单片机AT89S52、DAC0832、液晶1602 Abstract: this system capitalize on AT89s52，it makes use of central processor to generate three kinds of waves, they are triangle wave, and use D/A conversion module, wave generate module and liquid crystal display of 1602, it can have the 1Hz-3KHz profile.In this system it can control wave form choosing, frequency, range,can have the sine wave, the square-wave, the triangular wave.Simultaneously may also take the frequency measurement frequency,and displays them through liquid crystal display of 1602.this design includes three modules.They are D/A conversion module, wave generate module and liquid crystal display of LED module.In this design, the wave generator into wave form module and D/A conversion module are discussed in detail.key word: AT89S52, DAC0832, liquid crystal 1602.目录

1.系统设计

1.1 设计要求

1.2方案设计与论证

1.2.1 信号发生电路方案论证 1.2.2 单片机的选择论证 1.2.3 显示方案论证 1.2.4 键盘方案论证 1.3 总体系统设计 1.4 硬件实现及单元电路设计 1.4.1 单片机最小系统的设计

1.4.2 波形产生模块设计 1.4.3 显示模块的设计 1.4.4 键盘模块的设计

1.5 软件设计流程 1.6 源程序

2.输出波形的种类与频率的测试

2.1 测试仪器及测试说明

2.2 测试结果 3.设计心的及体会 4.附录 4.1 参考文献 4.2 附图

1、系统设计

经过考虑，我们确定方案如下：利用AT89S52单片机采用程序设计方法产生锯齿波、正弦波、矩形波三种波形，再通过D/A转换器DAC0832将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来，通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示其各自的类型以及数值。

1.1、设计要求

1、利用单片机采用软件设计方法产生三种波形 2）、三种波形可通过键盘选择 3）、波形频率可调

4）、需显示波形的种类及其平率

1.2方案设计与论证

1.2.1 信号发生电路方案论证

方案一：通过单片机控制D/A，输出三种波形。此方案输出的波形不够稳定，抗干扰能力弱，不易调节。但此方案电路简单、成本低。

方案二：使用传统的锁相频率合成方法。通过芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。此方案，电路复杂，干扰因素多，不易实现。

方案三：利用MAX038芯片组成的电路输出波形。MAX038是精密高频波形产生电路，能够产生准确的三角波、方波和正弦波三种周期性波形。但此方案成本高，程序复杂度高。

以上三种方案综合考虑，选择方案一。

1.2.2 单片机的选择论证

方案一：AT89S52单片机是一种高性能8位单片微型计算机。它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机、而且其价格便宜。

方案二：C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8052的数字外设部件，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，而且执行速度快。但其价格较贵

以上两种方案综合考虑，选择方案一

1.2.3 显示方案论证

方案一：采用LED数码管。LED数码管由8个发光二极管组成，每只数码管轮流显示各自的字符。由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间隔小于1/16s时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。使用数码管显示编程较易，但要显示内容多，而且数码管不能显示字母。

方案二：采用LCD液晶显示器1602。其功率小，效果明显，显示编程容易控制，可以显示字母。

以上两种方案综合考虑，选择方案二。

1.2.4 键盘方案论证

方案一：矩阵式键盘。矩阵式键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线都断开，行线都呈高电平。当某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线被短路。

方案二：编码式键盘。编码式键盘的按键触点接于74LS148芯片。当键盘上没有闭合时，所有键都断开，当某一键闭合时，该键对应的编码由74LS148输出。

以上两种方案综合考虑，选择方案一。

1.3总体系统设计

该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析以及信号的处理和变换，采用按键输入，利用液晶显示电路输出数字显示的方案。将设计任务分解为按键电路、液晶显示电路等模块。图（1）为系统的总体框图

图（1）总体方框图

1.4硬件实现及单元电路设计

1.4.1单片机最小系统的设计

89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图（2）89C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：

(1 有可供用户使用的大量I/O口线。(2 内部存储器容量有限。(3 应用系统开发具有特殊性。

图（2）89C51单片机最小系统

1.4.2 波形产生模块设计

由单片机采用编程方法产生三种波形、通过DA转换模块DAC0832在进过滤波放大之后输出。其电路图如下：

图（3）波形产生电路

如上图所示，单片机的P0口连接DAC0832的八位数据输入端，DAC0832的输出端接放大器，经过放大后输出所要的波形。DAC0832的为八位数据并行输入的，其结构图如下：

图（4）DAC0832的内部结构

1.4.3 显示模块的设计

通过液晶1602显示输出的波形、频率，其电路图如下：

图（5）液晶显示

如上图所示，1602的八位数据端接单片机的P1口，其三个使能端RS、RW、E分别接单片机的P3.2—P3.4。通过软件控制液晶屏可以显示波形的种类以及波形的频率。

1.4.4 键盘显示模块的设计

本系统采用独立键盘，其连接电路图如下：

图（6）键盘

图中键盘独立键盘引出的八跟线分别接单片机的P2口，只用其第四列，因此在程序初始化时P2.7脚给低电平。如图开关3用来切换输出波形、开关7和8用

来调节频率的加减。当按开关7时输出波形的频率增加，按开关8时输出波形的频率减小。

1.5 软件设计流程

本系统采用AT89S52单片机，用编程的方法来产生三种波形，并通过编程 来切换三种波形以及波形频率的改变。

具体功能有：（1）各个波形的切换；（2）各种参数的设定；（3）频率增减等。

软件调通后，通过编程器下载到AT89S52芯片中，然后插到系统中即可独立完成所有的控制。

软件的流程图如下：

图（7）程序流程图

1.6源程序

#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int

sbit lcdrw=P3^3;sbit lcdrs=P3^2;sbit lcde=P3^4;sbit d=P2^7;sbit s1=P2^0;sbit s2=P2^1;sbit s3=P2^2;sbit cs=P3^5;sbit wr=P3^6;uchar s1num,a,ys,j;uint fre;uchar code tosin[256]={ 0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,0x9f,0xa2, 0xa5,0xa8,0xab,0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5, 0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1, 0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5, 0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0xff, 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd, 0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1, 0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda, 0xd8,0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc, 0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99, 0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,0x80,0x7c,0x79,0x76，0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,0x51, 0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,0x33,0x30, 0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16, 0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06, 0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02,0x02,0x03,0x04,0x05, 0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15, 0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,0x27,0x29,0x2b,0x2e, 0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4c,0x4e, 0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66 ,0x69,0x6c,0x6f,0x72, 0x76,0x79,0x7c,0x80 };/*正弦波码 */ void delay(uint z //延时子程序 { uchar i,j;for(i=z;i>0;i--for(j=110;j>0;j--;} void delay1(uint y { uint i;for(i=y;i>0;i--;} void write_com(uchar com //1602写指令

{ lcdrs=0;P1=com;delay(5;lcde=1;delay(5;lcde=0;} void write_data(uchar date //1602数据 { lcdrs=1;P1=date;delay(5;lcde=1;delay(5;lcde=0;} void init(//初始化 { lcdrw=0;lcde=0;wr=0;cs=0;

write_com(0x38;write_com(0x0c;write_com(0x06;write_com(0x01;write_com(0x80+0x00;write_data(0x77;//写wave: write_data(0x61;write_data(0x76;write_data(0x65;write_data(0x3a;write_com(0x80+0x40;//写 f： write_data(0x66;write_data(0x3a;} void write_f(uint date //写频率 { uchar qian,bai,shi,ge;qian=date/1000;bai=date/100%10;shi=date/10%10;ge=date%10;write_com(0x80+0x42;write_data(0x30+qian;

write_data(0x30+bai;write_data(0x30+shi;write_data(0x30+ge;write_data(0x48;write_data(0x5a;} void xsf(//显示频率 { if(s1num==1 { fre=(1000/(9+3*ys;write_f(fre;} if(s1num==2 { fre=(100000/(3*ys;write_f(fre;} if(s1num==3 { fre=(1000/(15+3*ys;write_f(fre;}

} void keyscanf({ d=0;if(s1==0 { delay(5;if(s1==0 { while(!s1;s1num++;if(s1num==1 { ys=0;write_com(0x80+0x05;write_data(0x73;//写sine: write_data(0x69;write_data(0x6e;write_data(0x65;write_data(0x20;write_data(0x20;} if(s1num==2

{ ys=10;write_com(0x80+0x05;write_data(0x73;//写squrae write_data(0x71;write_data(0x75;write_data(0x61;write_data(0x72;write_data(0x65;} if(s1num==3 { ys=0;write_com(0x80+0x05;//train write_data(0x74;write_data(0x72;write_data(0x61;write_data(0x69;write_data(0x6e;write_data(0x20;} if(s1num==4 {

s1num=0;P1=0;write_com(0x80+0x05;write_data(0x20;write_data(0x20;write_data(0x20;write_data(0x20;write_data(0x20;write_data(0x20;write_com(0x80+0x42;write_data(0x20;write_data(0x20;write_data(0x20;write_data(0x20;write_data(0x20;write_data(0x20;} } } if(s2==0 { delay(5;if(s2==0

{ while(!s2;ys++;} } if(s3==0 { delay(5;if(s3==0 { while(!s3;ys--;} } } void main({ init(;while(1 { keyscanf(;if(s1num==1 //正弦波// {

for(j=0;j<255;j++ { P0=tosin[j];delay1(ys;} } if(s1num==2 //方波// { P0=0xff;delay1(ys;P0=0;delay1(ys;} if(s1num==3 //三角波// { if(a<128 { P0=a;delay1(ys;} else { P0=255-a;

delay1(ys;} a++;}

if(!(s1&s2&s3 { xsf(;} } }

2、输出波形的种类与频率的测试

2.1、测量仪器及测试说明

测量仪器：稳压电源、示波器、数字万用表。

测量说明：正弦波、矩形波、三角波信号的输出，通过对独立键盘来实现其的不同波形的输出以及其频率的改变。

2.2测试过程

当程序下进去时经过初始化，液晶屏的上只显示“wave：”和“f：“，当开关三按一下是此时输出波形为正弦波，按两下时输出为方波，按三下时输出为三角波。另外两个开关可以调节频率，三种波形的频率可调范围不同，分别如下： 正弦波：1—180HZ 方 波：1——3.3KHZ 三角波：1——180HZ

根据示波器的波形频率的显示计算出三种波形的频率计算公式如下： 正弦波：f=(1000/(9+3*ys 方 波：f=(100000/(3*ys 三角波：f=(1000/(15+3*ys 其中ys为延时的变量。三种波形的仿真波形图如下：

图（8）正弦波图形

图（9）方波图形

图（10）三角波图行

2.3、测试结果

各项指标均达到要求。

测试数据如下：

1）、产生正弦波、方波、三角波基本实现

2）、三种波形的频率都可调，但不能步进的调节，其中方波的可调范围最广为1—3.3KHZ，其他两种波形的频率范围不大1—180HZ 3）、显示部分基本实现 4）、键盘功能实现

3、设计心的及体会

通过这次毕业设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了大学三年的学习成果，进一步加深了我对专业知识的了解和认识以及动手的能力。虽然在这次设计中对于所学知识的运用和衔接还不够熟练，作品完成的还不是很出色。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这个设计是对我们过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。

4、附录

4.1 参考文献

[1] 戴仙金主编 51单片机及其C语言汇编程序开发实例 清华大学出版社，2008 [2] 高吉祥主编 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 电子工业出版社，2007 [3] 杨素行主编 模拟电子技术基础简明教程 高等教育出版社，2007 [4] 蒋辉平主编 单片机原理与应用设计 北京航空航天大学出版社 2007 4.2 附图

6.函数发生器实验及设计 篇六

班级：电子信息一班 姓名：何 胜 学号：201105431551

函数信号发生器

一、设计任务

函数发生器的设计

二、设计条件

设计基于学校实验室

三、设计要求

1.电路能输出正弦波（选做）、方波（必做）和三角波（必做）等三种波形； 2.输出信号的频率要求可调；

3.在面包板上或万能板上安装电路； 4.测量输出信号的幅度和频率； 5.写出设计性报告。

四、设计内容

设计内容包括电路能输出正弦波、方波和三角波三种波形

1.电路原理图

D6R12R2R3D1N9143k15k2D7.2kC3V2U115VdcD1N9140.1ufR1737++VOS25uA74110k0U4R11R9U373++VOS253+VOS25OUT6R8+65k2k2OUT6-V-OS11R6OUT0212k0-V-OS12-V-OS114V110kuA741uA741044R7R5C101520kR410k0.01ufD310kC2D4D1N7500.01ufD1N7500

02.计算与仿真分析

8.0V4.0V0V-4.0V-8.0V130ms131msV(D3:1)132ms133ms134ms135ms Time136ms137ms138ms139ms140ms15V14V13V12V130msV(C3:2)131ms132ms133ms134ms135ms Time136ms137ms138ms139ms140ms20V10V0V-10V-20V130ms131msV(C1:2)132ms133ms134ms135ms Time136ms137ms138ms139ms140ms

3.元件清单

10k电阻4个，9k一个，45k一个，2.2k一个，20k一个，2k两个，5k一个，0.01u两个，0.1u一个，ua741三个，稳压管两个，二极管两个，导线若干 4.调试过程

依据元件清单和电路图连接进行调试 5.设计和使用说明

产生正弦波、方波和三角波三种波形，在低频范围内性能好。

五、设计总结

1.通过本篇实验的设计，使我们对ua741的工作原理有了本质的理解，掌握了工作波形等内部构造及其工作原理。可输出正弦波、方波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高。

2.通过这次课程设计，让我的理论联系实际能力、设计电路能力、实际操作能力以及正确的处理数据、分析和综合实验结果，检查和排除故障的能力有了大大的提高，并且巩固了我的理论知识，起到了双重效果。

3.要想做出一个实用的实物来，并不是自己想象中的那样简单。

4.团结就是力量，在做设计的过程中我们必须讲究团队精神，各施其职。

六、设计参考资料

7.函数信号发生器电路 篇七

1 系统设计

根据设计要求, 信号发生器通过外围电路的设计能够产生多种波形, 包括三角波、方波、正弦波等;可以独立实现频率与占空比微调及信号的放大;便于携带, 且具有可调范围大、精度高、信号稳定的优点, 可应用在各种需要产生信号源的场合。整体系统设计系统方案如图1所示。

系统设计包括ARM处理器模块电路、上位机控制界面模块、电平转换模块电路、信号产生模块电路、信号放大模块电路等五大部分。

2 系统实现

ARM处理器LPC2103作为系统控制中心, 处理上位机发来的数据及指令, 并做出响应将指令传送给信号产生芯片;MAX038作为函数发生器核心, 一方面接收ARM处理器传送的数据, 一方面将产生三角波、方波、正弦波传送给信号放大电路, 而且频率及占空比的控制可通过相应管脚进行独立的微调;电平转换部分采用MAX232芯片, 提供+5v电源, 提供给RS-232串口电平需要。并给ARM处理器及上位机提供两个数据转换通道;上位机操作界面, 在Delphi环境下完成软件操作界面制作并编写上位机程序控制信号产生模块。信号放大电路对信号进行放大处理, 通过高速型放大器AD811实现, 实现信号峰值指标要求。

2.1 处理器电路设计

处理器电路设计包括LPC2103芯片所用外围管脚连接, 晶振电路、去耦电路、复位电路、JTAG电路以及电源转换电路的设计。处理器LPC2103是系统的控制核心, 适用于工业控制和医疗系统[1]。它具有尺寸小、功耗低、价格便宜等明显优点。处理器及外围电路设计如图2所示。

2.2 系统软件设计

软件系统结合集成函数信号产生芯片、ARM处理器及软件编程工具完成函数信号发生。整个软件系统的主要功能就是控制波形信号发生模块的工作, 分为上位机软件和下位机软件两个部分:

(1) 上位机使用Delphi7.0软件编写, 实现信号产生模块的控制。运行操作界面程序, 提供用户界面, 提供对各模块的操作接口, 根据各种接口协议, 控制发出的各种操作指令, 控制程序的主要功能是对MAX038、CD4051、TLC5618、LM324等端口进行控制产生所需要的波形信号。

(2) 下位机通过在ADS的集成开发环境下, 利用C语言编写数据接收程序, 通过串口将程序烧进芯片LPC2103中, 控制MAX038等模块共同协作产生波形。下位机负责识别对应的响应控制程序, 实时读取设备状态数据 (一般模拟量) , 转化成数字信号反馈给上位机, 协调整个软硬件系统的工作[2]。

2.3 信号产生电路设计

信号产生电路的芯片采用MAX038芯片, 是一种高频率、高精度、能产生准确的三角波、锯齿波、正弦波、方波、脉冲波的信号发生器, 输出频率范围可以控制在0.1Hz到20MHz[3]。占空比的调节范围宽, 占空比和频率控制均可单独调节两者互不影响。当MAX038芯片A1端口为高电平、A0端口为任意时, 输出波形为正弦波;当A1、A0端口同时为低电平时, 输出波形为方波;当A1端口为低电平、A0端口为高电平时, 输出波形为三角波。A0端口接处理器LPC2103的P0.5端口, A1端口接处理器LPC2103的P0.6端口。端口COSC用于调节频段, 端口IIN用于调节频率。信号产生电路设计如图2 (2) 所示。

2.4 频段选择电路设计

利用八选一模块CD4051芯片选择连接不同的电容量Cf, 从而确定频率范围 (即频段) 。本系统共有8个频段供切换, 电路设计如图2 (3) 所示。

2.5 频率微调电路设计

MAX038输出波形的频率由输入引脚IIN的电流IIN、引脚COSC接人的电容量Cf以及引脚FADJ的电压VFADJ决定, 其中输出波形的基频由电流IIN和Cf决定。通过TLC5618和四运放器件LM324控制信号发生器的FADJ管脚实现频率微调。频率微调电路设计如图2 (4) 所示。

2.6 占空比微调电路设计

通过D/A转换TLC5618芯片和四运放器件LM324芯片控制信号发生器的DADJ管脚的电压实现波形占空比调节。占空比微调电路设计如图2 (5) 所示。

2.7 信号放大电路设计

AD811芯片是一个宽带高速电流反馈型运算放大器, MAX038产生的各种波形的输出幅度均为2 V (P-P) 。AD811的电压放大增益为2, 主要起功率放大的作用。信号功率放大电路设计如图2 (6) 所示。

2.8 电平转换电路设计

电平转换模块选用MAX232芯片, 是款兼容RS232标准的芯片。实现微处理器5V TTL信号和电脑的RS232信号电平转换, 可以实现上位机和下位机之间的通信。电平转换电路设计如图2 (7) 所示。

2.9 电源选择电路设计

系统电源采用USB 5V供电, 利用B0505芯片来获得MAX038芯片与AD811芯片所需的-5V电压, B0505是一个压差输出, 如图B0505的输出+VO接地, 输出就是-5V。其电路原理设计如图2 (8) 所示。

3 结语

本文以信号发生器为研究对象, 基于ARM处理器、ADS1.2开发环境、面向对象编程环境Delphi7.0及EDA技术等完成了一套功能多样、携带方便且操作简单的函数信号产生器的设计及实现。所设计的函数信号发生器能够产生多种波形, 包括三角波、方波、正弦波等;产生的信号的频率为0.1Hz~20MHz (八个频段) ;信号幅度为0~5V, 信号占空比与频率可连续调节;具有信号放大作用。是一款实用性强、可调范围大、精度高、信号稳定、便于携带的函数信号发生器, 可用于各种需要信号源的场合。

参考文献

[1]ARM Inc.ARMv7-M Architecture Application Level Reference Manual.first beta release, 2008

[2]王媛婷, 杨耿杰.Delphi+MSComm控件开发串行通信程序[J].工业控制出版社, 2008 (7)

8.高速电路设计和信号完整性分析 篇八

一、关于信号完整性的概述

信号完整性（Signal Integrity，SI），指信号从输入端沿某种传输线传输到接收端后传输波形的完整程度，并对信号在电路传输中输入及输出的时序和电压的响应能力进行比较。现代电路设计中高速电路设计所占的比重越来越大，需要考虑在低速电路设计中所不需要考虑的很多问题，因此对于高速电路设计来说，它的核心不仅要解决高速电路的器件问题，还需要设计者结合自身的工作设计理念及使用情况、使用场合，全面的考虑高速电路设计。从设计者的经验及实际问题来看，高速电路设计问题主要存在于以下几个方面，首先是信号完整性问题，其次是电磁兼容性问题，第三是电源完整性问题，笔者在这里主要对高速电路中出现的信号完整性问题进行分析，并给出相应的解决办法。

二、信号完整性的仿真方法

2.1 模型与建模

对于信号完整性仿真技术来说，首先需要具备含有各种准确参数的电路模型。PCB板级信号完整性分析，常用的模型从种类上分为以下三种：SPICE仿真模型；Verilog-AMS和 VHDL-AMS仿真模型；IBIS仿真模型。在实践的过程中通過对三种模型的比较发现，IBIS模型是最适合信号完整性分析的模型，IBIS模型所展现的是元器件的行为方式模型，它的主要意义在于通过对这一元器件运行方式的展现，来预测和仿真元器件在实际工作中的方式和结果。这一模型的构建基础是数据表格的形式，通过计算机计算的方式得到仿真的波形，最主要的是它具有自身的语法和ASCII格式，并且不涉及芯片内部的结构信息。

2.2利用IBIS模型进行信号完整性分析

对IBIS模型的基本原理掌握之后，接下来我们就可以利用工具如Cadence公司的SpecctraQuest和Mentor Graphics公司的HyperLynx来对信号完整性问题进行具体的分析了。电路是由元器件经导线互联组成的，每一个网络所连接的管脚的I/O特性都是由相对器件的IBIS模型进行描述和表达的。相对于有源器件来说，电阻、电容以及电感等无源器件通常使用的是SPICE模型，对于信号互连线的处理方法是等效成传输线模型，传输线的具体参数通过相关因素的数据计算得出，具体相关因素有厚度、层数、材料、布线的宽度以及布线的间距等。另外一个由于网络之间的电磁场耦合所引起的寄生参数值也可以通过场仿真器来算出。

应用模型数据通过分析软件获得，可以对信号完整性问题进行必要的分析，包括可能出现的信号延迟、信号反射引发的上冲下冲及多种网络之间的相互干扰等。基于对信号完整性分析，我们可以通过几种方式来改善信号质量，如：改变拓扑结构、调整阻抗匹配、进行叠层结构和布局布线优化等，通过这些方式可以有效构建起正确的时序关系。

2.3 仿真

由于不同的仿真软件自身有着不同的特点，有的软件仿真度较高，有的软件对高频电路会有很大的益处，但不是精度越高越有利于仿真信号的精确率，仿真速度也是仿真软件的基础评定要求之一。为此，选择合适的电路仿真分析软件才能满足对信号完整性分析的要求。以下就使用较为广泛的两种仿真软件进行论述。

2.3.1Mentor Graphics公司研发的HyperLynx仿真软件

Hyperlynx包含前仿真环境LineSim和后仿真环境BoardSim，LineSim主要用在布线设计前约束布线和各层的参数、设置时钟的布线拓扑结构、选择元器件的速率、诊断信号完整性及避免电磁辐射、串扰等方面。BoardSim主要用于布线后快速的分析设计中的信号完整性、电磁兼容性和串扰等问题，生成串扰强度报告，解决串扰问题。笔者使用LineSim工具，对信号的阻抗匹配、传输线长度、串扰进行了仿真分析，得出了指导性结论。

2.3.2 Cadence公司研发的SpecctraQuest仿真软件

SpecctraQuest仿真软件是一种高速系统板级设计工具，主要功能是对PCB布线前、后的信号完整性进行必要的分析，控制Layout的相应约束条件。仿真软件集成SigXplorer拓扑结构研发环境，提供可以图形化显示的拓扑结构、窗口修改，是当前电路设计师进行信号互联结构设计的关键工具之一。软件在进行PCB布局和布线等详细设计前使用，通过仿真软件的分析可以有效确定及优化电路的互联策略，同时为获取信号完整性提供最优化的方法。

三、总结

通过本文我们了解到完善高速电路系统设计工作的首要问题就是要解决信号完整性问题，否则由此产生的不确定性问题不仅会降低信号的质量，还会影响到整个系统的性能。尤其是近年来，基于电路PCB板的总线设计速率越来越高，带来了越来越多的信号完整性问题。在产品开发过程中，电子工程师首先要面临的是高密度PCB设计带来的难点，其次是要承受产品更新换代带来的压力，最终使得仿真工具成为电子工程师有效工作必要的协助手段。只有采用新的设计规则、适当的分析工具、先进的生产技术（如背钻）、特殊的PCB基材等，才能更好的进行高速电路设计。因此在高速电路设计过程中借助EDA仿真工具来分析信号完整性这一手段，是具有十分重要的理论及实践意义的。

参考文献

[1].曾峰，侯亚宁，曾凡雨.印制电路板（PCB）设计与制作[M].电子工业出版社，2008.

[2].奥本海默，刘树堂译.信号与系统（第二版）[M].西安交通大学出版社，1999.

[3].SPECCTR A Quest Simulation and Analysis Reference [J]. Cadence Design System， 2002.

[4].IBIS 4.1可以增强信号完整性建模功能[OL].

9.铁路信号工程施工及电路导通 篇九

铁路信号对列车运行安全和时间疏导起到重要保障作用,信停期间应从制定严密的施工方案和做好配合工作两方面来做好铁路信号施工方案的组织工作.对铁路信号导通中的故障处理进行分析,提出故障处理措施,该方法能达到缩短信停时间,优化施工组织的目的.

作 者：唐飞 TANG Fei 作者单位：中国中铁五局电务有限责任公司,湖南,长沙,410205 刊 名：交通科技与经济 英文刊名：TECHNOLOGY & ECONOMY IN AREAS OF COMMUNICATIONS 年，卷(期)：20xx 11(3) 分类号：U281 关键词：铁路信号 施工组织 电路导通

10.函数信号发生器电路 篇十

关键词：列车信号机；电子化点灯模块

中图分类号： U284.7 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）16-168-2

0 引言

铁路车站中列车信号、进路、道岔三者之间的联锁控制发展经历了三大发展阶段，分别是机械联锁控制、电气集中联锁控制、计算机联锁控制系统。限于当时的电子技术发展水平，和对铁路运营安全的考虑，计算机联锁系统依然选择将继电器电路作为执行电路。这些计算机联锁系统的特点是由计算机保证联锁、由继电器电路来执行联锁系统下发的联锁命令。正是由于整个计算机联锁系统中保留了一部分重弹力式继电器，使得计算机智能化的特点无法充分体现。为了突出计算机联锁系统的职能化特征，也为了使计算机联锁系统具有更高的可靠性和安全性，有必要研制一种电子化的执行模块来替代由继电器构成的执行电路。

本文重点对列车信号机传统继电器式点灯电路进行了电子化研究设计。

1 列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块总体设计

铁路车站的列车信号机包括进站信号机、带调车信号的两方向的出站信号机以及进路信号机，这些列车信号机传统的点灯电路都是由继电器控制的。结合列车信号机传统点灯电路实现的功能，电子化、智能化、模块化后的列车信号机点灯电路应该具备如下功能：

①能与计算机联锁系统进行信息交换，接收由计算机联锁系统中联锁主机下发的列车信号机点灯指令，同时还要实时地给联锁主机上传列车信号机点灯状态；

②能实时监测列车信号机点灯电流和列车信号机的点灯状态；

③每个列车信号机电子化模块可以控制1架列车信号机，最多可以点H、U、L、2U、YB、2L、DB 7个灯位；

④电子化模块要实时进行自检，当电子化电路自身出现故障时必须自动输出安全侧点灯信息，即点红灯；

⑤不给出乱显示；

⑥将AC220V电源转换为AC16V，作为列车信号机点灯电源。

根据列车信号机电子化点灯模块所具备的功能，和列车信号机传统控制电路的运用技术条件，铁路车站列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块总体结构如图1所示。

铁路车站列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块主要由通信电路、微处理器、列车信号机点灯主控回路、主控回路状态监测电路、信号点灯状态监测电路以及报警指示电路构成。

图1中，通信电路在联锁主机和微处理器间进行信息传递，这些信息包括联锁主机下达的点灯指令、表示和报警信息以及主控回路和其他电路的运行状态信息；主控回路根据联锁主机下达的点灯指令，控制列车信号机灯泡的点亮和熄灭；信号点灯状态监测电路用来对列车信号机信号点灯状态进行实时监测；主控回路状态监测电路用来对列车信号机电子化模块中与安全控制相关的元器件进行实时监测；报警指示电路在列车信号机电子化点灯模块或者列车信号机故障时及时地给出对应的报警信息。

2 列车信号机电子化点灯模块硬件电路设计

根据列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块总体设计框图，其硬件电路设计包括通信电路设计、主控电路设计、主控回路状态监测电路、列车信号机点灯状态监测电路以及报警指示灯。下面主要对列车信号机电子化模块点灯主控电路进行介绍。

列车信号机传统点灯电路电子化模块的点灯主控电

本文研究设计的列车信号机传统点灯电路电子化模块总共需要控制7个灯位的显示，分别是H灯、U灯、L灯、2U灯、YB灯、2L灯以及DB灯。由于列车信号模块所控制的7个灯位（H灯、U灯、L灯、2U灯、YB灯、2L灯以及DB灯）中有需要与其他灯位配合点亮的，也有需要单独点亮的，所以将其控制的7个灯位进行分组控制，将需要单独点亮的H灯、DB灯、U灯和L灯作为第一组进行控制，将需要与第一组中有关灯位同时点亮的YB灯、2U灯和2L灯三个灯位作为第二组进行控制。

3 列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块软件设计

铁路车站列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块的软件设计，根据电子化点灯模块的控制功能，遵照控制软件工程方法规范，采用了模块化结构设计。

根据铁路车站列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块要实现的功能和硬件整体设计，铁路车站列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块的软件主要分为两大块，分别是控制软件和监测软件。其控制软件包括电子化点灯模块上电自检模块、初始化模块、通信模块、点灯命令处理模块、点灯控制模块；监测模块包括列车信号机点灯状态监测模块、点灯主控回路状态监测模块以及监测信息接收处理模块。其中点灯控制软件主要负责硬件的控制输出、输入信号的采集和逻辑处理，以实现列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块对列车信号机的显示控制功能。

4 电子化点灯模块可靠性和安全性设计

为了保证铁路车站列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块具有高的可靠性和安全性，进行了如下设计：

4.1 电子化点灯模块采用“2取2”的安全结构

根据铁路车站列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块需要完成的功能和列车信号机点灯控制电路的运用技术条件，铁路车站列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块采用“2取2”的安全结构，模块的整体结构首先保证了其具有高的安全性。

4.2 点灯控制电路选用安全型继电器作为主控元器件

铁路车站列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块主控电路选用选用带强制导向接点的小型纤细型安全继电器。其机械寿命高达1000万次以上，是带有强制断开接点的安全型板载继电器。在线圈无励磁的状态下，该继电器的常开接点熔接后所有的常闭接点将保持0.5mm以上的接点间隔；同样地，在线圈励磁状态下，常闭接点熔接后所有的常开接点将保持0.5mm以上的接点间隔。这一特性保证了该继电器某一个接点的故障不会导致其他接点出现同样的故障，为铁路车站列车信号机传统点灯电路电子化点灯模的可靠性和安全性提供了另一重保障。

4.3 点灯控制电路采用双断法

铁路车站列车信号机传统点灯电路电子化点灯模块所有灯位点灯控制回路的去线和回线上都对称设置了2个安全型继电器，可以实现不同点灯回路的安全可靠切换。这样可以避免只有去线或只有回线混线时造成误点灯现象，还可以避免在一个继电器故障的情况下模块出现错误点灯或所控灯位不受控制的现象。

5 结论