1923_基于單片機的多功能信號發(fā)生器,基于,單片機,多功能,信號發(fā)生器 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 1 頁文獻綜述1.前言 隨著電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術的迅速發(fā)展，促使信號發(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)，更促使信號發(fā)生器向著自動化、智能化方向發(fā)展。現(xiàn)在，許多信號發(fā)生器帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自動故障診斷和自動波形形成和修正等功能，可以和控制計算機及其他測量儀器一起方便的構成自動測試系統(tǒng)。當前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、低功耗、高頻率精度、多功能、自動化和智能化方向發(fā)展。在科學研究、工程教育及生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制、教學實驗、機械振動試驗、動態(tài)分析、材料試驗、生物醫(yī)學等領域，常常需要用到低頻信號發(fā)生器。而在我們日常生活中，以及一些科學研究中，鋸齒波和正弦波、矩形波信號是常用的基本測試信號。譬如在示波器、電視機等儀器中，為了使電子按照一定規(guī)律運動，以利用熒光屏顯示圖像，常用到鋸齒波產(chǎn)生器作為時基電路。信號發(fā)生器作為一種通用的電子儀器，在生產(chǎn)、科研、測控、通訊等領域都得到了廣泛的應用。 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際應用的需求。加之各類功能的半導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發(fā)生器成為可能。2．信號發(fā)生器的工作原理信號發(fā)生器用來產(chǎn)生頻率為 20Hz～200kHz 的正弦信號(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，可用于測試或檢修各種電子儀器設備中的低頻放大器的頻率特性、增益、通頻帶，也可用作高頻信號發(fā)生器的外調制信號源。另外，在校準電子電壓表時，它可提供交流信號電壓。低頻信號發(fā)生器的原理：系統(tǒng)包括主振級、主振輸出調節(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. 信號發(fā)生器的分類正弦信號發(fā)生器：正弦信號主要用于測量電路和系統(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發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器和微波信號黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 2 頁發(fā)生器；按輸出電平可調節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡易信號發(fā)生器（即信號源）、標準信號發(fā)生器（輸出功率能準確地衰減到-100 分貝毫瓦以下）和功率信號發(fā)生器（輸出功率達數(shù)十毫瓦以上）；按頻率改變的方式分為調諧式信號發(fā)生器、掃頻式信號發(fā)生器、程控式信號發(fā)生器和頻率合成式信號發(fā)生器等。用 555 制作的多波形信號發(fā)生器低 頻 信 號 發(fā) 生 器 ： 包括音頻（200～20000 赫）和視頻 （1 赫～10 兆赫）范圍的正弦波發(fā)生器。主振級一般用 RC 式振蕩器，也可用差頻振蕩器。為便于測試系統(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 發(fā) 生 器 ：頻率為 100 千赫～30 兆赫的高頻、30～300 兆赫的甚高頻信號發(fā)生器。一般采用 LC 調諧式振蕩器，頻率可由調諧電容器的度盤刻度讀出。主要用途是測量各種接收機的技術指標。輸出信號可用內部或外加的低頻正弦信號調幅或調頻，使輸出載頻電壓能夠衰減到 1 微伏以下。（圖 1）的輸出信號電平能準確讀數(shù)，所加的調幅度或頻偏也能用電表讀出。此外，儀器還有防止信號泄漏的良好屏蔽。標 準 信 號 發(fā) 生 器 微 波 信 號 發(fā) 生 器 ：從分米波直到毫米波波段的信號發(fā)生器。信號通常由帶分布參數(shù)諧振腔的超高頻三極管和反射速調管產(chǎn)生，但有逐漸被微波晶體管、場效應管和耿氏二極管等固體器件取代的趨勢。儀器一般靠機械調諧腔體來改變頻率，每臺可覆蓋一個倍頻程左右，由腔體耦合出的信號功率一般可達 10 毫瓦以上。簡易信號源只要求能加 1000 赫方波調幅，而標準信號發(fā)生器則能將輸出基準電平調節(jié)到 1 毫瓦，再從后隨衰減器讀出信號電平的分貝毫瓦值；還必須有內部或外加矩形脈沖調幅，以便測試雷達等接收機。 掃 頻 和 程 控 信 號 發(fā) 生 器 ：掃頻信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生幅度恒定、頻率在限定范圍內作線性變化的信號。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（如變容管或磁芯線圈）來實現(xiàn)掃頻振蕩；在微波段早期采用電壓調諧掃頻，用改變返波管螺旋線電極的直流電壓來改變振蕩頻率，后來廣泛采用磁調諧掃頻，以 YIG 鐵氧體小球作微波固體振蕩器的調諧回路，用掃描電流控制直流磁場改變小球的諧振頻率。掃頻信號發(fā)生器有自動掃頻、手控、程控和遠控等工作方式。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 3 頁頻 率 合 成 式 信 號 發(fā) 生 器 ：這種發(fā)生器的信號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準頻率源，利用頻率合成技術形成所需之任意頻率的信號，具有與標準頻率源相同的頻率準確度和穩(wěn)定度。輸出信號頻率通常可按十進位數(shù)字選擇，最高能達 11 位數(shù)字的極高分辨力。頻率除用手動選擇外還可程控和遠控，也可進行步級式掃頻，適用于自動測試系統(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雜，最高輸出頻率只能達 1000 兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標準頻率源通過鎖相環(huán)控制電調諧振蕩器（在環(huán)路中同時能實現(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。這種合成器的最高頻率可達 26.5 吉赫。高穩(wěn)定度和高分辨力的頻率合成器，配上多種調制功能（調幅、調頻和調相），加上放大、穩(wěn)幅和衰減等電路，便構成一種新型的高性能、可程控的合成式信號發(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。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、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領域。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關電路（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，形成許多不同斜度的折線段，便可形成正弦波。另一種構成方式是用頻率合成器產(chǎn)生正弦波，再對它多次放大、削波而形成方波，再將方波積分成三角波和正、負斜率的鋸齒波等。對這些函數(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 發(fā) 生 器 ：產(chǎn)生寬度、幅度和重復頻率可調的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應，或用模擬信號來測試雷達、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、延時級、脈沖形成級、輸出級和衰減器等組成。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)信號之后首先輸出一個前置觸發(fā)脈沖，以便提前觸發(fā)示波器等觀黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 4 頁測儀器，然后再經(jīng)過一段可調節(jié)的延遲時間才輸出主信號脈沖，其寬度可以調節(jié)。有的能輸出成對的主脈沖，有的能分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。隨 機 信 號 發(fā) 生 器 ：隨機信號發(fā)生器分為噪聲信號發(fā)生器和偽隨機信號發(fā)生器兩類。 噪 聲 信 號 發(fā) 生 器 ： 完全隨機性信號是在工作頻帶內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 吉赫以下整個頻段內）等。噪聲發(fā)生器輸出的強度必須已知，通常用其輸出噪聲功率超過電阻熱噪聲的分貝數(shù)（稱為超噪比）或用其噪聲溫度來表示。噪聲信號發(fā)生器主要用途是：①在待測系統(tǒng)中引入一個隨機信號，以模擬實際工作條件中的噪聲而測定系統(tǒng)的性能；②外加一個已知噪聲信號與系統(tǒng)內部噪聲相比較以測定噪聲系數(shù)；③用隨機信號代替正弦或脈沖信號，以測試系統(tǒng)的動態(tài)特性。例如，用白噪聲作為輸入信號而測出網(wǎng)絡的輸出信號與輸入信號的互相關函數(shù)，便可得到這一網(wǎng)絡的沖激響應函數(shù)。 偽 隨 機 信 號 發(fā) 生 器 ： 用 白 噪 聲 信 號 進 行 相 關 函 數(shù) 測 量 時 ， 若 平 均 測 量 時 間 不 夠長 ， 則 會 出 現(xiàn) 統(tǒng) 計 性 誤 差 ， 這 可 用 偽 隨 機 信 號 來 解 決 。 當 二 進 制 編 碼 信 號 的 脈 沖 寬度 墹 T 足 夠 小 ， 且 一 個 碼 周 期 所 含 墹 T 數(shù) N 很 大 時 ， 則 在 低 于 fb=1/墹 T 的 頻 帶內 信 號 頻 譜 的 幅 度 均 勻 ， 稱 為 偽 隨 機 信 號 。 只 要 所 取 的 測 量 時 間 等 于 這 種 編 碼 信 號周 期 的 整 數(shù) 倍 ， 便 不 會 引 入 統(tǒng) 計 性 誤 差 。 二 進 碼 信 號 還 能 提 供 相 關 測 量 中 所 需 的 時間 延 遲 。 偽 隨 機 編 碼 信 號 發(fā) 生 器 由 帶 有 反 饋 環(huán) 路 的 n 級 移 位 寄 存 器 組 成 ， 所 產(chǎn) 生的 碼 長 為 N=2-1 。3 總體方案論證與設計信號發(fā)生器的實現(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，不易調試。方案二：可以由晶體管、運放 IC 等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器 IC 產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器 IC，如 L8038、BA205、XR2207/2209 等，黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 5 頁它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有 300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調節(jié)，二者互相影響。方案三：利用專用直接數(shù)字合成ＤＤＳ芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率。但成本較高。方案四：采用 AT89C51 單片機和 DAC0832 芯片，直接連接鍵盤和顯示。該種方案主要對 AT89C51 單片機的各個 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.這樣總體來說,能對單片機各個接口都利用上,而不在多用其它芯片,從而減小了系統(tǒng)的成本.也對按照系統(tǒng)便攜式低頻信號發(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，方案四各項性能和指標都優(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)了模塊化設計的要求，而且這些芯片及器件均為通用器件，在市場上較常見，價格也低廉，樣品制作成功的可能性比較大，所以本設計采用方案四。參考文獻:[1] 馮建雨 單片機控制的函數(shù)發(fā)生器設計與實現(xiàn)[J] 東南大學 2002.5[2] 熊飛麗.王光明.劉國福 多功能智能函數(shù)信號發(fā)生器的設計[J] 國防科技大學機電工程和自動化學院 2002.9.27[3] 鄭威.潘定 基于 MAX038 和單片機的高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器[J] 福州大學至誠學院信息工程系; 暨南大學管理學院[4] 張立萍 一種種多功能信號發(fā)生器的設計 赤峰學院學報(自然科學版) [J]2005.10[5] 景國新 基于 DDS 技術的函數(shù)發(fā)生器設計與實現(xiàn) 成都電子科技大學增刊實驗科學與技術[J]2006.12[6] 劉燦.代永紅.肖偉.梅衛(wèi)龍 基于 FPGA 和 51 單片機信號發(fā)生器設計與實現(xiàn)[J] 電子設計工程[7] 胡偉 LXI 高性能信號發(fā)生器模塊研制[J] 哈爾濱工業(yè)大學 2010.7[8] 楊晶晶.劉巖 基于 AT89C52 單片機的超低頻信號發(fā)生器設計[J] 現(xiàn)代電子技術 2011.2[9] 張?zhí)m英 雙通道寬帶信號發(fā)生器的設計[J] 哈爾濱理工大學 2010.3黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 6 頁[10] 張海黎.李俊德 單片機 C 語與 C 高級程序設計語言的異同[J] 湖南廣播電視大學學報 2002.11[11]Springer London. Supporting routine decision-making with a next-generation alarm clock[J]. Personal and Ubiquitous Computing.2004.6[12] Zero Adjustment and Sensitivity Correction System of Methane Sensor Based on the Single-Chip Microcomputer.2003.10