第一篇：基于DDS芯片AD9850的全数控函数信号发生器的设计与实现
基于DDS芯片AD9850的全数控函数信号发生器的设计与实现
龙安国
(永州职业技术学院，湖南 永州 425006)0 引言
http://www.xiexiebang.com/xsj07/xsj091134.asp 信号源是电子产品测量与调试、部队设备技术保障等领域的基本电子设备。随着科学技术的发展和测量技术的进步，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的电子技术领域的生产调试需要。而DDS技术是一种新兴的直接数字频率合成技术，具有频率分辨率高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点，因而在雷达及通信等领域具有广泛的应用前景。
1系统设计方案
本文提出的采用DDS作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案，根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控、输出频率宽等要求，选用了美国A／D公司的AD9850芯片，并通过单片机程序控制和处理AD9850的32位频率控制字，再经放大后加至以数字电位器为核心的数字衰减网络，从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。该函数信号发生器的结构如图1所示。
本系统主要由单片机、DDS直接频率信号合成器、数字衰减电路、真有效值转换模块、A／D转换模块、数字积分选择电路等部分组成。DDS的基本原理
直接数字频率合成器(Derect Digital Synthesizer)是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。一个直接数字频率合成器通常由相位累加器、加法器、波形存储ROM、D／A转换器和低通滤波器(LPF)组成。DDS的组成结构如图2所示。其中，K为频率控制字(也叫相位增量)，P为相位控制字，W为波形控制字，fc为参考时钟频率，N为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D／A转换器的字长。相位累加器在时钟fc的控制下以步长K累加，输出的N位二进制码与相位控制字P、波形控制字W相加后作为波形ROM的地址来对波形ROM进行寻址，波形ROM输出的D位幅度码S(n)经D／A转换变成阶梯波S(t)后，再经过低通滤波器平滑，就可以得到合成的信号波形。由于合成的信号波形取决于波形ROM中存放的幅度码，因此，用DDS可以合成任意波形。
3硬件电路设计
3.1 DDS信号产生电路
考虑到DDS具有频率分辨率较高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化、易于集成、体积小、重量轻等优点，该方案选用美国A／D公司的AD9850芯片，并采用单片机为核心控制器件来对DDS输送频率控制字，从而使DDS输出相应频率和类型的信号，其DDS信号产生电路如图3所示。
3硬件电路设计
3.1 DDS信号产生电路
考虑到DDS具有频率分辨率较高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化、易于集成、体积小、重量轻等优点，该方案选用美国A／D公司的AD9850芯片，并采用单片机为核心控制器件来对DDS输送频率控制字，从而使DDS输出相应频率和类型的信号，其DDS信号产生电路如图3所示。
单片机与AD9850的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式。为了充分发挥芯片的高速性能和节约单片机资源，本设计选择并行方式将AT89S52的P0口经74HC373锁存器扩展后接至DDS的并行输入控制端(D0～D7)。AD9850外接120 MHz的有源晶振，产生的正弦信号经低通滤波器(LPF)去掉高频谐波后即可得到波形良好的模拟信号。这样，将D／A转换器的输出信号经低通滤波后，接到AD9850内部的高速比较器上，即可直接输出一个抖动很小的方波。再将方波信号加至积分电路，即可得到三角波信号。另外，也可通过键盘编辑任意波形的输出信号。
3.2键盘输入接口及LCD接口电路
本系统中的数字输入设置电路采用2×8矩阵键盘。由于LCD具有显示内容多，电路结构简单，占用单片机资源少等优点，本系统采用RT1602C型LCD液晶显示屏来显示信号的类型、频率大小和正弦波的峰一峰值，图4所示是键盘输入及LCD接口电路图。
同样，考虑到AT89S52单片机的IO引脚资源有限，本系统的键盘输入及LCD输出均通过74HC245连接到AT89S52单片机的P0端口，从而实现端口扩展和复用。
3.3信号幅度数控预置电路
为了实现对输出的正弦模拟信号幅度的数字控制和预置，本系统采用了AD811高速运放、数字电位器衰减、真有效值转换、以及A／D转换等电路，具体电路图如图5所示。
数字电位器X9C102是实现信号幅度数字可调的关键器件。真有效值转换模块AD637主要负责信号的TRMS／DC转换，然后经TLC2453模数转换向单片机输送正比于正弦波信号幅度的数字量，以便单片机输出合适的幅值控制指令。
3.4积分电容自动切换控制电路
三角波是常用信号之一，本系统采用RC积分电路将方波信号转换成三角波。由于信号频率很宽(低频达1 Hz以下，高频达60 MHz以上)，为了完成不同频段的线性积分，需要不同的积分电容(10pF、100pF、1 nF、10nF、100nF、1 μF、10 μF、100μF)。基于数控和自动切换的需要，本系统采用如图6所示的CD4051八选一电路。
CD4051的八选一控制信号来源于AT89S52的P0～P3接口，74HC373P也是考虑复用P0端口而设置的。AD9850输出的方波经积分电路转换为三角波后，经AD811高速运放可提高其负载能力。
4系统软件设计
4.1 主程序
主程序可控制整个系统，包括控制系统的初始化、显示、运算、键盘扫描、频率控制、幅度控制等子程序，其主程序流程如图7所示。
初始化可将系统设定为默认工作状态，然后通过扫描键盘来判断是否有按键按下以确定用户要执行的任务，同时通过判断23H.4、20H.1、20H.0各功能标志位来确定应完成的功能。当23H.4=1时，计算频率值系统工作在频率计方式下；当20H.1=1时，检测峰峰值系统将检测输出信号的峰峰值：而当20H.0=1时．则更新LCD显示内容，当执行完后返回键盘扫描程序并以此循环。各功能标志位均由键盘、峰峰值检测和定时程序等控制，从而实现各种功能。
4.2键盘扫描子程序
键盘扫描子程序如图8所示。因按键较多。本系统采用2×8行列式键盘来节约I／O口，并用程序把8根列线全部拉低，再判断2根行线是否有低电平，如果没有，说明没有按键被按下，系统则退出键盘扫描程序，否则，依次拉低列线，然后依次判断行线是否有低电平并判断键号，键号确定后再转到键号相对应的功能程序去执行。键盘主要方便用户设置频率、幅度、选择工作方式等功能。
4.3 信号频率数字预置子程序
信号频率的数字控制程序流程如图9所示。该部分程序主要用于将键盘输入值转换成十六进制数据，然后产生相应的频率控制字并送至DDS芯片，以改变DDS的相位增量，最终输出相应频率信号。结束语
通过严格的实验测试证明，本系统采用DDS完全可以实现输出信号类型的选择设置、信号频率数字预置、信号幅度数字步进可调等功能，是一种输出信号频率覆盖宽(0.023 Hz～40 MHz)、信号源分辨率高、波形失真小、全数控型函数信号发生器。具有一定的实用开发价值。
第二篇：DDS函数信号发生器的设计
DDS函数信号发生器的设计、仿真及下载
一、实验设计
① 利用DDS（Direct DIgital Frequency Synthesis，即直接数字频率合成）技术产生稳定的正弦波，三角波和方波输出，输出频率为10~1000kHz且频率可调，步进为10Hz，1kHz，10kHz，100kHz。
② 用VerilogHDL进行建模和模拟仿真，再利用FPGA进行实现D/A转换。
③ 下载到DE0板上利用VGA端口的一个四位孔进行A/D转换显示在示波器上。
二、实验原理
一个直接数字频率合成器由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。DDS的原理框图如下所示：
图 1 直接数字频率合成器原理图
其中K为频率控制字，fc为时钟频率，N为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D/A转换器的字长。相位累加器在时钟 fc的控制下以步长K作为累加，输出N位二进制码作为波形ROM的地址，对波形ROM进行寻址，波形ROM输出的幅码S（n）经D/A转换器变成梯形波S（t）,再经低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形了。合成的信号波形形状取决于波形ROM中存放的幅码，因此用DDS可以产生任意波形。【来自百度】
本设计中直接利用DE0开发板通过D/A转换得到输出波形，省略了低通滤波器这一环节。
DDS工作流程示意图：
DDS的具体实现框图：
三、实验内容：
1、相位累加器和数据锁存器的设计
本设计采用模24的二进制累加器和寄存器，其中累加器和寄存器在一个模块中，只取锁存数据的高十位作为查表的地址值。//地址计数器模块；
module counter(clk,fre_word,address);input clk;
//声明系统时钟为clk
input [23:0] fre_word;
//声明24为频率控制字
output reg [9:0] address;
reg [23:0] phaseadder;always @(posedge clk)begin
phaseadder=phaseadder+fre_word;address=phaseadder[23:14];//地址取输出锁存后十位（对应波形为一个周期取1024点）
end endmodule2、波形存储器设计
本设计要求DDS系统能输出方波、三角波及正弦波三种波形。可以调用FPGA的LPM_ROM模块制作三张ROM表，地址计数器可以同时访问这三张表，再使用数据选择器输出指定波形。实际上，方波，三角波的实现算法比较简单，所以只把正弦波的算法用ROM实现。//方波产生模块
module squwave(clk,address,qsquare);
input clk;
//系统时钟;input [9:0] address;
//10位地址输入信号；
output reg [7:0] qsquare;//输出方波幅度信号8位宽送至DAC
always @(posedge clk)
if(address<=10'b01_1111_1111)qsquare[7:0]=8'b1111_1111;else qsquare[7:0]=8'b0000_0000;endmodule
//三角波产生模块
module triawave(clk,address,qtriangle);input clk;
input [9:0] address;output reg [7:0] qtriangle;always @(posedge clk)begin if(address<=10'b01_1111_1111)qtriangle[7:0]=address[8:1];else qtriangle[7:0]=~address[8:1];end endmodule
//正弦波形文件制作（C语言）#include
s=128+sin(atan(1.0)*8/1024*i)*127;
fprintf(fp,“%xt:t%x;n”);} fprintf(fp,“END;n”);fclose(fp);} 生成mif格式文件，然后可以调用LPM_ROM模块实现正弦波产生模块。
3、波形的综合输出
DDS系统中产生了三种波形，但是在每种情况下只输出一种波形，因此要设计一个多路选择器完成这种功能。输出何种波形由外部开关控制。//boxing.v module boxing(clk,address,wavemode,wavevalue);
input clk;
input [1:0] wavemode;
//波形模式信号
input [9:0] address;
//十位地址输入信号
output [7:0] wavevalue;
//对应不同的波形输出
reg [7:0] wavevalue;wire [7:0] q,qsquare,qtriangle;sinwave a(address,clk,q);
//调用正弦波产生模块
squwave b(clk,address,qsquare);//调用方波产生模块
triawave c(clk,address,qtriangle);//调用三角波产生模块 always @(posedge clk)case(wavemode)2'b01:wavevalue=q;//01代表正弦波
2'b10:wavevalue=qsquare;
//10代表方波
2'b11:wavevalue=qtriangle;
//11代表三角波
endcase endmodule
4、工作模式控制模块的设计
本设计包括了开关模块和工作状态转换模块。先将开关调好状态，每按一次键程序根据所选状态进行工作。（由于DE0板上时钟为50MHz则变化较快，所以增加一个控制键，工程模式状态由此键控制。）//控制模块
module control(clk1,keyin,wavemode,length,single_state,single_frc);
input [3:0] keyin;
//四位状态信号输入
input clk1;
//按键控制状态的输入
input [1:0]single_state;
//输入的波形模式信号
input [1:0]single_frc;
//频率及步进控制信号
output reg [1:0] wavemode;
//波形模式输出信号
output reg [23:0] length;
//输出波形控制字
reg [3:0] key;
always @(posedge clk1)
begin
key=keyin;case(key)4'b0001: begin wavemode=2'b01;length=24'd3;end
4'b0010: begin case(single_state)
2'b01:wavemode=2'b01;
2'b10:wavemode=2'b10;
2'b11:wavemode=2'b11;
default: begin wavemode=2'b01;end
endcase
end
4'b0100: begin case(single_frc)
1:length=24'd3;
//10~10kHz
2:length=24'd3355;//10kHz~100kHz
3:length=24'd33554;//100kHz~2000kHz
default: begin length=24'd671088;end //大于2000kHz
endcase
end
4'b1000: begin case(single_frc)
0:length=length+24'd33554;
//步进为100kHz
1:length=length+24'd3;
//
10Hz
2:length=length+24'd336;
//
1kHz
3:length=length+24'd3355;//
10kHz
endcase
end
endcase
end
endmodule
5、DDS函数信号发生器顶层设计
顶层文件是将上述几个模块联系在一起就可以得到DDS核心实现模块。//顶层文件
module dds(clk,clk1,keyin,wavevalue,single_state,single_frc);input clk,clk1;
//系统时钟和控制按键
input [3:0] keyin;
//四位状态输入信号
input [1:0]single_frc;
//频率及步进输入模式信号
input [1:0]single_state;
//波形选择开关
output [7:0] wavevalue;
//输出波形信号
wire [9:0] address;
wire [1:0] wavemode;wire [23:0] length;control u1(clk1,keyin,wavemode,length,single_state,single_frc);//调用其他三个模块
counter u2(clk,length,address);boxing u3(clk,address,wavemode,wavevalue);endmodule
五、实验操作
操作软件QuartusII9.1及Modelsim，这两种软件的用法在此不再细谈。下载后示波器显示如下：
六、实验总结：
做完这次实验，我感觉DDS对于我们这些初学者来说一时很难接受，但是我们需要通过自己以及他人的见解来不断消化知识，一点一点去理解。最后做出来波形的时候确实很高兴，这是对我们这几天的学习的肯定，以后还要不断的去学习去理解FPGA以及VerilogHDL，坚持不懈，不管它有多难。
第三篇：函数信号发生器设计
函数信号发生器设计设计任务与要求
⑴ 设计并制作能产生正弦波、矩形波（方波）和三角波（锯齿波）的函数发生器，本信号发生器可以考虑用专用集成芯片（如5G8038等）为核心实现。⑵ 信号频率范围： 1Hz∽100kHz；
⑶ 频率控制方式：
① 手控通过改变RC参数实现；
② 键控通过改变控制电压实现；
③ 为能方便地实现频率调节，建议将频率分档；
⑷ 输出波形要求
① 方波上升沿和下降沿时间不得超过200nS，占空比在48%∽50%之间；② 非线性误差≤2%；
③ 正弦波谐波失真度≤2%；
⑸ 输出信号幅度范围：0∽20V；
⑹ 信号源输出阻抗：≤1Ω；
⑺ 应具有输出过载保护功能；
⑻ 具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。
第四篇：低频函数信号发生器设计
实验报告
课程名称：
电子系统综合设计
指导老师：
周箭
成绩：
实验名称：低频函数信号发生器（预习报告）实验类型：
同组学生姓名：
一、课题名称
低频函数信号发生器设计
二、性能指标
（1）同时输出三种波形：方波，三角波，正弦波；（2）频率范围：10Hz～10KHz；
（3）频率稳定性：（4）频率控制方式：
① 改变RC时间常数；
； ② 改变控制电压V1实现压控频率，常用于自控方式，即F=f（V1），（V1=1～10V）； ③ 分为10Hz～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz三段控制。
（5）波形精度：方波上升下降沿均小于2μs，三角波线性度δ/Vom<1%，正弦波失真度
；
（6）输出方式：
a)做电压源输出时
输出电压幅度连续可调，最大输出电压不小于20V 负载RL=100Ω～1KΩ时，输出电压相对变化率ΔVO/VO<1% b)做电流源输出时
输出电流幅度连续可调，最大输出电流不小于200mA 负载RL=0Ω～90Ω时，输出电流相对变化率ΔIO/IO<1% c)做功率源输出时
最大输出功率大于1W（RL=50Ω，VO>7V有效值）具有输出过载保护功能
三、方案设计
根据实验任务的要求，对信号产生部分，一般可采用多种实现方案：如模拟电路实现方案、数字电路实现方案、模数结合的实现方案等。
数字电路的实现方案
一般可事先在存储器里存储好函数信号波形，再用D/A转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低，是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来实现的。
数字电路的实现方案在信号频率较低时，具有较好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速率，或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数字量输入速率的提高也是有限的。因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生高频（如>1MHz）信号。
模数结合的实现方案
一般是用模拟电路产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用D/A转换器与压控电路改变信号的频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路方式。
模拟电路的实现方案
是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。
模拟电路的实现方案有几种：
①用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号，存在较大的难度。原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路参数的要求，实际上是非常困难的。
② 由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电路，将三角波信号转换成正弦波信号，该电路方式也是本实验信号产生部分的推荐方案。这种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角波和方波信号。而正弦波信号的波形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面的单元电路分析中详细介绍。
四、单元电路分析
1、三角波，方波发生器
由于比较器+RC电路的输出会导致VC线性度变差，故采用另一种比较器+积分器的方式
积分器
同相滞回比较器
由积分器A1与滞回比较器A2等组成的三角波、方波发生器电路如图所示。在一般使用情况下，V+1和V-2都接地。只有在方波的占空比不为50%，或三角波的正负幅度不对称时，可通过改变V+1和V-2的大小和方向加以调整。
合上电源瞬间，假定比较器输出为低电平，vO2=VOL=-VZ。积分器作正方向积分，vO1线性上升，vp随着上升，当vp>0时，即vo1≥R2/R3*,比较器翻转为高电平，vO2=VOH=+VZ。积分器又开始作负方向积分，vO1线性下降，vp随着下降，当vp<0时，即vo1≥R2/R3*,比较器翻转为低电平，vO2=VOH=-VZ。
取C三种值:0.1uF 对应10-100Hz； 0.01uF 对应100-1kHz； 0.001uF 对应1k-10kHz。调节R23的比值可调节幅度，再调节R，可调节频率大小。
2、正弦波转换电路 常用方法有使用傅里叶展开的滤波法，使用幂级数展开的运算法，和转变传输比例的折线法。但前二者由于其固有的缺陷：使用频率小，难以用电子电路实现的原因，在本实验中舍弃，而采取最普遍的折线法。
折线法是一种使用最为普遍、实现也较简单的正弦函数转换方法。折线法的转换原理是，根据输入三角波的电压幅度，不断改变函数转换电路的传输比率，也就是用多段折线组成的电压传输特性，实现三角函数到正弦函数的逼近，输出近似的正弦电压波形。由于电子器件（如半导体二极管等）特性的理想性，使各段折线的交界处产生了钝化效果。因此，用折线法实现的正弦函数转换电路，实际效果往往要优于理论分析结果。
用折线法实现正弦函数的转换，可采用无源和有源转换电路形式。无源正弦函数转换电路，是指仅使用二极管和电阻等组成的转换电路。根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）二极管通路以改变转换网络的衰减比，输出近似的正弦电压波形。
有源正弦函数转换电路除二极管、电阻网络外，还包括放大环节。也是根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）网络通路以改变转换电路的放大倍数，输出近似的正弦电压波形。
有
源
正
弦
函
数
若设正弦波在过零点处的斜率与三角波斜率相同，即
则有，由此，可推断出各断点上应校正到的电平值：
方案一，使用二极管控制形成比例放大器，使得运放在不同时间段有不同的比例系数
方案二，用二极管网络，实现逐段校正，运放A组成跟随器，作为函数转换器与输出负载之间的隔离（或称为缓冲级）。
当输入三角波在T/2 内设置六个断点以进行七段校正后，可得到正弦波的非线性失真度大致在1.8 % 以内，若将断点数增加到12 个时，正弦波的非线性失真度可在0.8 %以内。3 输出级电路 根据不同负载的要求，输出级电路可能有三种不同的方式。
(1)电压源输出方式
电压源输出方式下，负载电阻RL通常较大，即负载对输出电流往往不提出什么要求，仅要求有一定的输出电压。同时，当负载变动时，还要求输出电压的变化要小，即要求输出级电路的输出电阻RO足够小。为此，必须引入电压负反馈
图（a）电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的VCC 和VEE 分别为±15V时，则VOPP =±(12 ~ 14)V。若要求有更大的输出电压幅度，必须采用电压扩展电路，如图12（b）所示。
(2)电流源输出方式
在电流源输出方式下，负载希望得到一定的信号电流，而往往并不提出对输出信号电压的要求。同时，当负载变动时，还要求输出电流基本恒定，即要求有足够大的输出电阻Ro。为此，需引入电流负反馈。
图（a）电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的VCC 和VEE 分别为±15V时，则VOPP =±(12 ~ 14)V。若要求有更大的输出电压幅度，必须采用电压扩展电路，如图（b）所示。
a）为一次扩流电路，T1 和T2 组成互补对称输出。运放的输出电流IA中的大部分将
图（作为T1、T2 的基极电流，所以IO = βIA。图（b）为二次扩流电路，用于要求负载电流IO 较大的场合。复合管T1、T2和T3、T4 组成准互补对称输出电路。
(3)功率输出方式
在功率输出方式下，负载要求得到一定的信号功率。由于晶体管放大电路电源电压较低，为得到一定的信号功率，通常需配接阻值较小的负载。电路通常接成电压负反馈形式。如用运放作为前置放大级，还必须进行扩流。当RL较大时，为满足所要求的输出功率，有时还必须进行输出电压扩展。
静态时，运放输出为零，– 20V电源通过下列回路：运放输出端→R1 →DZ →b1 →e1 → –20V 向T1 提供一定的偏置电流 R6 ,C3 和R7 ,C4 组成去耦滤波电路。需要注意的是几个晶体管的耐压限流以及最大功率值。
其中调节W可改变晶体管的静态工作电流，从而克服交越失真。
4)输出级的限流保护 由于功率放大器的输出电阻很小，因而容易因过载而烧坏功率管。因此需要进行限流保护。
图（a）是一种简单的二极管限流保护电路，当发生过流（I o过大）时，R3、R4 上的压降增大到足以使D3、D4 导通，从而使流向T1、T2 基极的电流信号I1、I2 分流，以限制I o 的增大。
图（b）是另一种限流保护电路，T3、T4 是限流管。当I o 过大，R5、R6 上的压降超过0.6V时，T3、T4 导通防止了T1、T2 基极信号电流的进一步增大。I o 的最大值为 0.6/R5，R3、R4 用来保护限流管T3、T4。
五、仿真分析
以1KHz为例即C=1nF
三角波方波发生电路
方波下降沿时间4.3μs
三角波峰值
改变RP2
改变RP1
调节占空比
调节偏移量
正弦波转换器
三角波转换正弦波，三角波放大后输出峰峰值10V
静态工作点
改变静态工作点（调节RP45）发生失真
功率放大电路
功率放大波形，输入为之前的正弦波，变阻器衰减后最大不失真输出电压
总电路图，模块形式
衰减前的输入信号与输出信号
由仿真结果来看，基本满足设计要求，准备按仿真电路设计实际电路。
六、仿真心得
在仿真的过程中出现了一下几个问题，但后来都分别排查掉了，希望实际连接时不再犯。
1、运放未接电源导致没有波形
2、变阻器接入阻止过小或过大导致没有信号或失真（尤其需要注意）
3、Lm324故障无法解决导致用了LM353代替
第五篇：函数信号发生器设计论文.
四川师范大学成都学院通信原理课程设计 目 录
前言.....................................................................1 1 函数信号发生器设计任务................................................1 1.1 设计提议...........................................................1 1.2 方案论证与研究.....................................................1 2 方案设计..............................................................2 2.1 项目指标...........................................................2 2.1.1 电源参数.......................................................2 2.1.2 工作频率.......................................................2 2.2 方案比较及选择.....................................................2 3 设计理论..............................................................3 3.1 函数发生器的结构组成...............................................3 3.2 方波信号...........................................................3 如图3.2-1由运算放大器和电容积分电路、Rf组成的，输出电压最终反馈到运
放反相输出端，因此积分电路有负反馈和延迟的作用。........................3 3.3 正弦波信号.........................................................4 3.4 三角波信号.........................................................6 4 RC振荡电路设计........................................................7 5 放大器功率及ICL8038介绍...............................................9 5.1 放大器功率.........................................................9 5.2 ICL8038原理介绍...................................................10 6 致谢..................................................................11 7 总结及体会............................................................12 附录1 系统原理图.......................................................13 附录2 系统元件清单.....................................................14 附录3 系统PCB图.......................................................15 I 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 参考文献................................................................16 II 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 函数信号发生器设计论文
前言
函数信号发生器的制作是以集成块ICL8038为核心器件，制作的成本也相对较低。是适合学生学习、使用电子技术测量。ICL8038可以输出具有多种波形的精
密振荡集成电路，要想产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号只需要个别外部元件。输出波形的占空比和频率还可以由电阻或电流控制。其次由于此芯片具有调制信号的输入端，所以可以用作频率调制，针对于低频信号。
函数信号发生器有着不同的用途，其电路中使用的器件是分离器件的可以产生三种或多种波形的函数发生器；而产生正弦波、方波、三角波也有多种方案，是集成器件电路，如先产生正弦波，根据其周期性内部某种确定的函数关系，再将正弦波通过整形电路转化为方波，最后三角波通过积分电路形成。也可以先产生方波或三角波，再将方波或三角波转化成正弦波。随着电子技术日益发展，新器材、新材料越发渐好，随着期间可选性的增加，函数信号发生器开发出更多的新款式，比如在技术上很可靠的产生正弦波、三角波、方波的主芯片ICL8038。所以，可以选择多种多样的方案，原则上是可行的。1 函数信号发生器设计任务 1.1 设计提议
产品开发、工业生产、科学研究等领域都的使用函数信号发生器，它常用的基本测试信号有锯齿波和正弦波、矩形波、三角波。常作为时基电路的锯齿波信号在示波器等仪器中利用荧光屏显示图像。例如，想要通过示波器荧光屏上观察到被测不失真地信号波形，通过产生锯齿波电压使的电子束在水平方向匀速搜出荧光屏。方波，三角波都有着不同的重要作用，而函数信号发生器是指一种能自发的产生方波、正弦波、三角波和锯齿波阶梯波等电压波形的仪器或电路。因此，提议设计一种能产生三角波、正弦波、方波的函数信号发生器。1.2 方案论证与研究
函数信号发生器用途较多，其电路中使用的器件是分离器件的可以产生三种或多种波形的函数发生器；而产生正弦波、方波、三角波也有多种方案，是集成器件电路，如先产生正弦波，根据其周期性内部某种确定的函数关系，再将正弦波通过整形电路转化 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 为方波，最后三角波通过积分电路形成。也可以先产生方波或三角波，再将方波或三角波转化成正弦波。随着电子技术日益发展，新器材、新材料越发渐好，随着期间可选性的增加，函数信号发生器开发出更多的新款式，比如在技术上很可靠的产生正弦波、三角波、方波的主芯片ICL8038。所以，可以选择多种多样的方案，原则上是可行的。2 方案设计
2.1 项目指标 2.1.1 电源参数
● 输入：双电源 +12V、-12v
● 输出：方波电压约等于12v，三角波电压与约等于5v，正弦波电压大于1v，幅 度可连续调，线性失真就会较小。2.1.2 工作频率
频率范围：10HZ～100HZ,100HZ～1000HZ 2.2 方案比较及选择
方案一：正弦振荡是由文氏电桥产生，然后得到方波，三角波是方波积分得到的。此方案结构简单，是一开环电路，产生的失真较小的正弦波和方波波形①。但于产生三角波则比较有麻烦，因为频率覆盖系数要求有1000倍，因此对于1000倍的频率变化会有积分时间从而使输出电压振幅的1000倍变化。而这是不满足电路要求的。幅度的稳定性几乎难以达到要求。并且通过仿真实验会发现积分器极易产生线性失真。
方案二：通过芯片ICL8038产生8083集成函数发生器。
该集成函数发生器是一种用途较多的波形发生器，可以产生方波、正弦波、三角波和锯齿波，通过外加的直流电压进行振荡器调节，所以是电压控制集成信号产生器。由于两个电流源控制外接电容C的充、放电电流，所以电容C两端电压大小变化与时间成线形关系，从而可以输出理想的三角波波形。8038电路中含正弦波变换器，因此可以将三角波转化成正弦波输出。另外还可以将三角波转换成方波输出通过触发器。此方案的特点有： ◆ 稳定性好而且线性良好；
◆ 易调频率，频带在几个数量级范围内，可以方便地、连续地改变频率大小，而且 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 ◆ 变频率的同时，幅度是不会发生变的；
◆ 不会出现过渡过程，只要接通电源后就会立即产生稳定的波形图； ◆ 方波和三角波在半周期内的时间是线性函数，容易转换为别的波形。故由此，本次信号设计采用的是第二种方案。3 设计理论
3.1 函数发生器的结构组成
函数发生器是指能够自动产生方波、正弦波、三角波的电压波形的仪器或电路。可以采用由运放、分离元件及单片集成函数发生器构成电路形式。根据不同的用途，可以产生三种或多种不同波形的函数发生器，本次介绍的事不同函数信号发生器的方法。
函数信号发生器是由正弦波形发生电路和基础的非正弦信号发生电路组合成的。下面我们将分别对方波、正弦波、三角波的发生进行分析，从而使在合成电路时电路更加的合理。3.2 方波信号
如图3.2-1由运算放大器和电容积分电路、Rf组成的，输出电压最终反馈到运放反相输出端，因此积分电路有负反馈和延迟的作用。
图3.2-1 运算放大电路
电路如图3.2-2所示，在接通电源时，电容两端的电压为零，且输出电压等于UZ，所以运放同相输出端的电压uP=UzR2=UZF。R1+R2 3 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 此时uO=UZ向C充电，使运放反相端输入电压uN不断上升。在uN小于uP以前，uO=UZ不变。在t=t1时，uN逐渐上升到略高于uP，使uO从高电平跳到低电平，变为-UZ。
此时通过Rf向C充电，使运放反相输入端的电压uNuP=-UZF，uO=-UZ时，逐渐增加。在uN大于uP以前，uO=-UZ大小保持不变。在t等于t2时，uN减小到稍低于uP，则uO从低电平跳到高电平，变为UZ，又回到最初状态。如此重复，循环，从而产生振荡，并输出方波。
根据上面的分析，从而可以画出如下图uO与uC的波形：
图3-2-2 uO与uC的波形
有图波形，并取适当的R1、R2值，F=R2(R1+R2)，则T=2RfC，得到振荡频率为：
3.3 正弦波信号
即又被称为文氏电桥振荡器，如图3-3-1所示其中是由同相运放电路组成的A放大器，如图3.3-1，Av= VoR=(2+1)VdR1f0=11=T2CRf 4 四川师范大学成都学院通信原理课程设计
图3.3-1 文氏电桥振荡电路 图3.3-2 同相运放电路
由RC串并联组成网络F，因为运放的输入阻抗较大，所以输出阻抗Ro就很小，对网络F几乎没有影响影响，故忽略不计，根据图3.3-3得 R VfjωRC+1Fv==1RVo++RjωC1+jωRC =R 1(jωRC+1+R)+RjωC=R1j(ωR2C-)+3RωC 5 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 根据自激振荡条件： AF =T=1故有AvFv=AvR=1 因此上式中分母12j(ωRC-)+3RωC 中的虚部必须等于零，即 R2Cw-1=0 ωC ⇒振荡频率ω0=1 CR
上式中实部为1，所以起振条件Av=3 图3.3-2是同相运放，Av=R2+1 须满足条件2R1=
R2 R1 图3.3-3 RC串并联
3.4 三角波信号
根据RC的积分电路输出和输入信号波形的关系可得，当输入信号是方波时，则输出的信号便是三角波，由此可知，三角波信号发生器是由RC积分电路和方波信号发生器组成。下图3-2-3便是三角波信号发生器的电路组成。图中的方波信号发生器是由A1运算放大器组成，RC积分电路是由A2组成。该电路的设计原理是：由方波信号发生器输出方波。反相积分电路由图中A1，A2和C、R4等组成。
分析可以画出uO1和uO的波形，如图3.4-1所示。6 四川师范大学成都学院通信原理课程设计
图3.4-1 uO1和uO的波形
电压uO的上升和下降幅度和时间变量相等，而且上升和下降的斜率的绝对值大小也相等。三角故波uO峰值为：
Uom= UZR2 R1 4R1R4C R2 则在调整三角波电路时，R1或R2应被先调整,使峰值达到所需要的值，最后再调整故振荡周期： T=2(t2-t1)=R4或C，使频率f0能满足要求。4 RC振荡电路设计
RC振荡器电路的设计，就是根据给出的指标要求，选择适合的电路结构形式，并确定和计算电路中各元件的参数，在所要求的频率范围内使它们满足振荡的条件，使电路产生正弦波形。RC振荡器的设计的步骤为：
● 根据已知的指标参数，选择适合的电路形式。● 计算并确定电路中的各元件参数。● 选择运算放大器
● 为满足电路指标要求可通过调试。四川师范大学成都学院通信原理课程设计
例如：设计一个振荡频为800Hz的RC正弦波振荡器。设计步骤如下: 计算并确定电路中的各元件参数。● RC的值可根据振荡器的频率计算。RC= ● 确定R和C的值 1=1.99⨯10-4(s)2πf0
为了使选频网络不受运算放大器输入和输出电阻的影响。按：Ri >> R >> R0的关系确定R的值。其中：运算放大器同相端的输入电阻Ri。为运算放大器的输出电阻R0。
当R=20kΩ时，则：
1.99⨯10-4-7C==0.995⨯10F 320⨯10 ● 确定R3和Rf 的值（Rf=R4+Rw+rd//R5)根据振荡的振幅条件，Rf应大于2R3，取Rf=2.01R3。从而减小波形失真。此外，为了满足R等于R3并联Rf的直流平衡条件，并减小运放输入失调的影响。
由Rf=2.01R3和R=R3//Rf可求出：
R3= 取整数值: R3=30k Ω
所以:Rf=2.01R3=2.01⨯30⨯103Ω=60.3kΩ.为了是效果更好, Rf与R3的值还可以通过实验调整后确定。● 确定其元件值及电路。
电路由R5和接法相反的二极管D1、D2并联而成。
二极管D1、D2 应选用其元件值硅管，因其温度稳定性较高。当然二极管D1、D2的特性必须保持一致，以确保输出波形的正负半轴对称。● R2与R5确定
由于二极管的非线性会导致波形失真，因此，可在二极管的两端并上一个阻值与rd相近的电阻R5。用来减小非线性失真，然后再经过调整，达到最好效果。便可确定R5，再计算出R2。为了是效果更加明显,电阻 R2可用50kΩ电阻和40 kΩ的电位器串联。● 运放型号的选择
运放选择，要求输入高阻、输出低阻，而且满足增益带宽积：Auo• BW 大于3fo 的 3.13.1⨯20⨯103=29.8⨯103Ω R =2.012.01 四川师范大学成都学院通信原理课程设计
条件。因为fo=800Hz，所以选择μA741集成运算放大器。5 放大器功率及ICL8038介绍 5.1 放大器功率
由多级放大器组成的便是电子电路。在工作过程中，电压放大是由小信号放大电路对输入信号进行的，再通过功率放大电路将功率放大，以便于控制或驱动负载电路工作。功率放大器就是以功率放大为目的的电路。低频功率放大器也称为功率放大器，是能使低频信号功率放大的放大器。
如图5.1-1 OTL 低频功率放大器所示。其中由晶体三极管T1组成前置放大级（也称推动级），T2、T3是一组参数对称的PNP和NPN型晶体三极管，它们组成OTL功放电路。射极输出器形式是由每一个管子接成的，因此输出电阻低，负载能力较强等优点，适合功率输出级。甲类状态由T1管工作，此集电极电流IC1是通过电位器RW1进行调节。IC1 的一部分流经二极管D及电位器RW2，给T2、T3提供电压。通过调节RW2，可以使T2、T3在甲、乙类状态得到合适的静态电流，以克服失的一端，因此可在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面改善了非线性失真，同时也能够稳定放大器的静态工作点。R和C2构成用于提高输出电压正半周的幅度自举电路，从而得到较大的动态范围。C2和R 构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。主要性能指标是OTL 电路。
在输出功率P0m的最大不失真理想情况下，在实验中可测量RL 两端的电压有效值通过计算来得实际的
其中由晶体三极管T1组成前置放大级（也称推动级），T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，互补推挽的OTL功放电路就由它们组成。由于射极输出器形式是每一个管子连接成的，因此具有输出低电 阻，负载能力较强等优点，适合作用于功率输出级。甲类状态T1管工作，通过调节电位器RW1来调节它的集电极电流IC1。IC1 的一部分流经二极管D及电位器RW2，给T2、T3提供偏电压。为甲、乙类状态在T2、T3得到合适的静态电流，可通过调节RW2来实现，从而又由于RW1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。9 四川师范大学成都学院通信原理课程设计
图5.1-1 OTL 功率放大器实验电路 5.2 ICL8038原理介绍
芯片ICL8038是单片集成函数发生器，如图5-3s所示为其内部原理电路框图。ICL8038由恒流电流源I1、I2，触发器和电压比较器C1、C2等组成。电压比较器C1的门限电压为2VR/
3、的为VR(VR= VEE+VCC)，可通过调节外接电阻确定电流源I1和I2的大小，并且I2必须大于I1。当触发器Q端输出电平低时，I2通过开关S的控制从而使电流源断开。而电流源I1向外接电容C充电，电压随时间变化线性下降，当其下降到小于VC时，比较器C2输出发生跳变，当VC上升到2VR/3时，比较器C1输出波形会发生跳变，从而使触发器输出端Q由低电平变为高电平，电流源I2接通通过控制开关S。当其上升和下降时间相等时，产生的波形输出到引脚3，而触发器输出的波形经缓冲器输出到引脚9。三角波由正弦波变换器变成正弦波后由引脚2输出。由此知ICL8038能输出三角波、方波和正弦波等三种及三种以上的不同波形。其中，外部接入振荡电容C，它是通过内部两个恒流电源来完成充电、放电的过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C持续充电，并增加电容电压，从而达到改变比较器的状态改变、输入电平以及带动触发器翻转来连续控制的。当触发器使恒流源2处于关闭状态，电容电压值是比较器1输入电压规定值的2／3倍时，比较器1的状态发生改变，使触发器的工作状态发生翻转，此时将模拟开关K由B接到A点。因为恒流源2的电流值为2I，比恒流源1大，所以电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将将发生改变，为线性下降，当电容电压值下降到比较器2的输入电压规定值的1／3倍时，比较器2状态发生改变，使触发器再次翻转到原来的状态，周而复始的完成此振荡过程。四川师范大学成都学院通信原理课程设计 根据以上分析，上述基本电路中很容易获得3种函数信号，倘若电容器在放电过程和在充电过程的时间常数相等，而且是在电容器充放电时，那么电容电压输出的就是三角波函数，从而三角波信号由此获得。因为触发器的工作状态也是由电容电压的充放电的过程决定的，因此，触发器的状态通过翻转，就能够产生方波函数信号，在芯片内部结构中，这两种信号经过缓冲器功率的放大，并从管脚3和管脚9输出可得。满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围可适当的选择外部电阻RA和RB和C。所以，对两个电流源在I和2I电流不等的情况下，可以从最小到最大范围中循 环调节，并任意选择调整，因此，只需要使电容器充放电时间不相等，便可获得锯齿波等函数信号。
图5.2-1 内部原理电路框图 6 致谢
本课题在选题以及研究过程是在孙活老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。老师们多次询问研究设计进程，并为我悉心指点迷津，帮助我开拓思路，耐心点拨、鼓励。老师们严谨细致、一丝不苟的工作作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢带过我的老师对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，从课题的选择到项目的最终完成，老师们都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬并致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我还要感谢我的5位室友，正是有你们的帮助、理解和支持，我才能克服一个一个的困难，直至顺利的完成本文。当然也缺少不了一起愉快度过三年的大
学同学，他们给与我帮助，支持，我在此也由衷的表示感谢。最后我还要感谢含辛茹苦的把培养 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 我长大的父母，谢谢您们!7 总结及体会
通过本次课程设计，加强了我们的思考、动手和解决问题的能力，经常会遇到不同的情况，心里总想着这样的接法或许可以行得通，但实际接上电路后才发现不对，实现不了预想的效果，因此耗在这上面的时间用的比较多。
我觉得做课程设计的同时也巩固和加强了课本知识，由于课本上的知识太多而且零散，平时课间的学习也并不能很好的理解并运用各个元件的功能，考试内容又比较有限，因此在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能以及使用。平时看课本学习书本知识时，有时问题总是弄不懂，可做完设计，那些不是问题的问题就迎刃而解了。甚至还记住很多东西，受益匪浅。如一些芯片的功能及作用，平时看课本讲解，看一次忘一次，没从根本上理解。通过这次动手实践让我对各个元件印象深刻。所以认识、了解来源于实践，实践才是认识的动力和最终目的，实践出真理。所以这次的设计对我的学习和帮助作用都非常大的。
通过该次设计，在理论学习时，很少会有实践的机会，但我们学院可以，而且设计制作也是一个团队的任务！一起的学习工作中可以让我们团结一致，相互帮助，默契配合，多少欢乐在这里洒下。我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结合作的精神。这次实验设计必将成为我人生旅途上的一个非常美好的回忆！
通过对此课程设计是我认识到，电路设计需要我们耐心，需要缜密的整套思维逻辑，要求我们学会分析。懂得只有理论知识是远远不够的，只有将理论和实践结合起来才能顺利完成。我期盼在今后的学习过程中能让学生更加的接近器材，独立完成很多知识不能只看表面，要深究其真正作用才行，需要不断积累经验。所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是得自己亲自动手才能印象深刻。这次的课程设计终于顺利完成了，在设计中也遇到了很多专业知识问题，最后通过老师的辛勤指导，终于迎刃而解了。经过老师的悉心指导，我们学也到了很多实用的知识，在次我表示深深感谢！同时，对给过我帮助和支持的所有同学及各位指导老师再次表示忠心的感谢！四川师范大学成都学院通信原理课程设计 附录1 系统原理图
图1 系统原理图 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 附录2 系统元件清单 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 附录3 系统PCB图
图2 信号发生器图 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 参考文献
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