搜索
10引言波形随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自和智能化方向发展。但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。在70年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。90年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为HP770S的2信号模拟装置系统，它由HP8770A任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。HP8770A实际上也只能产生8种波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器，Lecroy公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过GHz的DDS芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003年，Agilent的产品33220A能够产生17种波形，最高频率可达到20M，2005年的产品N6030A能够产生高达500MHz的频率，采样的频率可达1.25GHz。早在1978年，由美国Wavetek公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为5MHz，可以形成256点(存储长度)波形数据，垂直分辨率为8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。以下给出了几种波形发生器的性能指标，从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在波形发生器上的研制水平。Tektronix公司的AWG710型,主要技术指标:通道数：2,每通道的最高采样速率：4GMS/s,垂直分辨力：8比特,储存容量：8M；横河电机公司的AG5100型，通道数：2,每通道的最高采样速率：1GMS/s,垂直分辨力：8比特,储存容量：8M；普源公司的DG3121型，通道数：2,每通道的最高采样速率：300MS/s,垂直分辨力：14比特,储存容量：1M。从中不难看出，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。就目前国内的成熟产品来看,我国目前在波形发生器的种类和性能差距正在逐渐地缩小。31设计要求及方案论证依据应用场合,需要实现的波形种类，波形发生器的具体指标要求会有所不同。依据不同的设计要求选取不同的设计方案，通常，波形发生器需要实现的波形有正弦波、方波、三角波和锯齿波。有些场合可能还需要任意波形的产生。各种波形共有的指标有：波形的频率、幅度要求，频率稳定度，准确度等。对于不同波形，具体的指标要求也会有所差异，例如，占空比是脉冲波形特有的指标。波形发生器的设计方案多种多样，大致可以分为三大类：纯硬件设计法、纯软件设计法和软硬件结合设计法。1.1设计要求设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形。要求如下所示（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。（2）用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（5次以下）线性组合的波形。（3）具有波形存储功能。（4）输出波形的频率范围为100Hz～20kHz（非正弦波频率按10次谐波计算）；重复频率可调，频率步进间隔≤100Hz。（5）输出波形幅度范围0～5V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整。（6）具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。1.2方案论证方案一：波形发生器设计的纯硬件法早期，波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立元件来实现。实现的波形比较单一，主要为正弦波、方波和三角波。工作原理嗍也相对简单：首先是产生正弦波，然后通过波形变换(正弦波通过比较器产生方波，方波经过积分器变为三角波)实现方波和三角波。在各种波形后加上一级放大电路，可以使输出波形的幅度达到要求，通过开关电路实现不同输出波形的切换，改变电路的具体参数可以实现频率、幅度和占空比的改变。通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可以提高电路的频率稳定性和准确度。纯硬件法中，正弦波的设计是基础，实现方法也比较多，电路形式一般有LC、RC和石英晶体振荡器三类。LC振荡器适宜于产生几Hz至几百MHz的高频信号；石英晶体振荡器能产生几百kHz至几十MHz的高频信号且稳定度高；对4于频率低于几MHz，特别是在几百Hz时，常采用RC振荡电路。RC振荡电路又分为文氏桥振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型。其中，以文氏桥振荡电路最为常用。目前，实现波形发生器最简单的方法是采用单片集成的函数信号发生器。它是将产生各种波形的功能电路集成优化到一个集成电路芯片里，外加少量的电阻、电容元件来实现。采用这种方法的突出优势是电路简单，实现方便，精度高，性能优越；缺点是功能较全的集成芯片价格较贵。实际中应用较多的单片函数信号发生器有MAX038(最高频率可达40MHz)和ICL8038(最高频率为300kHz)，方案一基本框图如图1所示。图1方案一基本框图方案二：波形发生器设计的纯软件法波形发生器的设计还可以采用纯软件的方法来实现。虚拟仪器鞠使传统仪器发生了革命性的变化，是21世纪测试仪器领域技术发展的重要方向。它以计算机为基础，软件为核心，没有传统仪器那样具体的物理结构．在计算机上实现仪器的虚拟面板，通过软件设计实现和改变仪器的功能。例如用图形化编程工具LabVIEW来实现任意波形发生器的功能：在LabVIEW软件的前面板通过拖放控件，设计仪器的功能面板(如波形显示窗口，波形选择按键，波形存储回放等工作界面)，在软件的后面板直接拖放相应的波形函数并进行参数设置或直接调用编程函数来设计任意波形以实现波形产生功能；完成的软件打包后，可脱离编程环境独立运行。实现任意波形发生器的功能。采用纯软件的虚拟仪器设计思路可以使设计简单、高效，仅改变软件程序就可以轻松实现波形功能的改变或升级。从长远角度来看，纯软件法成本较低。软件法的缺点是波形的响应速度和精度逊色于硬件法，方案二基本框图如图2所示。比较器积分器正选波差分放大器方波三角波5图2方案二基本框图方案三：软硬件结合法软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优势：既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能性。如以单片机和单片集成函数发生器为核心。辅以键盘控制、液晶显示等电路，设计出智能型函数波形发生器，采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的波形发生器，同时还可以扩展波形发生器的功能，比如通过软件编程控制实现波形的存储、运算、打印等功能，采用USB接口设计，使波形发生器具有远程通信功能等。目前，实验、科研和工业生产中使用的信号源大多采用此方法来实现。综合考虑，纯硬件设计法功能较单一，波形改变困难、控制的灵活性不够，不具备智能性，其中由运算放大器加分立元件组成的波形发生器，除在学生实验训练中使用外，基本不被采用。纯软件设计法实现简单，程序改变及功能升级灵活，但实现的波形精度及响应速度不如硬件法高。纯软件法主要适用于对波形精度、响应速度要求不是很高的场合。相比之下，软硬件结合的方法可以设计出性能最优、功能扩展灵活、控制智能化的新一代的波形发生器，可以满足教学、科研、工业生产等各方面对波形发生器性能有较高要求的应用场合。本设计采用方信号输入数据采集数据处理波形显示参数测量频谱分析6案三的方法—软硬件设计法，其方案能够产生很好的波形，也易实现。本次设计所研究的就是对所需要的几种波形输出对应的数字信号，在通过D/A转换器和单片机部分的转换输出一组连续变化的0~5V的电压脉冲值。在通过显示部分显示其频率和波形。在设计时分块来做，按照波形设定，D/A转换，51单片机连接，键盘控制和显示五个模块的设计。最后通过联调仿真，做出电路板成品，系统结构框图如图3所示。图3系统结构框图模块介绍：1波形设定：对任意波形的手动设定。2D/A转换：主要选用DAC0832来把数字信号转换为模拟信号，在送入单片机进行处理。3电流电压转换：LM324运放。4单片机部分：最小系统。5键盘：用按键来控制输出波形的种类和数值的输入。6显示部分：采用液晶显示波形的频率和波形类别。按键复位电路AT89C52LCD显示D/A转换芯片电流电压转换电流波形输出72系统硬件设计波形的产生是通过AT89C52单片机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。AT89C52单片机和数模转换器件DAC0832产生所需不同信号的低频信号源，其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。文中简要介绍了DAC0832数模转换器的结构原理和使用方法，AT89C52的基础理论，以及与设计电路有关的各种芯片应用。2.1单片机AT89C52及接口设计AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作[17]。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89C52具有如下特点：40个引脚，8kBytesFlash片内程序