單片機課程設計（論文）基于AT89C51的函數(shù)信號發(fā)生器設計

1、 基于at89c51的函數(shù)信號發(fā)生器設計設計團隊： 指導老師： 2011-11-13 目錄1、概述32、技術性能指標32.1、設計內(nèi)容及技術要求33、方案的選擇33.1、方案一43.2、方案二63.3、方案三64、單元電路設計64.1、正弦波產(chǎn)生電路64.2、方波產(chǎn)生電路84.3、矩形波產(chǎn)生鋸齒波電路95、總電路圖106、波形仿真結果106.1正弦波仿真結果106.2矩形波仿真結果116.3鋸齒波仿真結果127、 pcb版制作與調(diào)試138、元件清單14結 論15總結與體會15參 考 文 獻16 函數(shù)信號發(fā)生器1、 概述信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領域中有著廣泛的應用。各種波形

2、曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學等領域內(nèi)，如高頻感應加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。2、技術性能指標2.1、設計內(nèi)容及技術要求：設計并制作一個信號發(fā)生器，具體要求如下：1、能夠輸出正弦波、方波、三角波；2、輸出信號頻率范圍為10h

3、z10khz；3、輸出信號幅值：正弦波3v，矩形波10v，鋸齒波4v；4、輸出矩形波占空比50%-95%可調(diào)，矩形波斜率可調(diào)。5、信號發(fā)生器用220v/50hz的工頻交流電供電；6、電源：220v/50hz的工頻交流電供電。按照以上技術完成要求設計出電路，繪制電路圖，對設計的電路用multisim進行必要的仿真，用pcb軟件進行制板、焊接，然后對制作的電路完成調(diào)試，撰寫設計報告測，通過答辯3、方案的選擇根據(jù)實驗任務的要求，對信號產(chǎn)生部分可采用多種方案：如模擬電路實現(xiàn)方案，數(shù)字電路實現(xiàn)方案，模數(shù)結合實現(xiàn)方案等。鑒于波形信號的產(chǎn)生和模擬聯(lián)系緊密，我們用模擬電路實現(xiàn)方案。模擬電路的實現(xiàn)方案就是指全部

4、采用模擬電路的方式，以實現(xiàn)信號產(chǎn)生電路的所有功能。就此方案，也有幾種電路方式。3.1、方案一 圖1 方波和正弦波產(chǎn)生電路 用方波和三角波產(chǎn)生電路輸出方波和三角波1，再通過三角波正弦波轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生正弦波。方波和三角波發(fā)生器的工作原理：a1構成遲滯比較器同相端電位vp由vo1和vo2決定。利用疊加定理可得： 當 vp0時，a1輸出為正，即vo1 = +vz；當 vp0時，a1輸出為負即vo1 =-vz。a2構成反相積分器vo1為負時，vo2 向正向變化，vo1 為正時，vo2 向負向變化。假設電源接通時vo1=-vz，線性增加。當： 時，可得： 當vo2上升到使vp略高于0v時，a1的輸出翻轉(zhuǎn)到vo

5、1=+vz。同樣： 時當vo2下降到使vp略低于0時，vo1 =-vz 。這樣不斷的重復，就可以得到方波vo1和三角波vo2。其輸出波形如圖2-6所示。輸出方波的幅值由穩(wěn)壓管dz決定，被限制在穩(wěn)壓值vz之間。電路的振蕩頻率： 方波幅值： = 三角波幅值： = 調(diào)節(jié) 可改變振蕩頻率，但三角波的幅值也隨之而變化。圖2 方波和正弦波波形圖3.2、方案二圖3 信號發(fā)生器方框圖用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，然后用電壓比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)積分電路產(chǎn)生三角波，電路框圖如圖二。此電路結構簡單，且有良好的正弦波和方波信號。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生同步的三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數(shù)不變的，而隨

6、著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時改變。若要保持三角波的輸出幅度不變，需同時改變積分時間常數(shù)的大小。而且方波占空比2和鋸齒波幅度改變會同時引起其它波形的變化。 3.3、方案三 在方案二的基礎上，我們添加方波產(chǎn)生電路作為鋸齒波產(chǎn)生的信號源，解決了課程設計中提出的對鋸齒波和矩形波調(diào)節(jié)而互不影響的要求4、單元電路設計4.1、正弦波產(chǎn)生電路采用rc選頻網(wǎng)絡構成的振蕩電路稱為rc振蕩電路，它適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1hz1mhz的低頻信號。因為對于rc振蕩電路來說，增大電阻r即可降低振蕩頻率，而增大電阻是無需增加成本的。常用lc振蕩電路3產(chǎn)生的正弦波頻率較高，若要產(chǎn)生頻率較低的正弦振

7、蕩，勢必要求振蕩回路要有較大的電感和電容，這樣不但元件體積大、笨重、安裝不便，而且制造困難、成本高。因此，200khz以下的正弦振蕩電路，一般采用振蕩頻率較低的rc振蕩電路。常用的rc振蕩電路有相移式和橋式兩種。(1) rc移相式振蕩器，具有電路簡單，經(jīng)濟方便等優(yōu)點，但選頻作用較差，振幅不夠穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)不便，因此一般用于頻率固定、穩(wěn)定性要求不高的場合。其振蕩頻率是 f0=1/（2rc） (2)rc橋式振蕩器 將rc串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡和放大器結合起來即可構成rc振蕩電路，放大器件可采用集成運算放大器。 我們在方案選擇中，正弦波電路是最重要的部分，正弦波不僅是所需輸出信號，而且是方波電路的輸入信號。

8、此部分電路我們采用的是典型的rc橋氏正弦波振蕩電路如下圖，其中r1、r2、r5及二極管d1、d2構成負反饋網(wǎng)絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)rw可改變負反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)整放大電路的電壓增益，是滿足振蕩的復制條件。二極管d1、d2為自動振幅元件，其作用是：當u0幅值很小時。二極管d1、d2相當于開路，此時有d1、d2和r組成的并聯(lián)支路等效電阻較大，設r2、和r5、d1、d2并聯(lián)支路的總等效電阻為rf，則rf也較大，所以auf=（1+rf/r1）3,有利于起振;反之當u0幅值較大時，d1、d2導通，并聯(lián)支路的等效電阻下降，rf也下降，所以auf隨之下降，如果此時auf3，則u0幅值趨于穩(wěn)定。另外，采用兩只

9、二極管反向并聯(lián)，目的是使輸出電壓在正負兩個半周期內(nèi)輪流工作，使正半周和負半周振幅相等，這兩只管子特性應相同。而rc串并聯(lián)電路構成選頻網(wǎng)絡，同時兼作反饋環(huán)節(jié)，連接于集成運放的輸出端和同向輸入端之間構成正反饋，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。根據(jù)振蕩器的頻率，計算rc乘積的值，有 rc=1/(2*3.14*f0) 已知給出f0=10hz10khz，則rc=1.59*10-51.59*10-2，為了使選頻網(wǎng)絡的特性不受運算放大器輸入電阻和輸出電阻的影響，按rirr0的關系選擇r的值，為了計算方便，初選r=15.9k，則c=1uf0.001uf，我們采用雙層波段開關兩組兩支容值100倍的電容，則c1=1uf，c2

10、=0.01uf。而r則取為50k的可調(diào)電阻。因此，鑒于設計要求頻率10hz10khz跨度較大，我們采用雙層波段開關兩組兩支電容和兩支同軸電位器來調(diào)節(jié)。選用不同的電容作為振蕩頻率f0的粗調(diào)，用同軸電位器實現(xiàn)f0的微調(diào)。每一值電容和電位器組合都可以調(diào)節(jié)一段范圍，交叉，故實現(xiàn)頻率為連續(xù)可調(diào)。為了實現(xiàn)仿真，根據(jù)運算放大器的技術參數(shù)，并且結合經(jīng)濟性，運算放大器為lm324n。正弦波產(chǎn)生電路如圖三。圖4 正弦波產(chǎn)生電路4.2、方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路較簡單，主要由比較器lm339n4的反相輸入端接電壓構成電壓比較器。在實用電路中為了滿足負載需要，常在集成運算的輸出端加穩(wěn)壓管限幅電路。限幅電路的作用是把輸出

11、信號幅度限定在一定的范圍內(nèi)，亦即當輸入電壓超過或低于某一參考值后，輸出電壓將被限制在某一電平（稱作限幅電平），且再不隨輸入電壓變化。在此電路中，我們將限幅電路跨接在輸出端和反相輸入端之間。圖5 矩形波產(chǎn)生電路4.3、矩形波產(chǎn)生鋸齒波電路輸出信號與輸入信號的積分成正比的電路，稱為積分電路。積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為三角波。電路原理很簡單，都是基于電容的沖放電原理。 圖6 鋸齒波產(chǎn)生電路5、總電路圖圖7 函數(shù)信號發(fā)生器總電路圖6、multisim 10.1波形仿真結果6.1正弦波仿真結果 圖8 正弦波仿真圖6.2矩形波仿真結果圖9 矩形波仿真圖6.3三角波仿真結果圖11 三角波產(chǎn)生圖7、 pcb

12、版制作與調(diào)試1、pcb設計。pcb板的制作是運用protel dxp軟件來繪制，利用dxp制板的基本流程：準備原理圖，設置pcb設計環(huán)境，載入網(wǎng)絡表，并糾正網(wǎng)絡表的宏錯誤，布線規(guī)則設置，布線，pcb的優(yōu)化，dtc檢查，保存文件與輸出。準備原理圖：根椐所畫的電路圖，在元件庫中查找到所要求的元件符號，在dxp中繪制出原理圖，在選擇元件的時候特別要注意元件的封裝是否符合所需的封裝要求。布線設置主要設置線寬為40mil、孔大小為0.8mil，采用低層布線，其他為默認設置。布線采用單面板布線。布線原則：邏輯清晰、接線牢固、測試方便、美觀大方。pcb的優(yōu)化主要設置焊盤的大小與某些線的寬度及布線的路徑。焊盤

13、一般采用方框為78.74mil39.37mil。dtc檢查的主要任務是對先前的設計規(guī)則進行檢查,查看是否有違反規(guī)則的地方,如實際線寬是否比規(guī)則設置中的最大值還大或小,是否還存在沒有徹底布通的網(wǎng)絡等。保存文件與輸出是保存設計中的各種文件，并打印輸出，包括pcb文檔、元件清單等。設計工作結束。打印時可以把孔打印成實心，可以自己控制孔的大小方便打孔。2、熱轉(zhuǎn)印，通過打印機pcb圖打印到熱轉(zhuǎn)印上，然后選擇大小合適的銅板，將銅板表面打磨干凈之后，用帶有pcb圖的那一面同銅板貼緊，經(jīng)過熱轉(zhuǎn)印機，溫度約120度，轉(zhuǎn)印三次，即把熱轉(zhuǎn)印紙上的pcb圖轉(zhuǎn)印到銅板上。3、腐蝕，腐蝕這一過程是電路板成功的關鍵，將腐蝕

14、液倒入腐蝕機加熱至75度后，將已經(jīng)熱轉(zhuǎn)印的銅板放入腐蝕機進行腐蝕，腐蝕時間約一分鐘即可。拿出洗凈后如果沒有發(fā)現(xiàn)斷線、短路等情況即可。 4、焊接元件，根據(jù)原理圖，在pcb板上焊接元件。焊接時要特別注意不要出現(xiàn)虛焊、短路等，元件的正負極反接、錯接。8、元件清單表一 元件清單元器件型號數(shù)量芯片lm339n1芯片lm324d1二極管in40012瓷片電容1uf2電解電容220uf2電解電容4.7mf2瓷片電容1042瓷片電容1022穩(wěn)壓管78121穩(wěn)壓管7912二極管in40016園橋1b4b421電源變壓器17.5v1電阻1k2電阻1.5k1電阻2k4電阻10k1電阻152電阻20k1電位器2k2電

15、位器20k3雙刀雙擲開關1結 論此電路能夠同時產(chǎn)生較好的正弦波和矩形波和鋸齒波，而正弦波可調(diào)占空比，鋸齒波可調(diào)斜率而不影響其它波形。在選擇方案時，也有更簡單的方案，但是考慮到仿真結果和實際器件時剔除了，最后器件的選擇是根據(jù)最簡原則和從經(jīng)濟性方面考慮的，并且此電路實現(xiàn)了這次設計的最終目的。但是如果用于實際，部分器件應該根據(jù)實際情況加以改變。總結與體會 此次課程設計設需要有最終方案的選擇，自己通過比較，仿真軟件的仿真最終選擇了最優(yōu)的方案，經(jīng)過小組成員的努力，不斷地查閱資料，終于做出了滿意的方案，這很好的鍛煉了我們的自學能力。并且在pcb制板和仿真過程中，也遇到了各種各樣的問題，但是經(jīng)過仔細的分析電路，同時與同學討論，經(jīng)過各種調(diào)試，得出了最終仿真結果。使自己的理論知識和動手能力都有了很大的提高。參 考 文 獻1康華光主編.電子技術基礎（模擬部分）第五版