1、 1 开题报告 通用函数信号发生器的设计与制作 专业： 电子信息工程 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 函数信号发生器作为一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学研究等领域。它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，因此是电子测试系统的重要部件，是决定电子测试系统性能的关键设备。它与示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本的，也是得到最广泛应用的电子仪器之一。它是各种测试核试验过程中不可缺少的工具，在通信、测量、雷达、控制、教学的领域应用广泛。不论是在生产、 科研还是教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。而且，信号发生
2、器的设计方法很多，设计技术也越来越先进。随着我国经济和科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求。信号发生器已成为测试仪器中至关重要的一类，因此设计信号发生器具有重大意义。 信号发生器是一种最悠久的测量仪器，早在 20 年代电子设备刚出现时它就产生了。在 70 年代以前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波信号发生器。正弦波发生器只提供正弦波信号。通常使用的技术是自由振荡器，工作频率即为输出频率，频率范围有限，一般从几 Hz至 约 1MHz。函数信号发生器是介于这两类之间的，能过产生正 余弦波、方波、三角波、斜波等几种常用特殊波形。这个时期的信号发生器大多采用模拟电子技术，由分立
3、元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生几种简单波形。但是模拟电路的漂移交大，使输出波形的幅度稳定性差，而且模拟器件所构成的电路存在很多缺点，如尺寸大、功耗大、价格昂贵等。还主要存在两个突出的问题：用电位器调节很难将输出频率调到某一个固定值；还有输出脉冲的占空比不可调。 70 年代后，微处理器出现使信号发生器进入了另一个时代。这个时期的信号发生器大多 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。软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由 CPU 的工作速度所决定的。如果想要提高频率可以改进软件程序，减少其执行周期时间或提高 CPU的
4、时钟周期。利用微处理器 、 A/D、 D/A 以及软硬件使信号发生器的功能不断扩大，使2 其能够产生更加复杂的波形。 当时的信号处理器是专用于信号处理的微处理器，时钟频率只有 12MHz， A/D 和 D/A 一般在 8 位左右，内部存储容量也很小。软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由 CPU 的工作速度决定的。因此能够产生的正弦波的等效频宽不会超过 1MHz，要获得比较平滑和失真度低的波形，重复频率不能超过 10KHz。当时用模拟方式产生特殊波形，重复频率可达到 110MHz，波形完整性好，用数字电路的函数发生器尚处于开发阶段，正式产品还不多。 到了 21 世纪，随着集
5、成电路技术的高速发展，出现了很多高频率的 DDS 芯片，推动了函数信号发生器的发展。 2003 年， Agilent 生产的 33220A 能够产生 17 种波形，最高频率可以达到 20MHz。 2005 年的 N6930A 产生的频率可高达 500MHz，采样频率可达 1.25GHz。 当前国际上任意波形发生器的研制及生产技术已经较为成熟。其中安捷伦（ Agilent）和泰克（ Tektronix）两大公司在此领域进行了卓有成效的研究和开发，他们的代表产品无论在技术先进性还是市场占有率方面都在全世界享有卓越的声誉。 世界上第一个任意波形发生器是由 Wavetek 公司 1975 年生产的 1
6、75 模块。按今天的标准它是采用了 3MHz 的晶振和 256 字节的波形存储器。到现在国外一些生产厂商已经生产出软件功能丰富、频带宽、合成波形多、 DAC 位数高的任意波形发生器。如 Racal Instrument 公司的 3151（ 100MS/s）， Analogic 公司的 DBS2050A（ 2.4GS/s）等等。 我国台式波形发生器发展较快，并广泛应用于通信、雷达、无线电导航、医疗、影视音响以及电测试仪器等领域。如郑州无线电仪器厂的输出频率为 1Hz30KHz 的SXF8502A 型函数发生器；电子工业部第七研究所开发的输出频率为 0.01Hz20KHz 的AW1690 型函数发
7、生器；哈尔滨工业大学与中国计量科学院联合研制出输出频率为0.001Hz50Hz 的精密超低频电压校准器，并达到了国际先进水平，上述产品反映了八十年 代末国内产品开发的技术水平。 90 年代后，随着通信、电子及微电子技术的快速发展，对信号发生器的需求越来越多。我国部分公司也响应需求生产出了一些高频段的函数 /任意波形发生器，也有的生产出了 VXI 模块的任意波形发生器。如北京航天测控技术开发公司的 AMC2423 和AMC2405。目前我国已经开始研制任意波形发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说，我国信号发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看，多为一些 PC 仪器插卡，独立的仪器
8、和 VXI 系统的模块很少。我国目前在任意波形发生器的种类和性能都与沟外相差很大 ，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。 3 本次毕业设计的主要任务是设计制作一个通用函数信号发生器，要求利用晶振、三极管、运放等分立元件完成。且需要产生标准的三角波、方波、正弦波，要求输出波幅度可调，正弦波失真度在 1%以内，晶振输出的频率要求进行分频，再加一个的音频调幅。 在其它的多种设计方案中，本文选用晶振、集成运算放大器与晶体管差分放大器来实现方函数信号发生器的设计。此设计方案的基本思想是用晶振和外围电路组成振荡器，其中通过分频产生的方波经过积分电路变换成了三角波，电容的充、放电时间决定了三角波的频 率。
9、最后利用差分放大器传输特性曲线的非线性特点将三角波转换成正弦波。此方案的优点是它是一种最基本的设计方案，它能综合运用我们所学的知识进行设计，电路简单，价格低廉，工作原理直观明了，且通过安装调试后，能基本实现任务书的要求。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 该设计题目的主要任务是设计制作一个通用函数信号发生器，要求利用晶振、三极管、运放等分立元件完成。且需要产生标准的三角波、方波、正弦波，要求输出波幅度可调，三种波的失真度在 1%以内，晶振输出的频率要求进行分频，再加一个的音频调幅，最后做板调试。在 设计过程中需要解决的问题是： （ 1） 晶振的频率一般都很高，但是运算放大器在低频情况下才
10、能正常工作； （ 2） 晶振出来的频率是固定的，怎样实现方波的占空比可调； （ 3） 怎么实现输出波幅度在一定范围内可调； （ 4） 怎样实现方波 三角波、三角波 正弦波的转换； （ 5） 如何输出稳定的电压和波形； （ 6） 如何使正弦波的失真度保证在 1%以内； 三、研究步骤、方法及措施： 首先，通过图书馆书籍了解以前所学的模电知识，了解运算放大 器电路模型，可实现多种功能的电路，如积分模拟运算电路。其次，深入研究信号的各种产生电路，包括振荡电路、单元电路 电压比较器等，定出一个波形产生的具体方案。接着，在了解的基础上进行电路图的设计。利用 proteus7.5 仿真软件检验设计的可行性，
11、并根据实际4 情况不断进行修改。最后，根据原理图做出 PCB 板调试。 措施：在所学知识的基础上，积极上网查找有关资料，翻阅图书馆资料。遇到自己不能解决的问题找指导老师，在老师的帮助下完成整个设计任务。 四、参考文献 1 黎国栋 .信号发生器专业基础知识问答 J.上海计量测试 .1997,1(7):13-18. 2 刘德强 .数字是低频函数信号发生器的设计 J.吉林大学 .2010. 3 陈朝阳 .信号发生器设计与应用的考虑 J.国外电子测量技术 .1999,21(5):34-38 4 杨名利 ,谢玮 ,徐继文 .简易低频信号发生器设计 J机床与液压 .1995,11(6):17-28 5 黄
12、振华 .基于 FPGA 函数信号发生器的设计 J.江苏大学 .2009. 6 王建明 .基于 DDS 技术的多波形信号源设计 J.南京理工大学 .2005. 7 商志新 .双路 DDS 信号发生器 B 路部分的设计 J.河北大学 .2008. 8 陈庭勋 .模拟电子技术实验辅导书 M.北京：中国电子音像出版社 .2003. 9 曹才开 ,陆秀令 ,龙卓珉 .电路实验 M.清华大学出版社 .2005. 10 康华光 .电子技术基础（模拟部分） M.高等教育出版社 .2006,1. 11 林占江 ,林放 .电子测量仪器原理与使用 M.电子工业出版社 .2006. 12 刘抒珍 .双路任意波发生器 VXI 模块的研究 D.哈尔滨 :哈尔滨理工大学 .2005. 五、研究工作进度： 1、 接受任务、 查阅资料、完成综述、开题报告和英文资料的翻译（ 11 月 5 日 12 月 15日）； 2、 根据所学模拟电路和其他相关知识，结合查阅的文献资料，确定设计原理图，做板调试（ 3 月 21 日 4 月 6 日）； 3、 进行论文写作 (4 月 7 日 5 月 27 日 )； 4、 整理设计说明书，准备答辩 (5 月 27 日 6 月 1 日 )
