1、 1 毕业设计文献综述 电子信息工程 通用函数信号发生器的设计与制作 前言 信号发生器是用来提供各种测量所需要的仪器，它是一种常用的信号源，被广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域。它是教学科研及工程实践中最重要的仪器之一，刚开始都是用分立元件组成的电路，系统结构比较复杂，可维护性和可操作性不佳。随着计算机技术的发展，计算机技术越来越多的应用到信号发生器的设计制作中。在工程、教学、科研等各个领域中，往往需要精度高且频率调节容易的信号发生器。而在这些信号发生器中能够产生多种函数波形的称为函数信号发生器，常见的 波形有三角波、方波、正弦波。函数信号发生器在教学实验检测中具有相当广泛的用途。基
2、本性能如下： 1. 可以生成常见函数波形如方波、三角波、正弦波等； 2. 可存储掉电前操作人员编辑的信号的设置； 3. 波形的幅值和频率可调。 主题 1.函数 信号发生器的发展概述 函数信号发生器是电子技术领域的一种常用的电子设备，在以前经常由模拟电路组成。它的优缺点众所周知，分立元件多，体积重量较大，故障率高，但在高频范围内其频率可调性较好 ，稳定度比较高。函数信号发生器是一种非常悠久的测量仪器，早在 20 年代电子设备刚刚出现时就产生了。 随着通信 和雷达技术的进步发展， 40 年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，它的出现使其从本来定性分析的测试仪器发展成了用定量分析的测量仪
3、器，同一时期还出现了用来测量脉冲电路的脉冲信号发生器。但由于早期研发的信号发生器机械结构比较复杂，电路相对比较简单，功率比较大等等原因，所以发展速度比较慢。一直到 1964 年才成功研制出了第一台全晶体管的信号发生器。 60 年代以后，信号发生器就有了迅速的发展，出现了函数信号发生器。这个2 时期的信号发生器大多数采用模拟电子技术，通过分立元件或模拟集成电路设计构成。但是用这个方案 的电路结构复杂，且只能产生方波、三角波、正弦波等几种简单的波形。还有模拟电路的漂移较大，使其输出波形的幅度稳定性较差，且模拟元器件构成的电路存在着尺寸大、价格高、功耗大等缺点。如果需要产生复杂的信号波形则需要更加复
4、杂的电路结构，我们需要的是简单的结构，强大的功能。 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，使其能够产生更加复杂的波形。 随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，大大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用；提高了信号测量的准确度、精
5、度和变换速度；使其原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而加强了仪器的信号处理能力；这一发展克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字型信号发生器随之迅速发展起来了。 2.函数信号发生器的实现方法 （ 1）用分立元件组成的函数信号发生器 ：传统的信号发生器多应用此类方法，但通常是单函数信号发生器且频率不高，其工作很不稳定，不易调试。 （ 2）基于集成芯片的函数信号的发生器：美国美信公司开发了新一代函数信号发生器芯片 MAX038，它能够产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试，可以达到更高的技术指标。 MAX038 频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器芯片，并且在锁相环、压控振荡
6、器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上， MAX038 都是优选的器件。 （ 3）基于单片机的数字化函数信号发生器：具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定 度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。 （ 4）利用专用直接数字合成 DDS 芯片的函数信号发生器：能产生任意波形，其输出波形取决于波形存储器的数据。美国 Analog 公司生产的 AD9852 能产生频3 率、相位、幅度可编程控制的高稳定模拟信号。唯一的缺点就是所需成本比较高。 上述的 4 种方案均具有可行性，所以可根据要求不
7、同选取不同的方案。第一种方案针对的是对波形质量和数字显示要求不是很高，且对模拟电路调试有一定的经验。 第二种方案的电路比较简单，调试相对较方便，且波形的质量较高。第三种方案所需电路简单、可控性好、产品升级方便、显示直观。最后一种如果需要对波形质量和频率稳定度要求很高，并且不关心费用的可以选择。 虽然基于分立元件的函数信号发生器的设计与利用单片集成芯片 MAX038 和 DDS 技术的函数信号发生器的设计相比有一定的缺点，但是在此次设计中它仍然能够完成所有设计要求，而且另外两种方案都存在自身缺陷、价格贵等局限性。相比较而言，方案三最经济， 鉴于这次的设计是高校毕业设计，所以我选用了第一种方案，经
8、过这次的研究设计可以进步一 步提高对模拟电路的认识。 本设计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。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
9、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。 根据任务书的要求在这次的研究中还需要解决很多实现方面的问题：晶振产生的频率是固定的，那如何才能实现方波占空比的可调；晶振一般频率都很高，但是在后面的电路中则需要在低频范围内实现的；如何实现频率电压在连续范围内的可调以及对波形稳定性的控制等等。 结束语 函数信号发生器的频率很宽，使用范围很广，是一种不可或缺的通用 信号源。可以用于生产测试、仪器维护维修及实验室，还广泛应用于其它科学领域，如医学、教育、化学、通讯、工业控制、地球物理学、军事和宇航等。随着大规模集
10、成电路的迅速发展，虽然对函数信号发生器大部分的研究都是基于数字或集成芯4 片，用纯模拟电路元件设计很少见，但是从教学和实验价值的角度来看，这样的研究还是具有很高的参考价值的。 5 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
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