基于AT89C51的函数信号发生器设计
设计团队：郭栋、陈磊、集炜、査荣杰
指导老师：程立新
2011-11-13
目录
1、概述 (3)
2、技术性能指标 (3)
2.1、设计内容及技术要求 (3)
3、方案的选择 (3)
3.1、方案一 (4)
3.2、方案二 (6)
3.3、方案三 (6)
4、单元电路设计 (6)
4.1、正弦波产生电路 (6)
4.2、方波产生电路 (8)
4.3、矩形波产生锯齿波电路 (99)
5、总电路图 (10)
6、波形仿真结果 (1010)
6.1正弦波仿真结果 (10)
6.2矩形波仿真结果 (11)
6.3锯齿波仿真结果 (11)
7、PCB版制作与调试 (12)
8、元件清单 (134)
结论 (14)
总结与体会 (14)
参考文献 (15)
函数信号发生器
1、概述
信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。
2、技术性能指标
2.1、设计内容及技术要求：
设计并制作一个信号发生器，具体要求如下：
1、能够输出正弦波、方波、三角波；
2、输出信号频率范围为10Hz——10KHz；
3、输出信号幅值：正弦波3V，矩形波10V，锯齿波4V；
4、输出矩形波占空比50%-95%可调，矩形波斜率可调。
5、信号发生器用220V/50Hz的工频交流电供电；
6、电源：220V/50Hz的工频交流电供电。
按照以上技术完成要求设计出电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim进行必要的仿真，用PCB软件进行制板、焊接，然后对制作的电路完成调试，撰写设计报告测，通过答辩
3、方案的选择
根据实验任务的要求，对信号产生部分可采用多种方案：如模拟电路实现方案，数字电路实现方案，模数结合实现方案等。鉴于波形信号的产生和模拟联系紧密，我们用模拟电路实现方案。模拟电路的实现方案就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。就此方案，
也有几种电路方式。 3.1、方案一
图1 方波和正弦波产生电路
用方波和三角波产生电路输出方波和三角波[1]，再通过三角波—正
弦波转换器产生正弦波。方波和三角波发生器的工作原理： A1构成迟滞比较器
同相端电位Vp 由VO1和VO2决定。利用叠加定理可得：
⑴ 当 Vp ＞0时，A1输出为正，即VO1 = +Vz ；当 Vp ＜0时，A1输出为负即VO1 =-Vz 。
A2构成反相积分器
VO1为负时，VO2 向正向变化，VO1 为正时，VO2 向负向变化。假设电源接通时VO1=-Vz ，线性增加。
当： 时，可得：
⑵ 当VO2上升到使Vp 略高于0V 时，A1的输出翻转到VO1=+Vz 。
021
22
01121V R R R V R R R V P +++=Z
V R
R
V
2
102=0
)()(2
1
122121=++-+=Z Z P V R R R R R V R R R V Z V R R V 2
1
02-
=
同样： 时
当VO2下降到使Vp 略低于0时，VO1 =-Vz 。这样不断的重复，就可以得到方波VO1和三角波VO2。其输出波形如图2-6所示。输出方波的幅值由稳压管DZ 决定，被限制在稳压值±Vz 之间。
电路的振荡频率： ⑶ 方波幅值： =± ⑷
三角波幅值： = ⑸ 调节 可改变振荡频率，
但三角波的幅值也随之而变化。
图2 方波和正弦波波形图
3.2、方案二
2
014W R f R R C
=01V Z V 02V 2
1R R W
R
图3 信号发生器方框图
用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用电压比较器产生方波，再经积分电路产生三角波，电路框图如图二。此电路结构简单，且有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生同步的三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波的输出幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。而且方波占空比[2]和锯齿波幅度改变会同时引起其它波形的变化。
3.3、方案三
在方案二的基础上，我们添加方波产生电路作为锯齿波产生的信号源，解决了课程设计中提出的对锯齿波和矩形波调节而互不影响的要求
4、单元电路设计
4.1、正弦波产生电路
采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。因为对于RC振荡电路来说，增大电阻R即可降低振荡频率，而增大电阻是无需增加成本的。
常用LC振荡电路[3]产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、成本高。因此，200kHz以下的正弦振荡电路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。常用的RC振荡电路有相移式和桥式两种。
(1) RC移相式振荡器，具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用较差，振幅不够稳定，频率调节不便，因此一般用于频率固定、稳定
