1绪论
1.1课题研究背景
在各类信号发生装置中函数信号发生器是十分重要的一种，它可以生成一定周期的函数波形，典型的有以下几种:正弦波、方波以及三角波等，相关频率范围也比较广:微赫—几十兆赫兹不等。现如今，最主要的用途是为各种电磁电路实验设计做信号源。
上世纪中后期模拟电子技术是信号发生器主要使用技术，主要有以下两部分构成:首先是模拟集成电路，其次是分立元件，这种结构相对繁琐，并且在产生波形方面受到严重限制，只能产生一些正弦波，方波和三角波等等。并且在对波形输出的复读过程中稳定性不强，主要归因于电路的漂移较大。模拟集成电路的缺点主要体现在体积大、价格昂贵、功耗大等方面。
微处理器诞生于上世纪70年代。在不断的发展中不断的添加新的器件:首先是处理器，其次是模数转换器（A/D），最后是数模转换器（D/A），这样一来，信号发生器的功能便可在硬件与软件方面得到扩大，以产生更加复杂多变的波形。在这一阶段中，开发重点集中在软件方面，DAC(数模转换器)程序控制主要通过微处理器进行操作，从而完成对波形的生成。然而在此过程中会存在最大的缺陷便是输出波形的频率较低，主要归因于CPU工作速度缓慢，想要对此进行改变的最基本途径是对硬件电路进行改进。
现如今信息通信技术得到了飞速发展，并且电子技术在不断完善中成效显著，同时给我们的生活带来了巨大改变。现如今单片机的应用越来越广泛，同时为仪器设备智能化的发展起到了巨大的推动作用。和其余信号发生器相比它的主要优点在于：首先是波形幅度得到有效地提升，再次是质量得到改进，最后是频率稳定性得到改善，与此同时，也得益于单片机应用技术的不断完善，同时也为以往的控制工作改进奠定了基础。在仪器中采用单片机进行构造，可以实现高性能，高可靠性的目的，并且应用非常广泛，在办公自动化和智能仪表系统中运用非常普遍[1]。
1.2研究内容及意义
该系统是利用单片机运行程序控制信号发生器产生相应的波形，并调整波形的参数。设计的内容主要是发生器的设计，编写可以对波形信号调幅、调频的程序并将编写好的程序输入单片机中。波形的产生是因为当单片机运行程序时，接收到外部的切换指令，单片机开始调用各种子程序来实现当下任务的中断和对应波形的生成子程序，产生的波形再经过D/A转换器和放大器处理后再从发生器输出。
1方案论证
1.1单片机选择与论证
方案一：STC89C52单片机虽然参与运算的数据长度只有8位，但是它是高性能的微型计算机，它将所有的部件集成在一起。
方案二：C8051F005单片机也是集成芯片，它所带控制器内核具有很强的适应能力，能与多种设备相互兼容。它能胜任数据采集和控制工作，因为它比AT80S52单片机多了模拟部件和各种形式的数字外接设备。
对比两种方案的优缺点进行方案选择，第二套方案由于性能强劲，单片机内部芯片电路结构复杂，电路设计和焊接难度都比方案一难、成本也要高，同时在控制方面也不如方案一的单片机容易控制，综合分析决定使用STC89C52单片机。
1.2 DDS选择与论证
DDS选择提供了三套方案，第一套使用八位的数模转换器；第二套使用直接数字式频率合成器；第三套使用的是单片机自带的基准源。
方案论证：
第一套方案基本满足设计要求，但是考虑到输出的效果不好，难以达到要求的精度，且波形不够圆滑达不到理想状态，所以不适合该系统的使用。
第二套方案输出的波形精度较高，而且输出精度可控，输出的信号频率也可以很高，满足使用要求。
第三套方案虽然也可以实现高精度输出信号，但是考虑到价格成本的因素，并且输出信号的最大频率不够设计要求，不符合实际使用。
对比三套方案的优缺点和实际需要，最终采用第二套方案[2]。
1.3显示模块
方案一：初步考虑数码管作为显示模块，它的优点是可以提供很高的亮度、低成本，缺点是结合该火灾报警系统的实际情况，通过数码管显示众多内容会加大电路设计难度、也不符合节能设计的要求，因此放弃初选的方案。
方案二：考虑到显示内容较多的因素可以采用点阵数码管显示器，该显示器可以显示复杂的内容和文本，不过用于该系统又性能过剩，使得成本的浪费，所以也放弃了该方案。
方案三：最后想到折中的方案就是LCD1602液晶屏，这种显示器的显示内容多，还可以通过组合扩大可视面积，具有一定的防干扰效果，简单的使用方法还节省了软件的资源。该方案在显示要求上完全满足系统的要求，同时电路设计也较简单、还满足节能设计的要求，最终采用。
1.4、电源模块的选取
电源模块的选择提供了两套方案，第一套直接使用开关电源，第二套使用自己设计线性电源电路。
方案优缺点对比：
第一套方案的优点在于用很小体积的电源模块实现高效的电流源利用，而缺点是开关电源存在波纹电压和电流过大的现象，从而不能实现高精度输出的要求。
第二套方案正好改善了第一套方案的缺点，通过自己设计制造可以使电源的纹波电压不过大。该系统中需要提供两种电压的电源，可以用线性电源提供所要的5伏和15伏的输出电压。
对比两种方案的优缺点，结合系统的电源要求，决定采用第二套方案。
2硬件电路设计
2.2系统原理框图简介
根据系统的功能和实现原理，所以系统包含了单片机、直接数字式频率合成器、按键、放大器、电源电路和显示模块。系统的电源要求为5伏，按键可以来切换发生器产生的波形类型，给出切换指令给单片机控制合成器来调整波形信号的幅值和频率，然后输出相应的波形。显示模块负责显示波形的频率和类型。
2.3电源电路设计
电源供电电路最主要的包含了直流线性稳压器，表示了其的一般组成。
供电电路的性能分析：
电源电压首先经过变压器变压再经过整流后输出电压U0[3]。
而整流后的电压值并不是恒等于U0，表示的是一个周期内瞬时值的平均值大小，即
按照波形的特点计算平均值
（公式二）
计算整流电路中的二极管正向平均电流：
该整流电路的特点是两个整流二极管平均分掉了输出电流，因此正向平均电流的大小为输出电流的一半。即
（公式三）
为了满足电路的滤波和整流效果，对其整流二极管的选择必须要用大容量的规格。原因在于，电路还没有加入滤波电容器之前，整流二极管已经有半个周期进入了在导通状态下，在接入以后二极管的开合受到电容器的状态控制，电容器不在充电时二极管闭合。考虑到二极管在实际工作时所处的状态，为了延长其使用时间必须选择其规格大于负载电流的2-3倍[4]。
电流在经过整流和滤波操作后的电压大小为UI，连接在输入端与公共端之间，而输出电压为Uout。通常情况下，两者的大小相差2-3V。
从图2-2中可以发现，因为7815和7805两端允许的电压最大值不同，若直接相连，则两端的电压差为10V，从而产生过大的电流经过，势必会增加其功耗，甚至会烧坏设备，因此需要在两者之间加一个稳压块7809使7815输出的电流加在7805上时两端电压差变为4V，降低其功耗[5]。
电解电容是元器件中关键的一个结构，该部分的作用是调节线路中的电流，从而起到改善负载的作用。当采用长线路传输时，由于电感的效应会导致线路中产生较多的热量，这时可以采取在线路中接入一个瓷片电容来对线路进行保护。具体的线路布局如图2-2所示：
一般来说，线路中的电压需要稳定在+15V，但是通常供给的电压是达不到15V的，在实际的操作中经常采用运算放大器来放大输入的电压。另一方面，实际中有时候也要求输入的电压为5V，当刚开始输入线路的电压为9V时，DDS数字芯片是无法正常工作的，此时需要经过运算放大器来使输入的电压降低到5V。
PCB布线时对于不同类型线路的布局有着严格的要求，总的来说数字线路和模拟线路之间不能存在线路上的干涉，布线的过程中为了尽可能减小不同线路之间的影响，可以采取在两种不同类型的线路之间接入0欧姆电阻。
2.4单片机最小系统设计
根据此次课题的实际要求，本次采用型号为的单片机，下面简单介绍一下该型号单片机的特性。该型号单片机最大的特点就是可以在较低的电压环境下运行，在运行的过程中可以同时进行8位的数据处理，而且支持多次对存储器进行读写操作。C8051F005单片机也是集成芯片，它所带控制器内核具有很强的适应能力，能与多种设备相互兼容。它能胜任数据采集和控制工作，使得AT89C52型号的单片机为许多实际工程应用提供了高效可行的方案[6]。
2.4.1单片机主控电路
由实验原理图可知，为了更好地反映输出波形的变化状态，需要在线路中接入四个LED指示灯来对其运行状态进行指示。一般来说，单片机的P0端口需要与数码管的接口相连接，从而控制LED指示灯可以正常发光。单片机的P2端口与AD9833的输入端连接，对输出的波形进行控制。除此之外，线路中还有一个复位键RST。该型号单片机的控制电路的具体结构如图2-6所示：
2.4.2单片机最小系统组成
单片机最小系统顾名思义即其可以进行工作的最基本系统，单片机的最小系统涵盖了下列几个模块：4V-5.5V的数字电源，时钟，复位。CPU进入工作状态时要有一个时钟脉冲。有两种产生时钟脉冲的方式:一是时钟内接法，即由单片机内部产生时钟脉冲；二是时钟外接法，也就是通过外部电路向其传递时钟脉冲。同时为了让其能在初始状态下进行工作，就必须要进行复位。单片机的复位工作需要振荡器来完成，复位的原理是通过高电平进行复位的，RST管脚完成工作需要至少2个机器周期的高电平，事实上一般情况下都会超过两个周期，考虑到复位的可靠，往往还需要再加两个周期。在进行高电平复位时，必须保证RST和提供电源的VCC管脚的电平同步上升，否则，比如RST一直位于高电平情况下，那么单片机就会持续不断的完成复位工作。
复位方式：MCU的复位电路能够划分为上电和按钮手动复位这两种模式。在这一次的课题设计中所选用的是外部复位电路进行完成。在VCC上升时间小于1毫秒(),振荡器启动时间小于10毫秒。整个电路就会再次开启微控制器。同时在复位过程中要在引脚上维持超过2个周期的高电平，才可以完成操作，指导恢复为低电平之后复位工作终止，而在复位按键被按下后这时的电容处于断路状态，两端构成一个闭合回路，电容进行放电，此时想要进行复位也是极为简便的，只需把引脚和电源连接就能够顺利达成目的。不过要重点提及的是,若是复位电路里面的R、C的值设定不合理,导致复位的时长过久,单片机就会不断的进行反复复位操作。
2.5 DDS输出设计
本次实验中使用到的DDS芯片的型号为AD9833，该型号单片机最大的特点就是可以在较低的电压环境下运行，在运行的过程中可以同时进行8位的数据处理，而且支持多次对存储器进行读写操作。C8051F005单片机也是集成芯片，它所带控制器内核具有很强的适应能力，能与多种设备相互兼容。实验中主要用到三种类型的信号，分别是方波、正弦波以及三角波。
本次实验中关键的数据就是输出信号的频率和相位，在进行实验的过程中可以先通过相关的软件进行设定，这种方式的优点是可以对输出量进行实时调整。频率寄存器的主要作用是将输出信号的频率特征临时保存下来，一般来说，DSP的工作电压不能低于2.3V，否则单片机中的部分元件可能因为电压不足而导致数据的丢失。同时该型号单片机还具有休眠功能，当需要测量的信号全部得到输出波形之后就不需要单片机在高功耗状态下运行。
2.5.1芯片简介
是ADI公司所制造的一种主流波形发生器，可以生成方波、正弦波等常见波形。的和的使能端E进行连接，而和读写选择端R/W进行连接，P3.5和RS进行连接，在使能端启动之后，两端就会组成一个回路，电容进行放电，此时想要进行复位也是极为简便的，只需把引脚和电源连接就能够顺利达成目的。其主频时钟设定是时，精度为[7]。
2.5.2 DDS信号发生器的组成
中的电路有着很高的集成度，要在外部基准时钟、低精度电阻和去耦电容的搭配后才可以取得所要的信号。当采用长线路传输时，由于电感的效应会导致线路中产生较多的热量，这时可以采取在线路中接入一个瓷片电容来对线路进行保护。DSP技术的最大优点就是实现简单的调制解调算法[9]。
2.5.3 DDS原理及应用
AD933中的累加器为28位,其主要特点为可以在1个时钟周期内对步长进行技术,最后根据标准表地址中相关参数对输出量进行地址查询。当系统的时钟频率设置为0.1赫兹时，就可以通过对3个并行串口进行数字量的输入就可以对输出的波形进行控制，输出正弦波的表达式是：
fOUT＝M（fMCLK/228）（1）
其中,M代表系统的频率控制字,可以通过软件进行设定,其范围为0≤M≤228－1[10]。
2.6.1显示电路分析
随着科技的不断发展进步，也推动了液晶技术创新与突破。以其低功耗、体积小、重量轻，同时还凭借其丰富的内容显示功能和较好的稳定性被用于许多应用系统的显示模块。
该系统的显示模块使用的液晶显示器，其特点是，显示器每个点阵字符都能够显现出一个字符，经过不同点阵字符结合后显示出对应的信息，显示区域主要是两行，各行最多可以呈现出16个字符。并且字符之间还需要设置一定的间距，满足字符显示的行与列的间距要求。
该型号的显示器的引脚有十六个，对应的标号如右图。
VSS：电源地
VDD：电源正极相连
VL：显示单元模块的数据显示调整端口，主要是对比度的控制显示，同样可关联10K电位器。
RS:系统寄存器的选取，若该模块处于高电位情况下，则选取数据寄存器单元，其余情况都是指令寄存器。
该型号的显示器通过控制输入电压的大小，再结合液晶显示的物理特性，完成相应图片的显示。控制系统的给出的电压控制指令在执行时需先检查液晶模块是否处于低电平状态，否则对应的指令不执行且失效，这种执行机制的决定了显示器为慢显示。如下表所示：
LCD1602内部显示地址
该型号的显示器内部的CGROM已经存储了许多电子字符的组合并赋予相应的代码，方便使用过程中直接提取，都是一些常见的图形字符，比如数字、字母等等。
的设计即的控制/驱动和外界的连接设计。控制P2端口和的数据端口相连，传输数据。处于高电位状态才能产生有效信号，为了是电流处于工作范围需要上拉电阻，所以中间要接上10K的电阻，以此决定显示器高低点位，是否可以进行显示。
显示器的显示清晰程度与对比度有着很大的关系，对比度低时会使屏幕显示模糊，对比度高时屏幕会出现重影有效显示效果。所以中间10K排阻还用作对比度调节。液晶显示器的RW端口和P2.6口连接，高电平1时对输入信号完成读取。使能E端和单片机P2.7口衔接，在其从高电平变为低电平之后进行指令执行，将读数进行显现。
2.7按键电路
按键电路十分简单明了，使用三个按键（一个是增加键，一个是减少键，最后一个是设置键）这三个键位分别与单片机芯片的PB13，PB14，PB15口相连接，从而控制数值的变化与调节。
D9833有一个标准串行接口，MCU的复位电路可以分成上电以及按钮手动复位。此次设计中采取外部复位电路实现。，具体如下图所示。在VCC上升时间低于1毫秒(RC=τ),振荡器启动时间小于10毫秒，该电路会维持在高电平或低电平。信号显示被写入模块16位信息。
3.2波形输出软件设计
数据的传输过程中需要保证P3.3的电位处于低电平，而且采用8-bit数据的传输方式可能会因为电压的不稳定而导致数据的丢失。AD9833型号单片机最大的特点就是可以在较低的电压环境下运行，在运行的过程中可以同时进行8位的数据处理，而且支持多次对存储器进行读写操作。C8051F005单片机也是集成芯片，它所带控制器内核具有很强的适应能力。本次实验中需要对单片机的相关端口进行两次读写操作中，SCLK的主要作用是保证串行数据的稳定高效传输。
4、系统调试与仿真
软件设计过程中用到的是X所制造出的51系列兼容C语言的一种开发软件。和汇编相比，有着灵敏度更高，易于上手等优点，对初学者而言十分友好。Keil能够给予一个完善的开发处理方案，包括C编译器，宏组件等，经过集成开发环境（）完成组合。
5结语
此次课题的完成，一方面是对大学时所学内容的回顾和温习，同时也是对自己掌握程度的考察。该课题所用到的知识是信号发生器的基本功能，并以此为基础，完成此次信号发生器的设计。并且该设计对自身的操作技术有所提升。在系统的设计开发过程中，需要极为熟练的掌握单片机主要结构以及工作机理，并对单片机如何完成控制进行了解。对不同模块功能的深入分析、了解和比较，找出最合适可行的设计方案。为实现信号发生器系统的设计，学习了芯片的内部结构、DDS发生器在系统中的作用，以及各部分的电路原理。还学习了显示模块所用的芯片的内部结构、引脚说明和不同引脚在系统中的作用，以及各部分的电路原理。
由于硬件设备发展硬件比较成熟，采用集成设计可以降低成本，只需对几种方案进行优缺点比较，再结合实际需求就可以选出合理的方案。在软件部分，具体包括了单片机的控制软件、DDS输出设计。显示部分采用四发光二极管配合按键，对所获取到的波形完成有效地显示，操作十分便捷，显示质量较高。软件程序的方案基本上都是通过程序完成操控，通过四个子程序以及起媒介作用的主程序所组成，外加可以修正波形频率的延时子程序，整体程序设计而言还是较为明了的。而这其中最复杂的就是正弦波的程序，由于是采用查表的方式获取到的，所以要编写出一个具有较多字符的表格。不过整体设计效果还是顺利的达到初衷目的的，同时有着电路简便，操控迅速、成本较低等优势。
同样此次设计依旧存在一些缺陷，例如在程序设计时怎样完成结构的最佳优化等都未曾考虑，同时在键盘电路方面也需要进行持续的改进。
致谢
四年的大学生活即将结束，大学这四年的美好时光珍藏在我心里，这四年来不断学习，我过得充实而幸福，自身的知识水平不断提高。在写论文的这段时间我获得了老师和同学朋友的大力帮助和支持。
首先我要感谢我的论文指导老师。本论文是在老师的悉心指导下完成的，从论文的选题、构思、资料的收集到最后的定稿，无不倾注着老师的精心指导，在论文的多次修改中提出了很多建议，使我的论文得以完成。老师渊博的知识，严谨的治学态度，求真务实的精神给了我很大影响。老师不论是学术研究，还是待人接物都是我的榜样，言传身教使我收获了很多。老师对我的指导不仅局限于论文撰写，还教会了我如何思考问题解决问题。在此，对指导老师表示深深的感谢！
学友情深，情同兄妹。几年来，我们朝夕相处，我的记忆里时常浮现我们在一起的点点滴滴，同窗之情，必将终生难忘。
在此还要感谢在我论文评审和答辩中给予我无私帮助的老师们，感谢你们为我指出不足，促我成长。
同时，在我的学习过程中，有亲情的陪伴，有他们的付出，衷心的感谢我的家人。
最后，感谢这几年来所有关心和帮助我的人，谨以此文铭记你们的似海深情，谨以此文献给你们我无尽的祝福和感恩。
参考文献
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[3]基于单片机的低频信号发生器设计[J].任小青,王晓娟,田芳.现代电子技术.2014(16)
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[5]一种任意波形信号发生器的实现方法[J].周登荣,周玉荣.重庆师范大学学报(自然科学版).2014(01)
[6]基于单片机的智能信号发生器设计与仿真[J].董亚男,马俊,周泉,李金林.电子测量技术.2014(01)
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