波形发生器的设计

摘要

本论文旨在研究和设计一种波形发生器，用于产生多种类型和频率的周期性电信号。首先介绍了波形发生器的研究背景和意义，强调了其在电子领域和实际应用中的重要性。然后对不同的方案进行了论证和比较，包括使用DDSICL8038N集成芯片、0.96寸OLED屏幕等。针对每种方案分别介绍了其原理、功能、特点和适用场景。最后总结了各方案的优缺点，并给出了最终的方案选型建议。

在方案选型中，我们考虑了应用需求、可行性和成本效益等因素。通过对比和评估不同方案的功能、性能和成本，最终选择了最适合的方案。

在具体实施过程中，我们将使用ICL8038N波形发生器芯片作为主要的方案，其具有广泛的波形发生功能、高精度的输出特性和灵活的控制方式。我们将结合其他元件和电路，设计和构建一个稳定可靠、功能强大的波形发生器。并运用仿真出需要的波形图，实物展出。

通过本研究的实施，我们期望能够提供一种高性能、多功能的波形发生器，满足不同领域和应用中的需求。

关键词：波形发生器；方案论证；ICL8038N；0.96寸OLED屏幕；

　第1章前言

本章主要是介绍波形发生器设计方向。写了课题背景，研究目的和意义，论文要求，论文的内容与结构安排，还有第一章的总结。

　1.1课题背景

随着现代电子科学技术的快速发展，波形发生器作为电子领域中的重要组成部分，扮演着关键的角色。波形发生器是1种能够产生特定需求类型，信号波形的电子设备或者的电路，可以生成多种不同形式波形，如正弦波、方波、锯齿波、三角波等。波形发生器在各种应用中起到了至关重要的作用，如测试和测量、通信系统、音频处理、仪器仪表、自动化控制等领域。

在电子测试和测量的领域中，波形发生器被广泛应用于信号调制、频谱分析、噪声测试及系统验证等任务中。还可以提供不同频率、幅度和相位的标准信号，用于测试和校准其他设备或电路的性能。同时，波形发生器同时也在通信系统中扮演重要角色，用于信号生成、通道建模、调制解调器测试和系统仿真等应用。在音频处理和音乐产生中，波形发生器可用于合成各种乐器音色和声音效果。此外，波形发生器还在仪器仪表和自动化控制系统中用于产生触发脉冲、定时信号和周期性激励等。

通过研究波形发生器设计，可以不断改进和优化其性能、精度和功能，以满足不断发展的电子工程领域的需求。这对于提高系统性能、推动技术进步和推动相关应用的发展具有重要的意义。

传统的波形发生器的设计通常采用模拟电路设计，利用电子元器件（如电容、电感、晶体管等）和模拟信号处理技术来实现波形的生成和控制。然而，这种设计方法存在一些限制，如受元器件参数影响、频率调节范围有限、受温度和环境变化的影响等。有以下几种作用：

系统测试与验证：在电子系统的设计、开发和调试过程中，波形发生器是种重要的测试和验证工具。通过产生特定的波形信号，可以验证电路的功能。波形发生器甚至还可以用于系统级测试，如频率响应测试、噪声测试、时序分析等。它能够帮助工程师快速定位问题并进行故障排除，提高系统开发和调试的效率。

信号处理与算法验证：在信号处理领域，波形发生器还可用于验证和评估不同信号处理算法和技术。通过产生特定的波形信号作为输入，可以测试和验证算法的效果和性能。波形发生器的设计能够提供灵活的信号输入，便于进行算法仿真和实验，加快信号处理算法的研究和应用。

综上所述，波形发生器的设计对于信号生成、系统测试与验证、信号处理与算法验证以及教育与学习具有重要的意义。它为电子工程领域的研究、开发和教育提供了关键的技术支持，推动了电子系统的创新和应用。

　1.2研究目的和意义

本研究旨在设计和优化波形发生器，以提供高性能、高精度、多功能的信号生成器。具体的研究目标包括：

探索新的波形发生器设计方法和算法：通过研究不同的设计方法和算法，探索新的波形发生器实现方案，提高信号生成的精度和稳定性。

提高波形发生器的频率范围和分辨率：通过优化电路设计和算法实现，扩展波形发生器的频率范围，并提高其分辨率，以满足不同应用场景对高频率和高精度信号的需求。

需要增加波形发生器的功能和灵活性：在设计中考虑波形发生器的功能扩展和灵活性，使其能够生成多种波形类型，并具备调节幅度、相位和频率等参数的能力。

降低功耗和成本：优化电路设计和算法实现，以降低波形发生器的功耗，并尽可能减少所需的器件和成本，使其在各种应用场景下更加经济高效。

通过波形发生器设计和研究，可以带来以下几方面的意义：

推动了电子工程领域的技术进步：设计高性能的波形发生器将推动电子领域的技术发展，提供更先进、更可靠的信号生成和处理解决方案。

拓展波形发生器在各个应用领域的应用范围：优化设计的波形发生器将满足不同应用领域对信号生成的需求，包括测试和测量、通信系统、音频处理、仪器仪表和自动化控制等领域。

提高系统性能和可靠性：高性能的波形发生器可以提供稳定、准确的信号源，需帮助优化系统的性能和可靠性，提高系统的工作效率和精度。

促进相关领域的研究和应用：波形发生器设计的研究成果可以为相关领域的研究人员和工程师提供参考和借鉴，推动相关领域的研究和应用，激发更多创新思路和解决方案的产生。

经济和社会效益：设计高性能、低成本的波形发生器可以降低相关设备和系统的制造成本，提高生产效率，同时也为社会提供更多的技术应用和解决方案。

通过本研究的实施，我们将能够更好地理解和应用波形发生器的设计原理和方法，为电子信息工程领域的学术研究和工程实践提供有价值的贡献。此外，优化的波形发生器设计也将为电子设备和系统的性能提升和创新发展提供重要支持，推动科技进步和社会发展的步伐

　1.3论文要求

该设计能实时将USB接收到的数据转换成各种频率的波形输出，可以输出正锯齿波、反锯齿波、三角波、方波和正弦波5种波形。

1.4论文的内容与结构安排

论文的结构安排：

本文整体框架由六个章节组成，主要内容和结构安排如下：

第一章节是前言。从国内外分别介绍了课题的历史。

第二章节是波形介绍及方案论证，波形的介绍及电子器件选型。

第三章节是硬件电路设计，通过主框图的结构下手，把每一个电路的内容和电路设计都依次罗列出来。

第四章节软件设计及调试，介绍了软件设计的流程图。

第五章节调试与仿真

第六章节结束语，通过对结果的反复调试，以及论文的修改，阐述出获得的收获和成就。

1.5本章总结

在本章中，我们对波形发生器进行了研究背景和意义的介绍。首先，我们提到了波形发生器在电子领域中的重要性，它是一种用于产生不同类型和频率的周期性电信号的设备。波形发生器在各种应用中起着关键作用，例如信号发生、测试和测量、音频和视频合成等。

　第2章波形介绍及方案论证

本章主要是说明波形的介绍和对硬件对比，选用最终的电路或者模块来实现波形发生器的设计。如图2-1系统控制图

　2.1波形介绍

波形发生器主要的作用是用于产生电路中信号波形，因此了解不同类型的信号波形对于设计和使用波形发生器都非常重要。本章节将介绍多种常见的信号波形，以便于更好地理解波形发生器的应用。

　2.1.1正弦波

正弦波工作原理是一种放大电路，把输入信号添加到放大器输入端，将输出信号加到输出端。如果输入端没有外部其它输入信号，那输出端就具有信号输出的频率和幅度。这种现象被称为合并中的自激振荡。正弦波是种简单的周期性波形，其形状呈现出像弦子振动的规律性。正弦波在交流电路中广泛应用，是描述交流电的基本波形之一。正弦波的数学表达式为（2-1）：

y(t)=A*sin(2πft+θ)（2-1）

从电子的角度解释，正弦波是1种特定频率和振幅的周期性电信号。在电子领域中，正弦波是一种基本的周期性信号，由电流或电压随时间的变化呈现出周期性的正弦形状。

正弦波在电子领域的应用非常广泛，它是信号传输、通信、音频、视频等系统中常见的基础信号波形。通过调整正弦波的频率和振幅，可以实现信号的调制、解调、合成和分析等功能。正弦波还具有频谱纯净、信号传输稳定等优点，使得它成为电子系统中重要的信号形式。

2.1.2方波

方波是一种基本的周期性信号波形，它在一个周期内由两个不同幅值的固定宽度矩形脉冲交替组成，这两个脉冲的幅值通常相等，且交替的时间间隔相等。方波通常用于模拟电路中的脉冲信号，也可以用于数字电路中的时钟信号、数据传输等。

与正弦波不同，方波的频谱中包含了一系列的谐波分量，具有广泛的谐波分量，但其基波分量相对较小。这意味着方波可以用于分析和测量不同频率的信号，以及用于分析和合成复杂波形。理想方波只有两个值：高电平或者低电平。高电平在一个周期中所花费时间的比为占空比，也可以理解成电路有效的释放时间与总的释放时间的对比。如果占据了50%空隙的矩形波称为方波，有零值或负值的分别。方波是一种非周期性的波形，它由等幅度、等宽度、反向极性的矩形脉冲组成。方波常用于数字电路中，如脉冲宽度调制（PWM）控制、计数器、时钟发生器等。方波的数学表达式为（2-2）：

y(t)=A*sign(sin(2πft+φ))（2-2）

方波发生器利用充电和放电周期性地改变电容器的电压来实现方波信号的产生。电容器的充电和放电时间的长度和比例决定了方波信号的周期和高低电平的持续时间。不同的电容器和电阻的组合可以产生不同频率和幅度的方波信号。方波发生器广泛应用于数字电路测试、测量、控制、振荡等领域。

方波的特点是在一个周期内以固定的幅度在两个离散值之间切换。在理想情况下，方波的切换是瞬时的，即在一个时间点上突然从一个离散值跳变到另一个离散值。然而，在实际中，由于电路响应的限制，方波的切换过程会有一定的上升时间和下降时间。

2.1.3三角波

三角波是一种周期性的波形，其形状类似于连续变化的三角形。在每个周期内，三角波从最小值线性上升到最大值，然后再线性下降到最小值，形成一次完整的周期。

三角波的表达式可以使用如下函数来表示（2-3）：

y(t)=A*(2*(t/T-floor(0.5+t/T)))（2-3）

其中，y(t)表示三角波在时间t时刻的值；A表示三角波的幅度，即波形的最大值和最小值之差的一半；T用来表示三角波的周期；floor()函数表示向下取整。

三角波的特点是在一个周期内以线性方式从最小值逐渐增加到最大值，然后再以相同的线性方式从最大值逐渐减小到最小值。这种连续变化的形状使得三角波在某些应用中能够提供平滑的过渡和渐变效果。

三角波的原理可以通过积分器来实现。当一个方波信号输入到积分器中，积分器会对该方波进行积分，并输出一个三角波信号。因此，三角波信号的频率可以通过控制输入方波信号的频率来实现。三角波用在电子电路中有很多的应用。其中一种常见的应用是作为时基信号源，用于控制其他信号的频率、相位和周期。此外，三角波还可用于模拟电路中的VCO（电压控制振荡器）以及用于控制电机转速的电路。在自动控制系统中，三角波也可用于产生PWM调制信号，从而控制电路的输出功率。在测试和测量中，三角波还可用于校准、比较和测试其他波形信号。

　2.1.4正锯齿波

正锯齿波（Positive Sawtooth Wave）是种形状像锯齿状，但是在一个周期内波形的上升部分是线性的，而下降部分是垂直的，即瞬间回到最小值。

正锯齿波的表达式可以使用如下函数来表示（2-4）：

y(t)=A*((t/T-floor(t/T))-0.5)（2-4）

其中，y(t)表示正锯齿波在时间t时刻的值；A表示正锯齿波的幅度，即波形的最大值和最小值之差的一半；T用来表示正锯齿波周期，如一个完整周期的时间；floor()函数表示向下取整。

正锯齿波的特点是在一个周期内从最小值线性上升到最大值，然后立即回到最小值。因此，波形的上升部分是斜率为正的线性增加，而下降部分则是垂直的、瞬间完成。

正锯齿波在电子领域中常用于音频合成、调试信号生成和周期性控制等应用。由于具有明显的线性增加和瞬时下降的特点，正锯齿波可以提供一种逐渐增加、快速重置的效果。它在一些周期性事件的触发和同步方面具有广泛的应用，例如在周期性PWM（脉冲宽度调制）信号生成、定时器和计数器应用中。

　2.1.5反锯齿波

反锯齿波（Negative Sawtooth Wave），也可以称为倒锯齿波或者逆锯齿波，是一种周期性的波形，其形状类似于锯齿状，但在一个周期内波形的下降部分是线性的，而上升部分是垂直的，即瞬间回到最大值。

反锯齿波的表达式可以使用如下函数来表示（2-5）：

y(t)=A*(0.5-(t/T-floor(t/T)))（2-5）

其中，y(t)表示反锯齿波在时间t时刻的值；A表示反锯齿波的幅度，即波形的最大值和最小值之差的一半；T用来表示反锯齿波的周期，如一个完整周期的时间；floor()函数表示向下取整。

反锯齿波的特点是在一个周期内从最大值瞬时下降到最小值，然后通过垂直的上升部分立即回到最大值。因此，波形的下降部分是斜率为负的线性减少，而上升部分则是垂直的、瞬时完成。

反锯齿波在电子领域中也常用于音频合成、调试信号生成和周期性控制等应用。与正锯齿波相比，反锯齿波具有逐渐减小、快速重置的效果。它在一些周期性事件的触发和同步方面具有特定的应用，例如在音频合成中的波形生成和周期性信号的控制。

　　2.2主控芯片选择

方案一:FPGA芯片

FPGA是Field Programmable Gate Array的缩写，中文名是现场可编程门阵列，是种基于可编程逻辑门的数字电路设计和开发平台。与传统的ASIC（应用特定集成电路）相比，FPGA可以在不改变硬件结构的情况下进行可编程设计，有较高灵活性和可重构性，能够快速的实现电路设计和验证。

FPGA的应用领域广泛，包括数字信号处理、通信、图像处理、高速数据存储等领域。FPGA在数字信号处理方面的应用广泛，像数字滤波、FFT（快速傅里叶变换）、数字信号的压缩等；在高速数据存储方面，FPGA可以用于实现高速缓存控制、存储器管理等。

相较于传统的ASIC（应用特定集成电路），FPGA具有如下优缺点：

优点：处理速度较快，设计周期短：由于FPGA的可编程性和灵活性，设计和开发周期相对较短。这使得FPGA适用于需要快速进行电路设计和验证的应用场景中。

缺点：功耗较高：相较于ASIC，FPGA的功耗较高。由于FPGA的可编程性，其电路设计较为复杂，导致功耗较高。性能受限：与ASIC相比，FPGA的性能受到一定的限制。由于FPGA中的逻辑单元和连接器的结构较为简单，因此在某些特殊的应用场景中，FPGA的性能可能无法满足需求。可靠性差：由于FPGA的设计和制造的复杂性，其可靠性较差。在某些关键应用场景中，FPGA的可靠性可能无法满足需求。设计门槛高：由于它的可编程性和灵活性，其电路设计较为复杂，对于初学者来说设计门槛较高。

方案二:STM32芯片

STM32是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的产品，用的是ARM Cortex-M内核，有较高的性能，低功耗特性，适用于各种嵌入式应用场景。STM32芯片采用先进的集成电路制造工艺，具有较高的可靠性和稳定性。

STM32芯片具有如下优点：高性能：STM32芯片采用ARM Cortex-M内核，具有较高的处理性能和计算能力。低功耗：STM32芯片具有较低功耗特性。丰富的外设：STM32芯片具有丰富的外设，包括模拟输入输出、定时器、计数器、串口、SPI、I2C、USB等。易于学习和开发：STM32芯片的开发环境和编程工具丰富，如Keil、IAR等，方便开发人员进行学习和设计开发。可扩展性强：芯片具有较强的可扩展性，可以通过外部扩展模块和接口进行功能拓展和扩展。

但是，STM32芯片也存在一些缺点：价格较高：STM32芯片价格相对来说较高，对于一些低成本应用场景可能不太适合。学习门槛高：相较于一些其他单片机产品，STM32芯片的学习门槛相对较高，需要一定的技术和知识基础。开发复杂。

方案三：STC芯片

STC芯片是由STC微控制器公司设计和生产的一系列单片机芯片。STC是指”STC Microcontroller”，该系列芯片以其高性能、低功耗而广泛的应用领域而闻名。以下是对STC芯片的简要介绍：

架构和特性：STC芯片基于哈佛结构的8位或32位单片机架构，有高性能、低功耗等特点。不同型号的STC芯片具有不同的存储容量，从几KB到数十KB的闪存存储器，以满足不同应用的需求。STC芯片配备了多个外设，包括通用输入/输出引脚、定时器、串行通信接口（如UART、SPI、I2C）、模拟至数模转换器等。

开发环境和工具链：STC芯片的开发通常使用官方提供的集成开发环境（IDE）和编译器，如STC-ISP、STC-IDE等。官方工具链提供了丰富的开发工具和调试功能，以便开发者进行软件开发、调试和烧录操作。

支持和社区：STC微控制器公司为STC芯片提供了完善的技术支持和文档资料，包括数据手册、开发指南等。在中国，STC芯片拥有庞大用户社区和论坛，开发者可以在社区中互相交流经验、分享项目和解决问题。

总体而言，STC芯片是一系列具有高性能、低功耗的单片机芯片。它们的灵活性和可靠性使得它们成为许多嵌入式系统设计者的选择之一。无论是学习、开发原型还是批量生产，STC芯片都提供了强大的功能和支持，使得电子设计变得更加简单和高效。

经过对比以上几种芯片，本次设计最终采用的是STC的芯片，价格不高，且运算速度快，上手速度快。

　2.3波形发生源的选择

方案一：采用反馈型LC振荡器

反馈型LC振荡器的原理，反馈型LC振荡器是一种基于电感（L）和电容（C）的振荡器电路，用于产生稳定的振荡信号。它通过正反馈回路将一部分输出信号馈送回输入端，从而维持振荡的持续运行。

方案二：直接采用DDS集成芯片

ICL8038N是一种集成电路，它是款功能强大的波形发生的芯片。以下是关于ICL8038N的一些介绍：功能特点：具有广泛的波形发生功能。能够生成多种波形。通过调整内部电路的参数，如频率、幅度和偏移量，可以实现所需的波形输出。高精度：具有高精度的输出特性。它通过内部稳压电路和精确的时基控制，提供稳定和准确的波形输出。这使得它在需要精确波形的应用中具有优势，如音频合成、测试测量和仪器仪表等。宽频率范围：的工作频率范围广泛，可以从几赫兹到几兆赫兹的频率范围。这使得它适用于不同应用中的多种频率要求，从低频到高频的波形生成。

故采用DDS集成芯片ICL8038N能直接达到波形发生器设计的要求，在程序控调节能够方便实现，所以本设计采用方案二，作信号发生源。

　　2.4显示模块

方案一:LCD1602

LCD1602是一种非常常见的液晶显示屏。通过控制显示屏的背光及液晶显示模块，可以在显示屏上显示各种字符、数字和符号。采用LCD1602显示屏作为显示模块具有易用性、良好的显示效果和低成本等优点。通过控制设备发送字符数据和控制信号，可以实现在LCD1602上显示各种字符信息。然而，LCD1602的显示区域有限，无法显示图形和复杂界面，且对于复杂图形处理有一定的困难。因此不能直观的表现显示数据。

方案二:LED数码管

采用LED数码管显示。LED数码管是种常见数字显示，由多个发光二极管组成，可显示数字和简单的符号。LED数码管广泛应用于计数器、时钟等领域，具有低功耗、长寿命和良好的可视性。LED数码管采用共阴极或共阳极的电路结构。每个数字由多个LED发光二极管组成，通过控制对应的LED发光二极管的开关状态，可以显示不同的数字。采用LED数码管作为显示模块具有高可视性、低功耗、长寿命和简单控制等优点。它常用于需要显示数字和简单符号的应用场景，如计数器、时钟、测量仪表等。然而，数码管显示能力有限，无法显示复杂的图像和文字。但因为显示内容不多，顾不采用。综上所述，使用L298N芯片，可以更好实现本项目的四轮小车驱动，更实惠、更简单、更有效。

方案三:0.96寸OLED

使用0.96寸OLED（Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管）屏幕实现波形发生器功能。0.96寸OLED屏幕具有高对比度、快速响应和低功耗的特点，适用于小型波形显示应用。

屏幕介绍：屏幕是一种小型显示屏。它具有128×64像素的分辨率，能够显示清晰的波形和图形。屏幕通过自发光技术，无需背光，具有高对比度和广视角特性。0.96寸OLED屏幕还具有快速响应时间和低功耗，适合用于电池供电的设备。

方案优势：a.高对比度和清晰度：屏幕具有高对比度和亮度，能够显示清晰的波形和图像。b.快速响应时间：OLED屏幕具有快速的像素响应时间，适用于显示快速变化的波形信号。c.低功耗：OLED屏幕无需背光，具有低功耗的特性，适合用于电池供电的设备。

方案三使用0.96寸OLED屏幕作为波形发生器设计的显示，通过软件开发和屏幕驱动程序控制，实现波形数据的传输和显示。该方案具有高对比度、快速响应和低功耗等优势，适用于小型波形显示应用。

　2.5本章总结

本章详细说明波形的每种介绍，并介绍了芯片选型，波形发生源的选型，显示模块的选型。

第3章硬件电路设计

本章主要是实现各个模块或电路的硬件电路的实现，通过上一章已将确定好了的方向进行设计电路。确定好整个硬件电路。

3.1系统功能

使用单片机对输入数据采样，经过单片机程序处理，按键调整后屏幕选择显示正锯齿波，反锯齿波，三角波，正弦波和方波。

其次，经过ADC电路进行采样处理，把模拟信号转换为数字信号，并将其送入芯片进行数字信号处理。在采样过程中，波形发生器的设计采样率和精度是两个重要的参数，它们直接影响到波形发生器的设计的性能和显示效果。接下来，经过芯片中的数字信号处理模块进行处理和存储，将数字信号转换为可见的波形图像。最后，将处理后的波形图像通过波形发生器屏幕显示出来。波形发生器的显示效果和性能是其设计和应用中非常关键的参数，它直接影响到用户对电路性能和特征的认识和理解。

3.2芯片系统功能

　　3.2.1 STC8G1K17-38I-TSSOP20

STC8G1K17-38I-TSSOP20是STC微控制器公司生产的一款集成电路芯片，属于STC8系列微控制器的一员。下列是对芯片的介绍：

架构和特性：STC8G1K17-38I-TSSOP20采用哈佛结构的8位单片机架构。芯片内部集成了1K字节的闪存存储器，可用于存储程序和数据。它还配备了多个通用输入/输出引脚（I/O Pin），用于连接外部设备和传感器。STC8G1K17-38I-TSSOP20具有多种外设，包括定时器、串行通信接口（如UART、SPI、I2C）、模拟至数模转换器等。

封装和引脚布局：采用了TSSOP20封装，具有20个引脚。引脚布局合理，方便焊接和布线，适合于紧凑的电路设计。

特色功能：STC8G1K17-38I-TSSOP20支持多种时钟源选择和时钟分频设置，以满足不同应用需求。芯片内部集成了STC专有的ISP编程技术，可以通过串行接口在线编程和调试。支持低功耗模式，在不需要高性能时就降低功耗，延长了电池寿命。

技术支持和开发工具：STC微控制器公司提供了完善的技术支持和文档资料，包括数据手册、开发工具等。开发者可以使用官方提供的集成开发环境（如STC-IDE）和编译器进行软件开发、调试和烧录操作。

总体而言，STC8G1K17-38I-TSSOP20是一款具有高性能、低功耗和可靠性的8位单片机芯片。它的封装和引脚布局适合紧凑的电路设计，特色功能和广泛应用领域使其成为许多嵌入式系统和电子设备的理想选择。

STC8G1K17-38I-TSSOP20引脚功能如表3-1：

图3-1 STC8G1K17芯片电路

　　3.2.2外部时钟电路

12MHZ晶振：12MHZ晶振主要作用是提供高频率的时钟信号，用于控制数字电路中各个元件的时序。由于12MHZ晶振提供的时钟信号频率较高，可以满足一些对高速计算和数据传输要求较高的应用场景。

根据芯片的数据手册画出晶振的原理图，如图3-2时钟电路。P1.6/XTALO，P1.7/XTALI接12MHz的晶振的输入和输出。

图3-2时钟电路

　　3.2.3复位电路

复位电路是种常见的电路，将数字电路或微处理器等芯片从异常状态恢复到正常状态。复位电路通常需要由复位触发器、电容和电阻等元件组成，作用是在电路启动时或者发生异常时，就将芯片的状态恢复到预设的初始状态，确保芯片的正常工作。

在数字电路或微处理器中，复位电路一般用于以下几个方面：启动初始化，异常恢复，稳定性提升等。如图图3-3复位电路。

复位电路的工作原理如下：

电源上电：当KEY1按键按下时，电源被打开，电容开始充电，上电时电容没电可视为短路，同时复位触发器输出为低电平。C5电容的电容充电，充电完成后电容视为断路，直到电容电压达到复位触发器的复位电平，复位触发器的输出电平翻转为高电平。复位端口复位完成后高电平。复位触发器输出的低电平通过复位信号输入到芯片，将芯片的状态恢复到预设的初始状态。

图3-3复位电路

　　3.3按键电路

按键电路（如图3-4按键电路）是波形发生器中常见的控制元件，实现波形发生器的设计各种功能。

将芯片中的P3.7/KEY1，P3.6/KEY2，P3.5/KEY3来当作控制按键的引脚进行波形选择及功能加减调节。几个按键上面都接一个10K的上拉电阻，它的作用是确保按键在未被按下时保持在一个已定义的逻辑电平上，通常是高电平。当按键未被按下时，上拉电阻将提供一个稳定的电源电平，使引脚保持在高电平状态。这样可以防止引脚处于浮空状态，避免不可预测的逻辑状态。上拉电阻可以减少外部干扰对按键的影响。在按键未被按下时，上拉电阻会产生一个相对较小的电流，从而降低了功耗。相比于使用下拉电阻，上拉电阻可以更有效地节省电源能量。

图3-4按键电路

　　3.4波形发生

　　3.4.1波形发生电路

ICL8038N是一款集成电路芯片，它是一种功能丰富的波形发生器。波形发生器功能：ICL8038N具有内部集成的波形发生器功能，还可以通过调节参数生成其他非标准波形。宽频带输出：ICL8038N具有宽频带输出能力，可在较大的频率范围内生成稳定的波形信号。它通常可以覆盖从几赫兹到数百千赫兹的频率范围，适用于许多应用场景。调节参数：ICL8038N允许用户通过调节内部电路的参数来控制输出波形的频率、幅度和失真程度等。它具有多个控制引脚，可以调整频率、对称度和失真等参数，以满足特定应用的要求。稳定性和精度：ICL8038N具有良好的频率稳定性和波形精度，可以产生准确的波形信号。它的输出波形具有较低的失真和噪声水平，保证了高质量的信号生成。应用领域：ICL8038N广泛应用于音频设备、实验室仪器、测量设备、音乐合成器、信号发生器等领域。它可用于产生测试信号、音频合成、频率调制、振荡器设计等应用。

ICL8038N是一款功能强大的波形发生器集成电路芯片，具有宽频带输出、可调参数、稳定性和精度等特点。它在多个领域的电子设备中用于生成各种类型的波形信号。

ICL8038N芯片中的DUTYCYCLEADJ和FMSWEEPINPUT输入+5V的电压，SINEWAVEADJUST和V-ORGND输入+5V或者-5V电压。

sine_wave连接SINEWAVEOUT发出正弦波的波形信号，triangular_wave连接TRIANGLEOUT发出波的三角波形信号，rectangular_wave连接SQUAREWAVEOUT发出波的方波形信号。Frequency_capacitance连接V-ORGND发出波的锯齿波形信号。

2.芯片功能原理图（如图3-5 ICL8038N芯片原理图）

　3.4.2放大电路

采用CD40518M/TR和LM358两块芯片组成。达到放大和采集的目的。如图3-6放大电路图

1.CD40518M/TR是一款8通道模拟多路复用器/分解器芯片，具有以下主要功能：多路复用器功能：CD40518M/TR可以通过选择输入端来将模拟信号路由到8个输出端之一。多路复用功能允许在多个模拟信号源之间进行选择，以便将选定的信号传递到所需的输出端口。分解器功能：CD40518M/TR还可以将一个模拟信号分解成8个输出信号。分解器功能允许将单个输入信号分发到多个输出端口。这对于需要将单个信号传递给多个目标的应用非常有用，如数据采集和分配。高速操作：CD40518M/TR具有较高的操作速度。它可以在较短的时间内完成信号的切换和分配，以满足对实时性和响应性要求较高的应用。低静态功耗：CD40518M/TR具有低静态功耗特性，即在不切换信号时的功耗非常低。这有助于减少系统的能耗，尤其是对于需要长时间保持特定信号路由或分解的应用。高信号质量：芯片内部的模拟开关具有低导通电阻，可以确保较低的信号失真和较高的信号质量。CD40518M/TR提供可靠的信号路由和分解功能，保持信号的准确性和稳定性。在测试和测量设备中，CD40518M/TR可以用于信号选择和切换，使用户能够从多个输入信号源中选择特定的信号进行测量和分析。

将P3.4/A0接入CD40518M/TR芯片的A0口，将P3.3/A1接入CD40518M/TR芯片的A1口，将P3.2/A2接入CD40518M/TR芯片的A2口。

2.LM358是一种常用的双运算放大器集成电路芯片。对LM358的介绍：双运算放大器：LM358芯片内部包含两个独立运算放大器。运算放大器是一种用于信号放大、滤波、比较和运算的基本电路模块。LM358的双运算放大器可独立使用或同时使用，具有较高的增益和带宽。低功耗：具有低功耗的特性，适用于需要长时间运行的低功耗运行。它可在低的电压下工作，从而降低功耗和能耗。宽电压范围：LM358芯片适用于宽范围的供电电压。它能够在较低的供电电压（通常为3V）和较高的供电电压（通常为32V）下正常工作。高输入阻抗和低输入偏置电流：具有较高的输入阻抗，对输入信号的影响较小。它还具有低输入偏置电流，可减少输入偏置误差。大电流输出：LM358芯片的输出级具有较高的电流输出能力。它可以直接驱动低阻负载，无需额外的输出级驱动器。它常用于传感器信号调理、音频处理、自动控制系统、电源管理和仪器测量等领域。

LM358是款功能强大、使用方便的双运算放大器芯片。它具有低功耗、宽电压范围、高输入阻抗和低输入偏置电流等特点，适用于多种应用场景。

　3.4.3震荡电路

在电路中，震荡电容起着关键的作用，用于控制振荡器或时钟电路的频率。它对于生成特定频率的周期性信号至关重要。如图3-7震荡电路图

在振荡器电路中，震荡电容与其他元件（如电感或电阻）共同构成一个振荡回路。通过调整震荡电容的容值，可以改变振荡回路的共振频率，从而控制所产生的波形的频率。

通过改变震荡电容的容值，可以改变振荡器的工作频率。较大的电容值会导致较低的振荡频率，而较小的电容值则会产生更高的振荡频率。因此，震荡电容的容值选择对于产生特定频率的波形信号至关重要。

用SW1联控按键控制输出波形的频率，C14电容2pf产生频率波形，C15电容20pf产生频率波形，C16电容200pf产生频率波形，C17电容2000pf产生频率波形，C18电容0.02uf产生频率波形，C19电容0.2uf产生频率波形，C20电容2uf产生频率波形，C21电容20uf产生频率波形。

　3.4.4采样电路

0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗)。如图3-8采样电路图

图3-8采样电路图

　　3.5电源系统

　　3.5.1电源指示电路

用LED发光二极管来判断输出电压的正负极电压，LED1显示+5V电压通过；LED2显示-5V电压通过。如图3-9电源指示

3.5.2电源降压电路

固定电压稳压器LM7805S/TR，如图3-10降压电路。

LM7805S/TR是一种线性稳压器集成电路芯片，常用于电源供电电路中。下面是对LM7805S/TR的简要介绍：稳压功能：LM7805S/TR作为稳压器芯片，能够将输入电压稳定输出为固定的5V直流电压。它可以有效地消除输入电压的波动和噪声，提供稳定的电源供应。输入电压范围：适用于输入电压范围在7V至35V之间的应用。它可以处理较高的输入电压，并将其降压为5V的稳定输出。输出电流的能力：含有较高的输出电流，通常可提供最大1A的电流输出。它适用于许多低功率电子设备和电路的供电需求。内部保护特性：内部集成了过载保护和短路保护电路，以保护芯片和外部电路。过载保护可防止芯片过热和损坏，而短路保护可防止电流过大而导致的短路事故。它具有内部热保护机制，可在过热时自动降低输出电压以保护芯片。

总体而言，LM7805S/TR是一款可靠的线性稳压器芯片，能够将输入电压稳定输出为5V的直流电压。它具有较高的输出电流能力、内部保护特性和热稳定性，适用于多种应用场景，为电子设备提供稳定的电源供应。

　　3.5.3负电源电路

ICL7660M/TR是一种DC-DC升压/反相电压转换器的集成电路芯片。如图3-11负电压电路下面是对ICL7660M/TR简要介绍：电压转换功能：ICL7660M/TR能够将输入电压转换为升压或反相的输出电压。它可以将低电压转换为较高电压或将正电压转换为负电压。可调转换倍数：具有可调转换倍数的功能，可以根据需要选择升压或反相的倍数。它允许用户通过外部电阻调整转换倍数，以满足不同应用的需求。低功耗：具有低功耗的特性，适用于需要长时间运行的低功耗应用。它能够在较低的供电电压下工作，从而降低功耗和能耗。宽工作电压范围：适用于宽范围的供电电压。它能够在较低的供电电压（通常为1.5V）和较高的供电电压（通常为10V）下正常工作。内部保护特性：ICL7660M/TR内部集成了过载保护和短路保护电路，以保护芯片和外部电路。过载保护可防止芯片过热和损坏，而短路保护可防止电流过大而导致的短路事故。应用领域：应用领域广泛，特别是需要进行升压或反相电压转换的应用。它常用于电源模块、电子仪器、工控设备、通信设备等。

总体而言，ICL7660M/TR是一款功能强大的DC-DC电压转换器芯片，可以实现升压和反相的电压转换。它具有可调转换倍数、低功耗、宽工作电压范围和内部保护特性等特点，适用于多种应用场景，为电子设备提供灵活的电压转换功能。

　3.5.4调试电路

调试接口P3.1/TXD连接STC8G1K17-38I-TSSOP20芯片引脚的P3.1，P3.0/RXD连接STC8G1K17-38I-TSSOP20芯片引脚的P3.0，以便于下载调试程序。如图3-12调试电路。

　3.6显示电路

0.96寸OLED屏幕是一种较小尺寸的有机发光二极管（OLED）显示屏（如图3-13 0.96OLED显示电路），具有以下特点：屏幕技术：屏幕采用有机发光二极管技术。与传统液晶显示屏相比，屏幕具有更高的对比度、更快的响应时间和更广的视角。高对比度：屏幕可以实现对比度非常高，即显示的黑色非常深沉，而亮色则非常鲜艳，图像和文本更加清晰和饱满。自发光：OLED屏幕每个像素点都是自发光的，因此不需要背光源。快速响应时间：屏幕有快速的响应时间，可以快速刷新像素，并在移动图像或动画上提供流畅的显示效果。可自发光：由于屏幕的每个像素都是自发光，因此可以实现柔性和弯曲设计。这使得OLED屏幕可以应用于弯曲或曲面的设备和产品中，提供更多的设计自由度。

总体而言，0.96寸屏幕是一种小型显示屏，采用OLED技术，具有高对比度、自发光、快速响应时间和可弯曲设计等优点。在各种电子设备和产品中应用，为用户提供清晰、鲜艳和动态的图像和文本显示体验。

P1.4/SDA连接STC8G1K17-38I-TSSOP20芯片引脚的P1.4，P1.5/SCL连接STC8G1K17-38I-TSSOP20芯片引脚的P1.5。

　　3.7 USB电路

USB接口是种常见计算机设备连接接口。它具有以下特点和功能：插拔方便：USB接口采用热插拔技术，允许在计算机运行时插入或拔出USB设备，而无需重启计算机。广泛应用：接口广泛应用于各种设备，包括打印机、扫描仪、数码相机、外部存储设备（如USB闪存驱动器）、键盘、鼠标、音频设备、游戏控制器等。高速数据传输：USB接口提供高速数据传输能力，根据不同的USB规范，可提供不同数据传输速率，如USB 2.0最高可达480 Mbps，USB 3.0可达5 Gbps。电源供应：USB接口还可以提供电源供应给连接的设备，可以通过USB接口为设备充电或为其提供电力。多功能性：USB接口支持多种功能和协议，如打印、扫描、音频输入和输出、视频传输、串行通信等。通过USB接口，设备可以进行数据交换、控制和通信。

总体而言，USB接口是一种通用、方便、高速的计算机外部设备连接标准。它在各种设备中广泛应用，提供高速数据传输、电源供应和多功能性。USB接口的普及使得设备之间的连接更加简单、快速和灵活，为用户带来便利和功能扩展的优势。

波形发生器的设计里面USB1（图3-1 4USB电路）作为波形输出的输出口，可以接其它USB母座接收波形，USB2（图3-15 USB电路）可以作为供电口，用于传输数据下载程序等。

　3.8本章总结

通过本章的介绍，我们可以对波形发生器的硬件功能进行总结。以下是硬件功能的主要点：波形生成：波形发生器的核心功能是生成不同类型和频率的周期性电信号。它能够产生多种波形。频率调节：波形发生器具有频率调节功能，可以调整输出波形的频率。这是通过控制波形发生器的内部振荡电路或外部时钟源来实现的。频率调节范围通常很广，可以满足不同应用的需求。幅度调节：波形发生器允许对输出波形的幅度进行调节。幅度调节可以通过控制电压放大器或电压控制器来实现，以改变波形信号的振幅。相位调节：一些波形发生器还具有相位调节功能，允许用户调整波形输出的相位。相位调节可以通过控制相位锁定环（PLL）或其他相位控制电路来实现。输出接口：波形发生器通常具有多种输出接口，用于连接其他电路或设备。这些接口可以方便地将波形发生器与其他电子系统或测量设备集成起来。控制和调节：波形发生器通常具有控制和调节功能，可以通过按钮、旋钮、触摸屏或电脑软件进行参数设置和调节。这使得用户可以方便地调整波形发生器的工作状态和输出特性。电源管理：波形发生器需要适当的电源供应，以提供所需的工作电压和电流。一些波形发生器具有电源管理功能，可以自动检测电源状态、调节电源稳定性和提供过载保护等功能。

　　第4章软件设计

本章主要介绍如何用软件实现波形发生器的程序设计，介绍每个控制芯片如何产生正弦波，方波，三角波，锯齿波。如何去用keil5为环境，写一个完整的程序。

　4.1 Keil软件的介绍

Keil MDK是一款嵌入式系统开发工具，应用在单片机和嵌入式系统的软件开发。作为一体化开发环境，提供了全面的工具链，包括编辑器、编译器、调试器和仿真器，为开发者提供从代码编写到调试和测试完整方案。

主要的特点和功能如下：Keil提供了直观且易于使用的IDE，具备强大的代码编辑功能和项目管理工具。开发者可以在统一的界面中编写、编辑和组织代码，提高开发效率。

编译器：内置了高效的编译器，支持很多种处理器的架构，如ARM、8051等。编译器能将源代码转换成可执行的机器码，并进行代码优化，以提高性能和减小代码体积。

调试器和仿真器：集成了强大的调试和仿真的工具，支持单步调试、变量查看、内存监视等功能。它与各种硬件调试器和仿真器兼容，使开发者能够进行硬件级调试和验证。

设备支持：提供了广泛的设备支持，包括单片机和嵌入式系统的开发包（Device Pack）。这些开发包提供了设备驱动、寄存器定义和库函数等，简化了开发过程。

综上所述，Keil是一款功能强大的嵌入式系统开发工具，提供完整开发环境和工具，方便开发者进行嵌入式软件程序的编写、调试和测试。其广泛的设备支持和丰富的功能使其成为

嵌入式系统开发的首选工具之一。

写一个新的波形发生器程序需要：首先创建一个新的项目，名叫“BXFSQDSJ”的工程文件，再选择所有芯片型号，建完一个完整的工程文件开始在里面添加所需要的源文件，接下来写波形发生器芯片的程序，再写OLED屏幕的显示程序，最后写一个主程序来控制所有的文件。配置目标设备，配置好所需12MHz的参数等就可以编译和生成可执行文件，最后经过调试接口烧录到芯片里面。

　4.2程序流程

先给单片机硬件通电，然后打开电源的自锁开关后，进行程序的运行。程序运行时先单片机工作。按键选择需要的波形到单片机中，再选择需要的频率进行输出，单片机发出指令给DDS芯片ICL8038N上产生所需要的波形，最后再把波形传输到0.96寸OLED屏幕上，这样就形成一个完整的波形发生器的设计的程序。流程如图4-1总流程图。

图4-1总流程图

　　4.3波形功能的实现

如图4-2所示，初始化系统，当处于工作状态时，通过按键来先择需要输出的波形时正弦波，方波，三角波等。再选择频率，到DDS芯片ICL8038N上输出所需要的波形。

图4-2波形流程图

　　部分程序如下：

　4.4显示程序流程

如图4-3显示流程图所示，通电后，芯片开始工作，初始化屏幕，再将DDS芯片ICL8038N采样所得的数据进行显示，并实时刷新，显示观测波形。

图4-3显示流程图

　　部分程序如下：

　4.5本章总结

　第5章调试与仿真

通过硬件设计，使用软件编程控制来设计一个波形发生器，并通过仿真来提升项目的可实现性。

5.1 Proteus 8 Professional介绍

Proteus 8 Professional是一款功能强大的电子设计自动化（EDA）软件。为工程师和设计人员提供了一个全面的工具集，以加快产品开发和验证的过程。

下面是对Proteus 8 Professional的介绍：

电路设计与仿真：用户可以使用图形化界面轻松绘制电路图，并模拟电路的行为和性能。支持模拟仿真、数字仿真和混合信号仿真，可以对模拟和数字电路进行准确的性能分析和验证。

元器件库和模型：软件内置了庞大的元器件库，涵盖了各种常用的模拟和数字电子元件。每个元件都配备了详细的参数和模型，使用户能够准确地模拟和分析电路的行为。此外，用户可以添加自定义元件和模型，以满足特定的设计需求。

PCB布局与布线：提供了先进的PCB布局和布线工具，允许用户将电路设计转化为实际的PCB布局。它支持自动布线和手动布线，具有丰富的布局选项和规则检查功能，以确保布线的质量和可靠性。用户还可以进行3D渲染和可视化，以更好地理解和评估PCB设计。

嵌入式系统仿真：除了电路设计和仿真，还支持嵌入式系统的开发和仿真。它可以与多种微控制器和单片机进行集成，并提供完整的仿真环境，以验证嵌入式系统的功能和性能。

系统级仿真：软件还支持系统级仿真，允许用户模拟和分析包含多个电子设备和模块的复杂系统。这对于验证整体系统的交互和性能非常有用，特别是在系统级设计和集成中。

项目管理和协作：具有强大的项目管理和协作功能，允许多个用户在同一项目上进行合作和共享。它支持版本控制、注释和文档管理，以方便团队成员之间不同的交流和合作。

　　5.2系统软件设计

系统软件部分包括了操作菜单显示，各种信号的设置和控制。波型产生过程为：频率设置，数据处理，然后控制ICL8038N芯片完成各种频率的正弦波产生；调频信号产生过程：通过A/D转换器采集调制信号，再根据调制信号所需要的幅度计算出频偏，把频偏数据下载到ICL8038N即可实现调频信号的产生。

　5.3电路的仿真

波形发生器的设计采用proteus进行了硬件电路仿真。用ADC0832作为信号发生芯片，将模拟量转换成数字量，频率在1Hz到100Hz。用LCD1602屏幕显示转换的波形及频率。转换波形用按键控制，按键1调节频率上升，按键2调节频率下降，按键3调节正弦波，按键4调节三角波，按键5调节方波，按键6调节正锯齿波，按键7调节反锯齿波。

5.4实物调试

　　5.5本章总结

　第6章总结

本论文介绍了波形发生器设计和实现，以及使用STM32F103C6微控制器和ADC0832模数转换器构建的波形发生器的硬件设计和软件开发。通过详细的研究和实验验证，我们成功地实现了一个能够生成多种类型波形信号的波形发生器。通过硬件设计和软件开发，我们成功实现了多种类型的波形信号生成和控制。

未来的研究可以进一步优化波形发生器的设计，探索更多的波形类型和参数调节方式，以满足不同应用场景的需求。此外，还可以考虑将波形发生器与其他系统集成，扩展其功能和应用范围。

波形发生器在电子领域中具有广泛的应用价值，可以用于测试和测量、通信系统、音频设备等多个领域。通过本论文的研究，我们深入探讨了波形发生器的背景、意义和应用，介绍硬件设计和软件开发的过程，同时对波形发生器的性能和功能进行了评估和实验验证。实验结果表明，所设计的波形发生器具有较好的稳定性、可靠性和波形生成能力。

在未来的工作中，可以进一步完善和优化波形发生器设计，提升其性能和功能，同时考虑更多的应用场景和需求。此外，还可以探索更多新型的波形发生器设计方案，采用更先进的技术和器件，用于满足不断变化电子领域需求。

波形发生器的设计

价格 ¥9.90 发布时间 2024年3月27日

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