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1、摘 要 本文介绍一种用 AT89C51 单片机构成的波形发生器，可产生方波、三角波、 正弦波、锯齿波等多种波形，波形的周期可用程序改变，并可根据需要选择单 极性输出或双极性输出，具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点。文章给 出了源代码，通过仿真测试，其性能指标达到了设计要求。 关键词：单片机；DAC；信号发生器 目 录 摘 要 . 目 录 . 第一章 绪论 . 1.1 单片机概述 . 1.2 信号发生器的分类 . 1.3 研究内容 . 第二章 方案的设计与选择 . 2.1 方案的比较 . 2.2 设计原理 . 2.3 设计思想 . 2.4 设计功能 . 第三章 硬件设计 . 3.1 硬件原理
2、框图 . 3.2 主控电路 . 3.3 数、模转换电路 . 3.4 按键接口电路 . 3.5 时钟电路 . 3.6 显示电路 . 第四章 软件设计 . 4.1 程序流程图 . 第五章 总结与展望 . 致 谢 . 参考文献 . 附录 1 电路原理图 . 附录 2 源程序. 附录 3 器件清单. 第一章 绪论 1.1 单片机概述 随着大规模集成电路技术的发展，中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、 只读存储器(ROM)、(I/O)接口、定时器/计数器和串行通信接口，以及其他一些计 算机外围电路等均可集成在一块芯片上构成单片微型计算机，简称为单片机。单片 机具有体积小、成本低，性能稳定、使
3、用寿命长等特点。其最明显的优势就是可以 嵌入到各种仪器、设备中，这是其他计算机和网络都无法做到的9,10。 1.2 信号发生器的分类 信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。按照频率范围 分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形 发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为：正 弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器， 函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声 信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生 器。前者指对输出信号的频率
4、、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的 一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连 续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。 1.3 研究内容 本文是做基于单片机的信号发生器的设计，将采用编程的方法来实现三角波、锯齿 波、矩形波、正弦波的发生。根据设计的要求，对各种波形的频率和幅度进行程序 的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序运行中，当接收到来自 外界的命令，需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序， 经电路的数/模转换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端口输出。 第二章 方案的设计与选择 2.1
5、方案的比较 方案一：采用单片函数发生器（如 8038） ，8038 可同时产生正弦波、方波等， 而且方法简单易行，用 D/A 转换器的输出来改变调制电压，也可以实现数控调整频 率，但产生信号的频率稳定度不高。 方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出 频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求， 且电路复杂。 方案三：采用单片机编程的方法来实现。该方法可以通过编程的方法来控制信 号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的 变换。此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。 鉴于方案一
6、的信号频率不够稳定和方案二的电路复杂，频率覆盖系数难以达标 等缺点，所以决定采用方案三的设计方法。它不仅采用软硬件结合，软件控制硬件 的方法来实现，使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证，而且它使用的几 种元器件都是常用的元器件，容易得到，且价格便宜，使得硬件的开销达到最省。 2.2 设计原理 数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号，因此可通过产生数字信号再 转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。89C51 单片机本身就是一个完整的微 型计算机，具有组成微型计算机的各部分部件：中央处理器 CPU、随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM、I/O 接口电路、定时器/计数器以及串行通讯
7、接口等，只要 将 89C51 再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指示灯及 其接口等四部分，即可构成所需的波形发生器，其信号发生器构成原理框图如图 2.1 所示。 图 2.1 信号发生器原理框图 89C51 是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样 的信号，并从键盘接收数据，进行各种功能的转换和信号幅度的调节。当数字信号 89C51 单片机 接口 电路 D/A 转换器 滤波放 大 输出 经过接口电路到达转换电路，将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。 2.3 设计思想 （1）利用单片机产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形，信号的 频率和幅度可
8、变。 （2）将一个周期的信号分离成 256 个点（按 X 轴等分） ，每两点之间的时 间间隔为T，用单片机的定时器产生，其表示式为：T=T/256。 如果单片机的晶振为 12MHz，采用定时器方式 0，则定时器的初值为： X=213T/Tmec (2.1) 定时时间常数为： TL =（8192T）/MOD256 (2.2) TH=(8192T)/256 (2.3) MOD32 表示除 32 取余数 （3）正弦波的模拟信号是 D/A 转换器的模拟量输出，其计算公式为： Y=（A/2sint）+A/2 (其中 A=VREF) (2.4) t=NT (N=1256) (2.5) 那么对应着存放在计算
9、机里的这一点的数据为： （2.6） （4） 一个周期被分离成 256 个点，对应的四种波形的 256 个数据存放在以 TAB1-TAB4 为起始地址的存 储器中。 2.4 设计功能 （1）本方案利用 8155 扩展 8 个独立式按键，6 个 LED 显示器。其中 “S0”号键代表方波输出， “S1”号键代表正弦波输出， “S2”号键代表三角波 输出， “S3” 号键代表锯齿波输出。 （2） “S4”号键为 10Hz 的频率信号， “S5”号键为 100Hz 的频率信号， “S6”号键为 500Hz 的频率信号， “S7”号键为 1KHz 的频率信号，6 个 LED 显 示器输出信号的频率值，选
10、用共阳极 LED。 （3）利用两片 DAC0832 实现幅度可调的信号源， （其中一片用来调节幅度， 另外一片用来实现信号源的输出） 。 （4）频率范围：101000Hz。 （5）输出波形幅度为 05V。 (sin1) 255 (255)/ 2 t DiYA 第三章 硬件设计 3.1 硬件原理框图 硬件原理方框图如图 3.1 所示。 图 3.1 硬件原理框图 3.2 主控电路 AT89C51 单处机内部设置两个 16 位可编程的定时器/计数器 T0 和 T1，它们具 有计数器方式和定时器方式两种工作方式及 4 种工作模式。在波形发生器中，将其 作定时器使用，用它来精确地确定波形的两个采样点输出
11、之间的延迟时间。模式 1 采用的是 16 位计数器，当 T0 或 T1 被允许计数后，从初值开始加计数，最高位产 生溢出时向 CPU 请求中断。 中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。当中央处理器 CPU 正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求 CPU 暂停当前的工作，转 而去处理这个紧急事件。在波形发生器中，只用到片内定时器计数器溢出时产生 的中断请求，即是在 AT89C51 输出一个波形采样点信号后，接着启动定时器，在 定时器未产生中断之前，AT89C51 等待，直到定时器计时结束，产生中断请求， AT89C51 响应中断，接着输出下一个采样点信号，如此循环产生所需要的信号波形 6。 如图 3.2 所示，AT89C51 从 P0 口接收来自键盘的信号，并通过 P2 口输出一些 控制信号，将其输入到 8155 的信号控制端，用于控制其
