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1、1图纸，联系基于 MCS51单片机在波形发生器中的设计摘 要：本系统是基于 AT89C51 单片机的数字式低频信号发生器。采用 AT89C521 单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、运放电路（LM365）、按键和 8 位数码管等。通过按键控制可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等，同时用数码管指示对应的波形。其设计简单、性能优良，可用于多种需要低频信号源的场所，具有一定的实用性。关键词： AT89C51;DAC0832;LM365;8位数码显示管The Design of Waveform Generator Base on MCS-51 Single Chip C
2、omputerAbstract：Waveform The system is a digital signal generator based on single chip computer. AT9C51 is used as a control microcontroller core.The system is composed by digital/analog comversion(DAC0832), imply circuit,button and nixie tube.It can generate the square, triangle and sine wave,with
3、nixie tube.The system can be used for a signal soure in the low-frequency signal soure.It is very practical.Keywords:AT89C51；DA0832 ；LM324；8 nixie tube display21 前言波形发生器也称函数发生器，作为实验信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿波，正弦波，方波，三角波等波形。本设计为一个能产生一路正弦波、三角波、锯齿波或方波信号的波形发生器，
4、要求输出波形幅度为 0-10V，并可调整；输出波形频率在 0-20KHZ 范围内可调整。2 波形发生器的概括及其发展状况在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高 3。波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信
5、号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域 15。在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、方波、三角波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是
6、脉冲的占空比不可调节 21。在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多3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。 90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是 HP 公司推出了型号为 HP770S 的信号模拟装置系统，它由 HP8770A 任意波形数字化和 HP1776A 波形发生软件组成。HP8770A 实际上也只能产生 8 中波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic 公司推出了型号为 Data-2020 的多波形合成器，Lecro
7、y 公司生产的型号为 9100 的任意波形发生器等 6。 到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过 GHz 的 DDS 芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003 年，Agilent 的产品 33220A 能够产生 17 种波形，最高频率可达到 20M，2005 年的产品 N6030A 能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达 1.25GHz。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面 15：（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形
8、发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成 v=f (t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如 Visual Basic ,Visual C 等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。 （2）与 VXI 资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器
9、和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的 VXI 模块。由于 VXI 总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用 VXI 系统测量产生复杂的波形，VXI 的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发 VXI 模块的周期长，而且需要专门的VXI 机箱的配套使用，使得波形发生器 VXI 模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI 模块远远不如台式仪器更为方便。 （3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新4一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减
10、少了一半 8。3 方案论证信号发生器的实现方法通常有以下几种：方案一；用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不稳定，不易调试。方案二；可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。方案三；利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器：更够产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。方案四；采用AT89C51单片机和DAC0832
11、芯片，直接连接键盘和显示。该种方案主要对AT89C51单片机的各个I/O口的充分利用，P1口是连接键盘以及接显示器电路，P2口连接DAC0832输出波形。这样总体来说，能对单片机各个接口都利用上，而不再多用其他芯片，从而减少了系统成本，也对按照系统便携式低频信号发生器的要求所完成。占用空间小，使用芯片少，低功耗。综合考虑，方案四各项性能和指标都优于其他几种方案，能使输出频率有较好的稳定性，充分体现了模块设计的要求，而且这些芯片及器件均为通用件，在市场上较常见，价格也低廉，样品制作成功的可能性比较大，所以本设计采用方案四。4 硬件电路的设计4.1 总体方案设计利用 AT89C51 单片机外接数模
12、转换器和运算放大电路，由用户通过按键选择输出实验室中经常使用到的几种基本波形：方波、锯齿波、正弦波和三角波。方波由 AT89C51 单片机将最大值和最小值输出给进行转换，并由用户通过键盘选择波形周期。与微处理器兼容的 8 位数模转换器 DAC0832 将数字量转5换为模拟量电压信号，通过运放电路得到锯齿波、正弦波、三角波信号，波形保证了它的精度、平滑和稳定。可采用单片机程序产生以上 4 种波形，并通过一片转换器输出。另外，采用一片转换器来控制前一片A 转换器的参考电压，从而可以改变输出波形幅值，见图 1 所示。通过外接键盘来设定波形的类型、幅值和频率，并在扩展的七段 LED 显示器上显示响应的
13、波形的类型、幅值和频率。AT89C51 单片机时钟电路采用内部方式，外接陶瓷谐振器（频率为 12MHz） ，微调电容值为 30pF。系统复位采用按键式外部复位方式，复位信号至少保持8us 以上。通过按键由用户选择要输出的波形，按键选择占用 P10P17 口，采用独立式键盘结构，框图如图 1 所示。图 1 波形发生器原理框图Fig 1 functiongal block diagram of waveform generator4.2 AT89C51 单片机简介AT89C51 是一种带4K 字节FLASH 存储器的低电压、高性能CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。该芯片具有优异的性价比，集成度
14、高，体积小，可靠性强，控制功能强等优点。其外形及引脚排列如图2 所示。键盘单片机运算放大D/A 转换D/A 转换 运算放大显示器6管脚功能说明VCC：供电电 压。GND：接地。P0 口：P0 口 为一个8 位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL 门电流。 当P0口的管脚第一次写1是， 被定义为高阻输入。P0能够用 于外部程序数据存储器，它可 以被定义为数据/地址第八位。 在FIASH编程时，P0口作为源码 输入口，图 2 AT89C51引脚图Fig 2 The pin chart of AT89C51当P0 口的管脚第一次写1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可
15、以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0 输出原码，此时P0 外部必须被拉高；EA/VP 31X1 19X2 18RESET 9RD 17WR 16INT0 12INT1 13T0 14T1 15P10 1P11 2P12 3P13 4P14 5P15 6P16 7P17 8P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89S52VCCRST7P1 口：P1 口是一
16、个内部提供上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1 口管脚写入1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收；P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是8 个带内部上拉电阻的
