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1、 1摘摘 要要本文以STC89C51单片机为核心设计了一个低频函数信号发生器。信号发生 器采用数字波形合成技术,通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自定义波形, 如正弦波、方波、三角波、三角波、梯形波及其他任意波形，波形的频率和幅 度在一定范围内可任意改变。波形和频率的改变通过软件控制，幅度的改变通 过硬件实现。介绍了波形的生成原理、硬件电路和软件部分的设计原理。本系 统可以产生最高频率798.6HZ的波形。该信号发生器具有体积小、价格低、性能 稳定、功能齐全的优点。关键词:低频信号发生器;单片机;D /A 转换; 1 设计选题及任务设计选题及任务设计题目：基于单片机的信号发生器的设计与实现
2、2任务与要求： 设计一个由单片机控制的信号发生器。运用单片机系统控制产生多种波形，这 些波形包括方波、三角波、锯齿波、正弦波等。信号发生器所产生的波形的频 率、幅度均可调节。并可通过软件任意改变信号的波形。 基本要求： 1.产生三种以上波形。如正弦波、三角波、矩形波等。 2.最大频率不低于 500Hz。并且频率可按一定规律调节，如周期按 1T,2T,3T,4T 或 1T，2T，4T，8T 变化。 3.幅度可调，峰峰值在 05V 之间变化。 扩展要求：产生更多的频率和波形。 2 系统概述系统概述2.1 方案论证和比较方案论证和比较211 总体方案：总体方案：方案一：采用模拟电路搭建函数信号发生器
3、，它可以同时产生方波、三角波、正弦波。但是这种模块产生的不能产生任意的波形（例如梯形波） ，并且频率调节很不方便。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：使用集成信号发生器发生芯片，例如 AD9854,它可以生成最高几十 MHZ 的波形。但是该方案也不能产生任意波形（例如梯形波） ，并且价格昂贵。方案四：采用 AT89C51 单片机和 DAC0832 数模转换器生成波形，加上一个低通滤波器，生成的波形比较纯净。它的特点是可产生任意波形，频率容易调节，频率能达到设计的 500
4、HZ 以上。性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。经比较，方案四既可满足课程设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易控制，性价比高，所以采用该方案.212 改变幅度方案：改变幅度方案：方案一：可以将送给 DA 的数字量乘以一个系数，这样就可以改变 DA 输出电流的幅度，从而改变输出电压；但是这样做有很严重的问题，单片机在做乘法运算时需要很长的时间，这样的话输出波形的频率就会很低，达不到至少 500HZ3的要求；并且该方案的输出电压做不到连续可调，当 DA 的输入数字量比较小时，输出的波形失真就会比较严重。方案二：将输出电压通过一个运算放大器的放大。这样还有个优点是幅度连
5、续可调。经比较，方案二既可满足课程设计的基本要求，并且电路也挺简单。2.22.2 工作原理工作原理 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接 口等，只要将 89C51 再配置键盘及、数模转换及波形输出、放大电路等部分， 即可构成所需的波形发生器，其信号发生器构成系统框图如下图所示。单片机数模转换电路放大电路低通滤波按键电路电源波形 R
6、OM表波形输出系统框图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。波形 ROM 表是将信号一个周期等间距地分离成 64 个点，储存在单片机得 RON 内。具体 ROM 表是通过 MATLAB 生成的，例如正弦表，MATLAB 生成的程序如下： x=0:2*pi/64:2*pi; y=round(sin(x)*127)+1283 单元电路设计与分析单元电路设计与分析43.1.1 主控电路设计中主要采用 STC89C51 型单片机，它具有
7、如下优点：（1）拥有完善的外部扩展总线，通过这些总线可方便地扩展外围单元、外围接口等。 （2）该单片机内部拥有 4K 字节的 FLASH ROM 程序存储器空间和 256 字节的 RAM 数据存储空间，完全可以满足程序的要求。由于该芯片可电擦写，故可重复使用。如果更改程序内容，可将芯片拿下重新烧写。 （3）该单片机与工业标准的 MCS51型机的指令集和输出引脚兼容。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，用两个开光直接与外部中断 0 和外部中断 1
8、 的管脚相连，其中 S1 开光用来改变波形，S2 开光用来改变频率。在程序主函数中，我们写了个死循环一直输出一个默认的波形，当 S1 或 S2 按下又抬起时，程序会暂时跳出死循环，进入中断处理程序，从而对波形和频率进行改变。时钟电路。由于频率较大时，三角波、正弦波、方波等波中每一点延时时间为几微秒，故延时时间还要加上指令时间即可得到指定频率的波形，该电路用 11.0592MHz 晶振。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3
9、.6/WR16P3.7/RD17X218X119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30EA31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40STC89C521 2 3 4 5 6 7 8 9PAIZU-10KVCCY1 11.0592MC630PC730PD0P30 P31VCCVCC1 25VD1 D2 D3 D4 D5 D6 D7CSDA WRS1S2S3主控电路图53.1.2 数/模转换电路由于单片机产生的是数字信号，要想得到所需要的波形，
10、就要把数字信号转换成模拟信号，所以该文选用价格低廉、接口简单、转换控制容易并具有 8位分辨率的数模转换器 DAC0832。DAC0832 主要由 8 位输入寄存器、8 位DAC 寄存器、8 位 D/A 转换器以及输入控制电路四部分组成。但实际上，DAC0832 输出的电量也不是真正能连续可调，而是以其绝对分辨率为单位增减，是准模拟量的输出。DAC0832 是电流型输出，在应用时外接运放使之成为电压型输出。 根据对 DAC0832的数据锁存器和 DAC 寄存器的不同的控制方式， DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。本设计选用 直通方式。DAC0832 的数据口和单片机
11、的 P0 口相连。 CSDA：片选信号输入线（选通数据锁存器） ，低电平有效； WR：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由 ILE、CS、WR1的逻辑组合产生 LE1，当 LE1为高电平时，数据锁存器状态 随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；1 2 3 4 5 6 7 8 9 1020 19 18 17 16 15 14 13 12 11P4DAC0832VCCCSDA WRD0VCCD1D2D3 D4 D5 D6 D7数模转换电路3.1.3 运算放大电路和低通滤波电路61 2 3 4 5 6 7 8 9 1020 19 18 17 16 15 14 1
12、3 12 11P4DAC0832VCCCSDA WRD0 VCC 7562411LM324 91083411LM32412V10KR25KR112V-12V-12V100R3104C6D1D2D3 D4 D5 D6 D71 2VOUT11 2VOUT2LM324 的 5 管脚与 DAC0832 的（IOUT2）12 管脚相连，LM324 的 6 管脚与 DAC0832 的（IOUT1）11 管脚相连，LM324 的 7 管脚与 DAC0832 的REF（9）管脚相连.第一级运算放大器的作用是将 DAC0832 输出的电流信号转化为电压信号V1，第二级运算放大器的作用是将 V1 通过反向放大电路
13、-（R2/R1）倍。题目要求输出的电压在 0-5V 可调，而 V1 的电压大约是 5V，所以 R1 选择5K 的电阻，R2 选择 10K 的电位器，这样最大的输出电压为 5*（10/2）=10，最小电压为 0，可以实现题目要求的 0-5V。在第二个运算放大器的输出端连了一个低通滤波器。如果不加低通滤波器，也能够生成波形，但是产生的信号中毛刺很多，加一个低通滤波器不仅起到的滤波的作用，还起到了平滑的作用。低通滤波器的截止频率 F=1/(2*pi*R3*C6),这里我们选择 R3 为 100 欧姆电阻，C6 为 104 电容，截止频率 F=16KHZ。实验表明，此时的输出波形效果不错。3.1.4
14、串口通信电路串口通信电路通用异步收发器(UART)是一种串行接口，一般微处理器中都包含这种外设接口。 异步串行接口提供了一种简单的途径，使两个器件无需共享同一个时钟信号就能进 行通信。如果再加入一个合适的电平转换器 MAX232，串口就能能用在 RS232 和 RS485 等网络中实现通信，或者与计算机的 COM 端口连接。串口只需两根信号线 (RX 和 TX)即可实现，而且只要两端器件都采用同样的位格式和波特率，那么它们 无需其它任何对方的信息就可以成功传输数据。71234567891110RS23212 34 56 78 910 1112 1314 1516U2MAX232P31P30VC
15、CT1OUTR1INT1OUTR1IN104C5104C1104C2104C3104C4串口通信电路图3.2 系统软件设计软件设计上，根据功能分了几个模块编程。模块主要有：主程序模块、外 部中断 0 模块，外部中断 1 模块。主程序：主程序：主程序先是进行一些初始化的工作，然后根据波形标志 a,b,c,d,e 的值进入相 应的 while 循环。这样写的好处是输出的波形频率可以 790 多 HZ。在 while 循 环中，单片机根据地址标志位不停低查表，然后把查得的值赋给 DAC0832 的 数据口，然后地址标志位加一，并判断地址标志位是否等于 64，如果是就置 0 再往下执行，如果不是直接往
16、下执行。然后根据频率标志位进行相应的延时。初始化开始根据地址标志位查表while循环输出数字量给 DAC0832数据口根据a,b,c,d,e的值进入相 应的while循环地址标志位加1地址标志位是 否等于64否地址标志位置0相应延时（对应频 率）主程序流程图8中断服务程序：中断服务程序：本程序中两个外部中断分别起到了控制波形和频率的作用。在程序中还加入了 消抖部分。外部中断1是否有中断信 号是否频率标志位加1频率标志位是 否等于8是否频率标志位置0根据频率标志做 相应处理外部中断0是否有中断信 号是否波形标志位加1波形标志位是 否等于5是否波形标志位置0根据波形标志做 相应处理4 安装调试及测量数据分析安装调试及测量数据分析4.1 调试过程调试过程;1 不通电，用万用表根据电路图仔细检查各线路连接是否正常。 2 首先是调试单片机部分，DA 和运算放大器芯片不接。用 STC_ISP_V483 软件通过串口下程序。看是否可以正
