简易波形发生器

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1、程设计说明书题 目波形信号发生器院（系）： 电子与信息工程学院班 级：电技12-2姓 名：学 号：号任课教师：1、设计目的：设计使用的 AT89S51 单片机构成的发生器可产生锯齿波、三角波、正弦 波等多种波形，波形的周期可以用程序改变，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、结构紧凑等优点。在本设计的基础上，加上按钮控制和 LED 显示 器，则可通过按钮设定所需要的波形频率，并在 LED 上显示频率、幅值电压，波形可 用示波器显示。2、设计任务或主要技术指标：设计一款可输出方波、正弦波、锯齿波的波形发生器。 1）波形：方波、正弦波、锯齿波；2）幅值电压：IV、2V、3V、4V

2、、5V；3）频率： 10HZ、 20HZ、 50HZ、 100HZ、 200HZ、 500HZ、 1KHZ；3、设计进度与要求：1）按钮分别控制“幅值”、“频率”、“方波”、“正弦波”、“锯齿波”。2）“幅值“键初始值是IV,随后再次按下依次增长IV,到达5V后在按就回到IV。3）“频率“键初始值是10HZ,随后在按下依次为20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、 1000HZ 循环。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 AT89C51 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（LM324）、按键和8位 数码管

3、等。通过按键控制可产生方波、三角波、正弦波等,同时用数码管指示其对应的 频率。其设计简单、性能优好,可用于多种需要低频信号的场所,具有一定的实用性。各种各样的信号是通信领域的重要组成部分,其中正弦波、三角波和方波等是较为 常见的信号。在科学研究及教学实验中常常需要这几种信号的发生装置。为了实验、研 究方便,研制一种灵活适用、功能齐全、使用方便的信号源是十分必要的。本文介绍的是利用AT89C51单片机和数模转换器件DAC0832产生所需不同信号的低 频信号源，其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。文中简要介绍了DAC0832数模转 换器的结构原理和使用方法，AT89C51的基础理论，以及与设计电

4、路有关的各种芯片。 文中着重介绍了如何利用单片机控制D/A转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程。 信号频率幅度也按要求可调。本次关于产生不同低频信号的信号源的设计方案，不仅在理论和实践上都能满足实 验的要求，而且具有很强的可行性。该信号源的特点是：体积小、价格低廉、性能稳定、 实现方便、功能齐全。关键词：AT89C51DAC0832 LCD1 波形发生器概述 11.1波形发生器的发展状况 12 方案论证与比较 32.1 方案一 32.2 方案二 42.3 方案三 43 硬件原理 53.1 MCS-51单片机的内部结构63.1.1 内部结构概述 63.1.2 CPU 结构73.1.3 存储器和

5、特殊功能寄存器 83.2 P0-P3 口结构83.3 时钟电路和复位电路 93.3.1时钟电路93.3.2单片机的复位状态103.4 DAC0832的引脚及功能 114 软件设计 124.1主流程图134.2 锯齿波仿真图 144.3 三角波仿真图 154.4 方波仿真图 17总 结 18致 谢 19附录 A 211 波形发生器概述在电子工程、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

6、稳定性等性能指标，都有了很大的提高。1.1 波形发生器的发展状况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。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、余弦波、方波、三角波、上弦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

7、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；二是脉 冲的占空比不可调节。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HP77

8、0S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，Lecroy公司生产的型号为9100的任 意波形发生器等。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

9、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：(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

10、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

11、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少了一半。1.2国内外波形发生器产品比较早在 1978 年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频 率为5MHz，可以形成256点(存储长度)波形数据，垂直分辨率为8bit,主要用于振 动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的发展，伴随着电子元 器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变 得操作越来越简单而输出波形的能

12、力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器 控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。2 方案论证与比较依据应用场合需要实现的波形种类，波形发生器的具体指标要求会有所不同。依 据不同的设计要求选取不同的设计方案。通常，波形发生器需要实现的波形有正弦波、 方波、三角波和锯齿波。有些场合可能还需要任意波形的产生。各种波形共有的指标有： 波形的频率、幅度要求，频率稳定度，准确度等。对于不同波形，具体的指标要求也会 有所差异，例如，占空比是脉冲波形特有的指标。波形发生器的设计方案多种多样，大 致可以分为三大类：纯硬件设计法、纯软件设计法和软硬件结合设计法。2.1 方案一波形发生

13、器设计的纯硬件法早期，波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立 元件来实现。实现的波形比较单一，主要为正弦波、方波和三角波。工作原理嗍也相对 简单：首先是产生正弦波，然后通过波形变换（正弦波通过比较器产生方波，方波经过 积分器变为三角波）实现方波和三角波。在各种波形后加上一级放大电路，可以使输出 波形的幅度达到要求，通过开关电路实现不同输出波形的切换，改变电路的具体参数可 以实现频率、幅度和占空比的改变。通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可 以提高电路的频率稳定性和准确度。纯硬件法中，正弦波的设计是基础，实现方法也比 较多，电路形式一般有LC、RC和石英晶体振荡器三类。LC振荡器适宜

14、于产生几Hz至几 百MHz的高频信号;石英晶体振荡器能产生几百kHz至几十MHz的高频信号且稳定度高； 对于频率低于几MHz,特别是在几百Hz时，常采用RC振荡电路。RC振荡电路又分为文 氏桥振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型。其中，以文氏桥振荡电路最为常 用。目前，实现波形发生器最简单的方法是采用单片集成的函数信号发生器。它是将产 生各种波形的功能电路集成优化到一个集成电路芯片里，外加少量的电阻、电容元件来 实现。采用这种方法的突出优势是电路简单，实现方便，精度高，性能优越；缺点是功 能较全的集成芯片价格较贵。实际中应用较多的单片函数信号发生器有MAX038（最高频 率可达40MHz

15、）和ICL8038（最高频率为300kHz）。2.2 方案二波形发生器设计的纯软件法 波形发生器的设计还可以采用纯软件的方法来实现。 虚拟仪器鞠使传统仪器发生了革命性的变化，是 21 世纪测试仪器领域技术发展的重要 方向。它以计算机为基础，软件为核心，没有传统仪器那样具体的物理结构在计算机 上实现仪器的虚拟面板，通过软件设计实现和改变仪器的功能。例如用图形化编程工具 LabVIEW来实现任意波形发生器的功能：在LabVIEW软件的前面板通过拖放控件，设计 仪器的功能面板（如波形显示窗口，波形选择按键，波形存储回放等工作界面），在软件 的后面板直接拖放相应的波形函数并进行参数设置或直接调用编程函

16、数来设计任意波 形以实现波形产生功能；完成的软件打包后，可脱离编程环境独立运行。实现任意波形 发生器的功能。采用纯软件的虚拟仪器设计思路可以使设计简单、高效，仅改变软件程 序就可以轻松实现波形功能的改变或升级。从长远角度来看，纯软件法成本较低。软件 法的缺点是波形的响应速度和精度逊色于硬件法。2.3 方案三1. 软硬件结合法软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优势：既 具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能性。如以单片机 和单片集成函数发生器为核心（如图2.2）。辅以键盘控制、液晶显示等电路，设计出智 能型函数波形发生器，采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的波形发生 器，同时还可