【正文】 ...................................................................................................... 31 附錄 1 源程序 ............................................................................................................. 31 附錄 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電路原理圖 ..................................................................................... 41 附錄 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) PCB 圖 ........................................................................................... 42 1 基于單片機(jī)的信號發(fā)生器設(shè)計(jì) 1 概 述 研究背景與意義 單片機(jī)自 20 世紀(jì) 70 年代問世以來．以極其高的性能價(jià)格比受到人們的重視和關(guān)注，所以應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，對環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。 導(dǎo)彈 的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC卡 ，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī) 、 攝像機(jī) 、全自動洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動控制領(lǐng)域的機(jī)器 人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。廣大工程技術(shù)人員通過學(xué)習(xí)有關(guān)單片機(jī)的知識后，也能依靠自己的力量來開發(fā)所希望的單片機(jī)系統(tǒng)，并可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。正因?yàn)槿绱?，在我國，單片機(jī)已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器等各個(gè)方面。什么是單片機(jī) ?單片機(jī)就是在一塊硅片上集成了微處理器 (CPU)，存儲器 (RAM， ROM， E— PROM)和各種輸入、輸出接口 (定時(shí)器／ 計(jì)數(shù)器，并行 I/O 口，串行口， A／ D 轉(zhuǎn)換器以及脈沖調(diào)制器 PWM 等 )，這樣一塊芯片具有一臺計(jì)算機(jī)的屬性，因而被稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。單片機(jī)具有體積小、成本低，性能穩(wěn)定、使用壽命長等特點(diǎn)。其最明顯的優(yōu)勢就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中，這是其他計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)都無法做到的。 信號發(fā)生器 一種能提供各種頻率、波形和輸出電平電信號，常用作測試的信號源或激勵(lì)源的 設(shè)備 應(yīng)用廣泛，種類繁多，性能各異，分類也不盡一致。按照頻率范圍分類可以分為：超低頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、視頻信號發(fā)生器、高頻波形發(fā)生器、甚 高頻波形發(fā)生器和超高頻信號發(fā)生器。按照輸出波形分類可以分為：正弦信號發(fā)生器和非正弦信號發(fā)生器，非正弦信號發(fā)生器又包括：脈沖信號發(fā)生器，函數(shù)信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、數(shù)字序列波形發(fā)生器、圖形信號發(fā)生器、噪聲信號發(fā)生器等。按照信號發(fā)生器性能指標(biāo)可以分為一般信號發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器。前者指對輸出信號的頻率、幅度的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要求不高的一類信號發(fā)生器。后者是指其輸出信號的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、屏蔽良好的中、高檔信號發(fā)生器。信號發(fā)生器能產(chǎn)生某些特定的周期性 時(shí)間函數(shù)波形（正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號，頻率范圍可從幾個(gè)微赫到幾十兆赫函數(shù)信號發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號或脈沖信號運(yùn)載出去，就需要能 2 夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)域。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 本文是做基于單片機(jī)的信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)，將采用編程的方法來實(shí)現(xiàn)三角波、鋸齒波、矩形波、正弦波的發(fā)生。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，對各種波形的頻率 和幅度進(jìn)行程序的編寫，并將所寫程序裝入單片機(jī)的程序存儲器中。在程序運(yùn)行中，當(dāng)接收到來自外界的命令，需要輸出某種波形時(shí)再調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序和波形發(fā)生程序，經(jīng)電路的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器處理后，從信號發(fā)生器的輸出端口輸出。波形的產(chǎn)生是通過 89C51 執(zhí)行某一波形發(fā)生程序，向 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸入端按一定的規(guī)律發(fā)生數(shù)據(jù)，從而在 D/A 轉(zhuǎn)換電路的輸出端得到相應(yīng)的波形，波形的頻率可以用程序改變，加上鍵盤控制和 LED 顯示器，則可通過鍵盤設(shè)定所需要的波形頻率及波形類型，并在 LED 上顯示。 設(shè)計(jì)功能 8155 擴(kuò)展 8個(gè)獨(dú)立式按鍵， 6個(gè) LED 顯示器。其中“ S0”號鍵代表方波輸出，“ S1”號鍵代表正弦波輸出，“ S2”號鍵代表三角波輸出，“ S3” 號鍵代表鋸齒波輸出。 b.“ S4”號鍵為 10Hz 的頻率信號，“ S5”號鍵為 100Hz 的頻率信號，“ S6”號鍵為 500Hz 的頻率信號，“ S7”號鍵為 1KHz 的頻率信號， 6個(gè) LED 顯示器輸出信號的頻率值，選用共陽極 LED。 DAC0832 實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)的信號源，（其中一片用來調(diào)節(jié)幅度，另外一片用來實(shí)現(xiàn)信號源的輸出）。 d. 頻率范圍： 10～ 1000Hz。 e. 輸出波形幅度為 0～ 5V。 2 系統(tǒng)總體 方案 的設(shè)計(jì)與選擇 方案的比較 方案一：采用單片函數(shù)發(fā)生器（如 8038）， 8038 可同時(shí)產(chǎn)生正弦波、方波等，而且方法簡單易行，用 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出來改變調(diào)制電壓，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控調(diào)整頻率，但產(chǎn)生信號的頻率穩(wěn)定度不高。 方案二：采用鎖相式頻率合成器，利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器（ VCO）的輸出頻率鎖定在所需頻率上，該方案性能良好，但難以達(dá)到輸出頻率覆蓋系數(shù)的要求，且電路復(fù)雜。 方案三：采用單片機(jī)編程的方法來實(shí)現(xiàn)。該方法可以通過編程的方法來控制信號波 形的頻率和幅度，而且在硬件電路不變的情況下，通過改變程序來實(shí)現(xiàn)頻率的變換。此外，由于通過編程方法產(chǎn)生的是數(shù)字信號，所以信號的精度可以做的很高。 3 鑒于方案一的信號頻率不夠穩(wěn)定和方案二的電路復(fù)雜，頻率覆蓋系數(shù)難以達(dá)標(biāo)等缺點(diǎn)，所以決定采用方案三的設(shè)計(jì)方法。它不僅采用軟硬件結(jié)合，軟件控制硬件的方法來實(shí)現(xiàn)，使得信號頻率的穩(wěn)定性和精度的準(zhǔn)確性得以保證，而且它使用的幾種元器件都是常用的元器件，容易得到，且價(jià)格便宜，使得硬件的開銷達(dá)到最省。 設(shè)計(jì)原理 數(shù)字信號可以通過數(shù) /模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，因此可通過產(chǎn) 生數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成模擬信號的方法來獲得所需要的波形。 AT89C51 單片機(jī)本身就是一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)，具有組成微型計(jì)算機(jī)的各部分部件：中央處理器 CPU、隨機(jī)存取存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、 I/O 接口電路、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器以及串行通訊接口等，只要將 89C51再配置鍵盤及其接口、顯示器及其接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、指示燈及其接口等四部分，即可構(gòu)成所需的波形發(fā)生器，其信號發(fā)生器構(gòu)成原理框圖如圖 21 所示。 圖 21 信號發(fā)生器原理框圖 89C51 是整個(gè)波形發(fā)生器的核心部分，通 過程序的編寫和執(zhí)行，產(chǎn)生各種各樣的信號，并從鍵盤接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種功能的轉(zhuǎn)換和信號幅度的調(diào)節(jié)。當(dāng)數(shù)字信號經(jīng)過接口電路到達(dá)轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號也就是所需要的輸出波形。 系統(tǒng)元件的選擇 單片機(jī) 單片機(jī)是一種集成在 電路 芯片，是采用 超大規(guī)模集成電路 技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處 理器 CPU 隨機(jī)存儲器 RAM、 只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器 等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、 脈寬調(diào)制 電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器 等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 。單片機(jī)自動完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機(jī)執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設(shè)計(jì)人員賦予它的指 令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應(yīng)著一種基本操作；單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機(jī)能自動完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機(jī)能識別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲功能的部件 —— 存儲器中。 89C51 單片機(jī) 接口 電路 D/A 轉(zhuǎn)換器 濾波放大 輸出 4 存儲器由許多存儲單元（最小的存儲單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個(gè)房間的被分配到了唯一一個(gè)房間號一樣，每一個(gè)存儲單元 也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個(gè)存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個(gè)部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計(jì)數(shù)器 PC（包含在 CPU 中），在開始執(zhí)行程序時(shí)，給 PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執(zhí)行的命令， PC 在中的內(nèi)容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是 2或 3，以指向下 一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式 微控制器 （ Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫 MCU 表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由 芯片 內(nèi)僅有 CPU 的專用 處理器 發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU集成在一個(gè)芯片中，使 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。 INTEL 的 Z80是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。早期的單片機(jī)都是 8位或 4位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因?yàn)楹唵慰煽慷阅懿诲e(cuò)獲得了很大的好評。此后在 8031上發(fā)展出了 MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。 90年代后隨著 消費(fèi)電子產(chǎn)品 大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。隨著 INTEL i960系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用， 32位單片機(jī)迅速取代 16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場。而傳統(tǒng)的 8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32位單片機(jī) 主頻 已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價(jià)格跌落至 1美元，最高端的型號也只有 10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng) 被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片 機(jī)甚至可以直接使用專用的 Windows 和 Linux 操作系統(tǒng) 。單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于 嵌入式系統(tǒng) ，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、 計(jì)算器 、家用電器、電子玩具、 掌上電腦 以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 12部單片機(jī)。而 個(gè)人電腦 中也會有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。 汽車上一般配備 40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制 系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過 PC 機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機(jī)又稱 單片微控制器 ,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ,而是把一個(gè) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成 到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O 設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了 一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與 5 結(jié)構(gòu)的最佳選擇。單片機(jī)內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如 CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的 存儲器 件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價(jià)錢也是低的，一般不超過 10元即可 ， 用它來做一些控制電器一類不是很復(fù)雜的工作足矣了?，F(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機(jī)、排煙罩、 VCD 等等 的家電里面都可以看到它的身影 。 它主要是作為控制部分的核心部件。 單片機(jī)選用了 AT89C51單片機(jī) ,它 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51是一種高效微控制 器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供