【正文】 1 基于單片機(jī)的函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計 學(xué)生 ： AAA，電子信息學(xué)院 指導(dǎo)老師： AAA， AA 大學(xué) 【摘要】： 本文介紹一種用 AT89C51 單片機(jī)構(gòu)成的波形發(fā)生器，可產(chǎn)生方波、三角波、正弦波、鋸齒波等多種波形，波形的周期可用程序改變，并可根據(jù)需要選擇單極性輸出或雙極性輸出，具有線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越等特點。文章給出了源代碼，通過仿真測試，其性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。 【關(guān)鍵詞】： 單片機(jī)； DAC；函數(shù)發(fā)生 器 Design of function generator based on MCU Student:,School of electronics and Information Engneering Teacher: , University Abstract This paper introduces a AT89C51 single chip waveform generator,can produce square wave,triangle wave,sine wave,sawtooth wave and other wave,waveform cycle can be used to change procedures,and in accordance with the need to select the output unipolar or bipolar output,has simple circuit,pact structure,superior performance article gives the source code,through simulation test,performance indexs have reached the design requirements. 【 Key words】： single chip microputer。DAC。Function generator. 3 基于單片機(jī)的函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計 第一章 緒論 單片機(jī)概述 單片機(jī)是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機(jī)系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機(jī)所需要的大部分部件： CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 單片機(jī)也被稱為微控制器 (Microcontroller)，由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個芯片中，使計算機(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。單片機(jī)是 70年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，是 CPU、 RAM、 ROM、 I/O 接口和中斷系統(tǒng)集成于同一硅片的器件。單片機(jī)用于控制有利于實現(xiàn)系統(tǒng)控制的最小化和單片化，簡化一 些專用接口電路，如編程計數(shù)器、鎖相環(huán)（ PLL）、模擬開關(guān)、 A/D 和D/A 變換器、電壓比較器等組成的專用控制處理功能的單板式微系統(tǒng)。 單片機(jī)是所有微處理機(jī)中性價比最高的一種，隨著種類的不斷全面，功能不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也迅速擴(kuò)大。單片機(jī)在智能儀表、實時控制、機(jī)電一體化、辦公機(jī)械、家用電器等方面都有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前， 8 位單片機(jī)主要用于工業(yè)控制，如溫度、壓力、流量、計量和機(jī)械加工的測量和控制場合；高效能的 16 位單片機(jī)（如 MCS9MK68200）可用在更復(fù)雜的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。可以說，微機(jī)測控技術(shù)的應(yīng)用已滲透 到國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，微機(jī)測控技術(shù)的應(yīng)用是產(chǎn)品提高檔次和推陳出新的有效途徑。 函數(shù)發(fā)生器的分類 函數(shù)發(fā)生器應(yīng)用廣泛，種類繁多，性能各異，分類也不盡一致。 函數(shù)發(fā)生器亦稱信號發(fā)生器，主要作為實驗用信號源，是現(xiàn)今各種電子電路實驗設(shè)計應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。 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。 函數(shù) 發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的一般可以完全由硬件電路搭接而成，如采用 555 振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機(jī)。但是這種電路存在 波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大等缺點。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學(xué)，地震模擬機(jī)械振動等領(lǐng)域常常要用到低頻信號源。而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的 RC 要很大。大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證。體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會大大增加。 利用單片機(jī)采用程序設(shè)計方法來產(chǎn)生低頻信號，其頻率底線很低。具有線路相對簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強(qiáng)，用途廣泛等優(yōu) 點，并且能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行細(xì)微調(diào)整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。只要對電路稍加修改，調(diào)整程序，即可完成功能升級。 研究內(nèi)容 本文是做基于單片機(jī)的信號發(fā)生器的設(shè)計，將采用編程的方法來實現(xiàn)三角波、鋸齒波、矩形波、正弦波的發(fā)生。根據(jù)設(shè)計的要求，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。在程序運行中，當(dāng)接收到來自外界的命令，需要輸出某種波形時再調(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)換器和運算放大器處理后，從信號發(fā)生器的輸出端口輸出。 5 第二章 方案的設(shè)計與選擇 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。 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，所以決定采用方案三的設(shè)計方法。它不僅采用軟硬件結(jié)合，軟件控制硬件的方法來實現(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，且價格便宜，使得硬件的開銷達(dá)到最省。 設(shè)計原理 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。 89C51 單片機(jī)本身就是一個完整的微型計算機(jī)，具有組成微型計算機(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、定時器 /計數(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 所示。 89C51 單片機(jī) 接口 電路 D/A 轉(zhuǎn)換器 濾波放大 輸出 圖 信號發(fā)生器原理框圖 89C51 是整個波形發(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。 設(shè)計思想 （ 1）利用單片機(jī)產(chǎn)生方波、正弦波、三角波和鋸齒波等信號波形，信號的頻率和幅度可變。 （ 2）將一個周期的信號分離成 256 個點（按 X 軸等分），每兩點之間的時間間隔為 ? T，用單片機(jī)的定時器產(chǎn)生，其表示式為： ? T=T/256。 如果單片機(jī)的晶振為 12MHz，采用定時器方式 0，則定時器的初值為： X=213—? T/Tmec () 定時時間常數(shù)為： TL =（ 8192—? T） /MOD256 () TH=(8192? T)/256 () MOD32 表示除 32 取余數(shù) （ 3）正弦波的模擬信號是 D/A 轉(zhuǎn)換器的模擬量輸出，其計算公式為： Y=（ A/2sin? t） +A/2 (其中 A=VREF) () ? t=N? T (N=1~256) () 那么對應(yīng)著存放在計算機(jī)里的這一點的數(shù)據(jù)為： （ ） （ 4）一個周期被分離成 256 個點，對應(yīng)的四種波形的 256 個數(shù)據(jù)存放在以 TAB1TAB4 為起始地址的存儲器中。 設(shè)計功能 （ 1）本方案利用 8155 擴(kuò)展 8 個獨立式按鍵， 6 個 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( s in 1 ) 2 5 5( 2 5 5 ) / 2tD i Y A ? ? ?? ? ? 7 鍵代表鋸齒波輸出。 （ 2）“ 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 LED 顯示器輸出信號的頻率值，選用共陽極 LED。 （ 3）利用兩片 DAC0832 實現(xiàn)幅度可調(diào)的信號源，（其中一片用來調(diào)節(jié)幅度，另外一片用來實現(xiàn)信號源的輸出）。 （ 4）頻率范圍： 10~1000Hz。 （ 5） 輸出波形幅度為 0～ 5V。 第三章 主要器件介紹 AT89C51 簡介 AT89C51 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)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器 的單片機(jī)。單片機(jī)的 可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100