【正文】 1 摘 要 本文 以 STC89C51單片機為核心設(shè)計了一個低頻函數(shù)信號發(fā)生器。信號發(fā)生器采用數(shù)字波形合成技術(shù) ,通過硬件電路和軟件程序相結(jié)合 ,可輸出自定義波形 ,如正弦波、方波、三角波 、三角波、梯形波 及其他任意波形 ， 波形的頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可任意改變 。波形和頻率的改變通過軟件控制，幅度的改變通過硬件實現(xiàn) 。介紹了波形的生成原理、硬件電路和軟件部分的設(shè)計原理。 本系統(tǒng)可以 產(chǎn)生最高頻率 。該信號發(fā)生器具有體積小、價格低、性能穩(wěn)定、功能齊全的優(yōu)點。 關(guān)鍵詞 :低頻信號發(fā)生器 。單片機 。D /A 轉(zhuǎn)換 。 2 1 設(shè)計選題及任務(wù) 設(shè)計題目：基于單片機的信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn) 任務(wù)與要求： 設(shè)計一個由單片機控制的信號發(fā)生器。運用單片機系統(tǒng)控制產(chǎn)生多種波形，這些波形包括方波、三角波、鋸齒波、正弦波等。信號發(fā)生器所產(chǎn)生的波形的頻率、幅度均可調(diào)節(jié)。并可通過軟件任意改變信號的波形。 基本要求： 1. 產(chǎn)生三種以上波形。如正弦波、三角波、矩形波等。 500Hz。并且頻率可按一定規(guī)律調(diào)節(jié)，如周期按 1T,2T,3T,4T 或 1T，2T， 4T， 8T 變化。 ，峰峰值在 0—— 5V 之間變化。 擴展 要求：產(chǎn)生更多的頻率和波形。 2 系統(tǒng)概述 方案論證和比較 2． 1． 1 總體方案： 方案一：采用模擬 電路搭建 函數(shù)信號發(fā)生器 ，它 可以同時產(chǎn)生方波、三角波、正弦波。但是這種模塊產(chǎn)生的 不能產(chǎn)生任意的波形（例如梯形波），并且頻率調(diào)節(jié)很不方便。 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，但難以達到輸出頻率覆蓋系數(shù)的要求，且電路復雜。 方案 三 ： 使用集成 信號發(fā)生器 發(fā)生芯片，例如 AD9854,它可以生成最高幾十 MHZ 的波形。但是該方案也不能產(chǎn)生任意波 形（例如梯形波），并且價格昂貴。 方案 四 ：采用 AT89C51 單片機和 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成波形， 加上一個低通濾波器 ，生成的波形比較純凈。它的特點是 可產(chǎn)生任意波形，頻率容易調(diào)節(jié)，頻率能達到設(shè)計的 500HZ 以上。 性能高，在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少。 經(jīng)比較，方案 四 既可滿足課程設(shè)計的基本要求 又能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，電路簡單，易控制，性價比高，所以采用該方案 . 2． 1． 2 改變幅度 方案： 方案一 ： 可以將送給 DA 的數(shù)字量乘以一個系數(shù)，這樣就可以改變 DA 輸出電流的幅度，從而改變輸出電壓；但是這樣做 有很嚴重的問題，單片機在做乘法運算時需要很長的時間，這樣的話輸出波形的頻率就會很低，達不到至少 500HZ 的要求； 并且該方案的輸出電壓做不到連續(xù)可調(diào)，當 DA 的輸入數(shù)字量比較小時，輸出的波形失真就會比較嚴重。 3 方案二 ：將輸出電壓通過一個運算放大器的放大。這樣還有個優(yōu)點是幅度連續(xù)可調(diào)。 經(jīng)比較，方案 二 既可滿足課程設(shè)計的基本要求 ，并且電路也挺簡單。 工作原理 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 單片機本身就是一個完整的微 型計算機，具有組成微型計算機的各部分部件：中央處理器 CPU、隨機存取存儲器 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、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、 放大電路等 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 系統(tǒng)框圖 如 下 圖所示。 單 片 機數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 電 路放 大 電 路低 通 濾 波按 鍵 電 路電 源波 形R O M 表波 形 輸 出 系統(tǒng)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)，進行各種功能的轉(zhuǎn)換和信號幅度的調(diào)節(jié)。當數(shù)字信號 電路到達轉(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。 波形 ROM 表是將信號一個周期等間距地分離成 64 個點，儲存在單片機得 RON 內(nèi)。具體ROM 表是通過 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)+128 3 單元電路設(shè)計與分析 主控電路 設(shè)計中主要采用 STC89C51 型單片機，它具有如下優(yōu)點：（ 1）擁有完善的外部擴展總線，通過這些總線可方便地擴展外圍單元、外圍接口等。（ 2）該單片機內(nèi)部擁有 4K字節(jié)的 FLASH ROM 程序存儲器空間和 256 字節(jié)的 RAM 數(shù)據(jù)存儲空間，完全可以滿足程序的要求。由于該芯片可電擦寫，故可重復使用。如果更改程序內(nèi)容，可將芯片拿下重新 4 燒寫。（ 3） 該單片機與工業(yè)標準的 MCS－ 51 型機的指令集和輸出引腳兼容 。 中斷系統(tǒng)是使處理器具有對外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。當中央處理器 CPU正在 處理某件事的時候外界發(fā)生了緊急事件，要求 CPU 暫停當前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個緊 急事件。 在波形發(fā)生器中，用兩個開光直接與外部中斷 0 和外部中斷 1 的管腳 相連，其中 S1開光用來改變波形， S2 開光用來改變頻率。 在程序主函 數(shù)中，我們寫了個死循環(huán)一直輸出一個默認的波形，當 S1 或 S2 按下又抬起時，程序會暫時跳出死循環(huán)，進入中斷處理程序，從而對波形和頻率進行改變。 時鐘電路。由于頻率較大時，三角波、正弦波、方波等波中每一點延時時間為幾微秒，故延時時間還要加上指令時間即可得到 指定頻率的 波形，該電路用 晶振。 12345678RST91011121314151617X218X119GND202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40STC89C52123456789PAIZU10KVCCY1C630PC730PD0P30P31VCCVCC125VD1D2D3D4D5D6D7CSDAWRS1S2S3 主控電路圖 數(shù) /模轉(zhuǎn)換電路 由于單片機產(chǎn)生的是數(shù)字信號，要想得到所需要的波形，就要把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，所以該文選用價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易并具有 8 位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC0832。 DAC0832 主要由 8 位輸入寄存器、 8 位 DAC 寄存器、 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。但實際上， DAC0832 輸出的電量也不是真正能連續(xù)可調(diào)，而是以其絕對分辨率為單位增減，是準模擬量的輸出。 DAC0832 是電流型輸出， 5 在應(yīng)用時外接運放使之成為電壓型輸出。 根據(jù)對 DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和 DAC 寄存器的不同的控制方式， DAC0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。本設(shè)計選用直通方式。 DAC0832 的數(shù)據(jù)口和單片機的 P0 口相連。 CSDA：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器） ，低電平有效； WR：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應(yīng)大于 500ns）有效。由 ILE、 CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生 LE1，當 LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存； 1234567891020191817161514131211P4DAC0832VCCCSDAWRD0VCCD1D2D3D4D5D6D7 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 運算放大電路和低通濾波電路 1234567891020191817161514131211P4DAC0832VCCCSDAWRD0VCC7562411LM32491083411LM32412V10KR25KR112V12V12V100R3104C6D1D2D3D4D5D6D712VOUT112VOUT