【正文】 1 摘要 本文 以 STC89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)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(shí)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(jì)原理。 本系統(tǒng)可以產(chǎn)生最高頻率 。該信號(hào)發(fā)生器具有體積小、價(jià)格低、性能穩(wěn)定、功能齊全的優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 :低頻信號(hào) 發(fā)生器 。單片機(jī) 。D /A 轉(zhuǎn)換 。 2 1 設(shè)計(jì)選題及任務(wù) 設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 任務(wù)與要求： 設(shè)計(jì)一個(gè)由單片機(jī)控制的信號(hào)發(fā)生器。運(yùn)用單片機(jī)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(hào)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(hào)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(kuò)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(hào)發(fā)生器 ，它 可以同時(shí)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(dá)到輸出頻率覆蓋系數(shù)的要求，且電路復(fù)雜。 方案 三 ： 使用集成 信號(hào)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(jià)格昂貴。 方案 四 ：采用 AT89C51 單片機(jī)和 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成波形， 加上一個(gè)低通濾波器 ，生成的波形比較純凈。它的特點(diǎn)是 可產(chǎn)生任意波形，頻率容易調(diào)節(jié)，頻率能達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)的基本要求 又能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，電路簡(jiǎn)單，易控制，性價(jià)比高，所以采用該方案 . 3 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(gè)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(yán)重的問題，單片機(jī)在做乘法運(yùn)算時(shí)需要很長(zhǎng)的時(shí)間，這樣的話輸出波形的頻率就會(huì)很低，達(dá)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(dāng) DA 的輸入數(shù)字量比較小時(shí)，輸出的波形失真就會(huì)比較嚴(yán)重。 方案二 ：將輸出電壓通過一個(gè)運(yùn)算放大器的放大。這樣還有個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(jì)的基本要求 ，并且電路也挺簡(jiǎn)單。 數(shù)字信號(hào)可以通過數(shù) /模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，因此可通過產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信 號(hào)的方法來獲得所需要的波形。 89C51 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(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)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、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(hào)發(fā)生器構(gòu)成 系統(tǒng)框圖 如 下 圖所示。 單 片 機(jī)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(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(hào)，并從鍵盤接收數(shù)據(jù) ，進(jìn)行各種功能的轉(zhuǎn)換和信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)。當(dāng)數(shù)字信號(hào)電路到達(dá)轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)也就是所需要的輸出波形。 波形 ROM 表是將信號(hào)一個(gè)周期等間距地分離成 64 個(gè)點(diǎn)，儲(chǔ)存在單片機(jī)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 4 3 單元電路設(shè)計(jì)與分析 主控電路 設(shè)計(jì)中主要采用 STC89C51 型單片機(jī)，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：（ 1）擁有完善的外部擴(kuò)展總線，通過這些總線可方便地?cái)U(kuò)展外圍 單元、外圍接口等。（ 2）該單片機(jī)內(nèi)部擁有 4K 字節(jié)的 FLASH ROM 程序存儲(chǔ)器空間和 256 字節(jié)的 RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(fù)使用。如果更改程序內(nèi)容，可將芯片拿下重新燒寫。（ 3） 該單片機(jī)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS－ 51 型機(jī)的指令集和輸出引腳兼容 。 中斷系統(tǒng)是使處理器具有對(duì)外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。當(dāng)中央處理器 CPU 正在 處理某件事的時(shí)候外界發(fā)生了緊急事件，要求 CPU 暫停當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個(gè)緊 急事件。 在波形發(fā)生器中，用兩個(gè)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(gè)死循環(huán)一直輸出一個(gè)默認(rèn)的波形，當(dāng) S1 或 S2 按下又抬起時(shí)，程序會(huì)暫時(shí)跳出死循環(huán)，進(jìn)入中斷處理程序，從而對(duì)波形和頻率進(jìn)行改變。 時(shí)鐘電路。由于頻率較大時(shí)，三角波、正弦波、方波等波中每一點(diǎn)延時(shí)時(shí)間為幾微秒，故延時(shí)時(shí)間還要加上指令時(shí)間即可得到 指定頻率的 波形，該電路用 晶振。 5 12345678RST91011121314151617X218X119GND202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40STC89C52123456789PAIZU10KVCCY1C630PC730PD0P30P31VCCVCC125VD1D2D3D4D5D6D7CSDAWRS1S2S3 主控電路圖 數(shù) /模轉(zhuǎn)換電路 由于單片機(jī)產(chǎn)生的是數(shù)字信號(hào)，要想得到所需要的波形，就要把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，所以該文選用價(jià)格低 廉、接口簡(jiǎn)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(shí)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(duì)分辨率為單位增減，是準(zhǔn)模擬量的輸出。 DAC0832 是電流型輸出，在應(yīng)用時(shí)外接運(yùn)放使之成為電壓型輸出。 根據(jù)對(duì) 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(jì)選用直通方式。 DAC0832 的數(shù)據(jù)口和 單片機(jī)的 P0 口相連。 CSDA：片選信號(hào)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(fù)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(dāng) LE1為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換， LE1的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存； 6 1234567891020191817161514131211P4DAC0832VCCCSDAWRD0VCCD1D2D3D4D5D6D7 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 運(yùn)算放大電路和低通濾波電路 1234567891020191817161514131211P4DAC0832VCCCSDAWRD0VCC7562411LM32491083411LM32412V10KR25KR112V12V12V100R3104C6D1D2D3D4D5D6D712VOUT112VOUT2 LM324 的 5 管腳與 DAC0832 的（ IOUT2） 12 管腳相連， LM324 的 6 管腳與 DAC0832 的（ IOUT1） 11 管腳相連， LM324 的 7 管腳與 DAC0832 的 REF（ 9）管腳相連 . 第一級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將 DAC0832 輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)V1，第二級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將 V1 通過反向放大電路 （ R2/R1）倍。 題目要求輸出的電壓在 05V 可調(diào)，而 V1 的電壓大約是 5V，所以 R1 選擇5K 的電阻， R2 選擇 10K 的電位器，這樣最大的輸出電壓為 5*（ 10/2） =10，最小電壓為 0，可以實(shí)現(xiàn)題目要求的 05V。 在第二個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端連了一個(gè)低通濾波器。如果不加低通濾波 器，也能夠生成波形，但是產(chǎn)生的信號(hào)中毛刺很多，加一個(gè)低通濾波器不僅 起到的濾波的作用，還起到了平滑的作 用。低通濾波器的截止頻率 F=1/(2*pi*R3*C6),這里我們選擇 R3 為 100 歐姆 電阻， C6 為 104 電容，截止頻率 F=16KHZ。實(shí)驗(yàn)表明，此時(shí)的輸出波形 效果 不錯(cuò)。 7 串口 通信電路 通用異步收發(fā)器 (UART)是一種串行接口，一般微處理器中都包含這種外設(shè)接口。異步串行接口提供了一種簡(jiǎn)單的途徑，使兩個(gè)器件無需共享同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)就能進(jìn)行通信。如果再加入一個(gè)合適的電平轉(zhuǎn)換器 MAX232，串口就能能用在 RS232 和 RS485等網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)通信，或者與計(jì)算機(jī)的 COM 端口連接。串口只需兩根信號(hào)線 (RX 和TX)即可實(shí)現(xiàn)，而且只要兩端器件都采用同樣的位格式和波特率，那么它們無需其它任何對(duì)方的信息就可以成功傳輸數(shù)據(jù)。 1234567891110RS2321 23 45 67 89 1011 1213 1415 16U2MAX232P31 P30VCCT1OUTR1INT1OUTR1IN104C5104C1104C2104C3104C4 串口通信電路圖 軟件設(shè)計(jì)上，根據(jù)功能分了幾個(gè)模塊編程。模塊主要有：主程序模塊、外部中斷 0 模塊，外部中斷 1 模塊。 主程序： 主程序先是進(jìn)行一些初始化的工作，然后根據(jù)波形標(biāo)志 a,b,c,d,e 的值進(jìn)入相應(yīng)的 while 循環(huán)。這樣寫的好處是輸出的波形頻率可以 790 多 HZ。在 while 循環(huán)中，單片機(jī)根據(jù)地址標(biāo)志位不停低查表，然后把查得的值賦給 DAC0832 的數(shù)據(jù)口，然后地 址標(biāo)志位加一，并判斷地址標(biāo)志位是否等于 64，如果是就置 0 再往下執(zhí)行，如果不是直接 往下執(zhí)行。然后根據(jù)頻率標(biāo)志位進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)。 8 初 始 化開 始根 據(jù) 地 址 標(biāo) 志 位 查 表w h i l e 循 環(huán)輸 出 數(shù) 字 量 給D A C 0 8 3 2 數(shù) 據(jù) 口根 據(jù) a , b , c , d , e 的 值 進(jìn)