【文章內容簡介】 示的內容較多，過多增加數(shù)碼管的個數(shù)顯然不可行，進行輪流顯示則控制復雜，此外，數(shù)碼管需要較多連線，使電路復雜，功耗比較大。 方案二，采用帶字庫的液晶模塊 LCD12864 顯示。可以顯示字符、圖片，利用單片機直接驅動液晶顯示模塊，設計簡單，且顯示界面寬大美觀舒適，耗電小。 綜上所述，本設計要顯示的內容較多，所以選擇方案二，采用 LCD12864實時顯示波形的型類、頻率、占空比和幅度等功能。（6）電源模塊的設計方案論證與選擇方案一，采用升壓型穩(wěn)壓電路。用兩片 MC34063 芯片分別將 3V 的電池電壓進行直流斬波調壓，得到+5V 的穩(wěn)壓輸出。只需使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池又減小系統(tǒng)體積重量，但該電路供電電流小，供電時間短，無法保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運作。 方案二，采用環(huán)形變壓器，與普通變壓器相比激磁能量和鐵心損耗將減少25%，電效率高達 95%以上，漏磁小，電磁輻射小，振動噪聲小，無需另加屏蔽層來屏蔽電磁干擾，適合用在高靈敏度和易受高頻影響的電子設備上。加上三端固定穩(wěn)壓器獲得177。5V 電源，+5V 用 LM7805 輸出，5V 用 LM7905 輸出，先在變壓器的輸出段用一個用整流二極管組成的整流橋整流，再用電容濾掉高頻成分，這樣就可以獲得一個紋波系數(shù)小、穩(wěn)定的電壓。綜上所述，選擇方案二，采用環(huán)形變壓器三端穩(wěn)壓器電路。 系統(tǒng)組成經過以上方案的比較和論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖 所示。4*4鍵盤輸入全部用作功能鍵，單片機通過 CD4051 控制頻段范圍，在選擇的頻段范圍內通過設定的按鍵步進調節(jié)就可以得到需要的信號，頻率數(shù)值設定在 10～ 20MHz 范圍內直接送到 LCD12864 顯示。圖 系統(tǒng)組成框圖4*4 鍵盤電路12864 顯示電路MAX038 波形發(fā)生電路A/D 采樣電路CD4051 頻率選擇電路AT89C52輸出信號放大電路D/A 轉換電路電路硬件電路設計 單片機最小系統(tǒng)設計單片機的復位電路由電容串聯(lián)電阻構成，由電容電壓不能突變的性質， 可以知道，當系統(tǒng)一上電，RST 腳將會出現(xiàn)高電平， 并且， 這個高電平持續(xù)的時間由電路的 RC 51 單片機當 RST 腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位， 所以， 適當組合 RC 的取值就可以保證可靠的復位。單片機的震蕩電路為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。單片機最小系統(tǒng)電路如圖 所示。 單片機最小系統(tǒng)電路 MAX038 波形發(fā)生器電路MAX038 的外圍電路如圖 所示，引腳 A0、A1 接單片機 I/O 口，引腳COSC 接電容選擇電路的 X 引腳，引腳 REF 是輸出正 電壓，用作控制占空比的 D/A 轉換器的基準電壓輸入， IN 引腳是頻率控制引腳，通過一個 25K電阻與 D/A 轉換器輸出端相連。若負載是容性較大的負載，則 MAX038 的輸出端與一個 50Ω 的電阻相連。由于 MAX038 的輸出信號為恒定的 2V（PP） ， 且輸出電流不高，所以必須依靠輸出級的放大電路來提供足夠的輸出電壓和電流，由放大電路和 A/D 轉換芯片組成數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)則可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣。所以設計應該滿足以下要求：(1) 首先，要求放大電路具有很高的頻寬。因為輸出信號最大基頻為20MHz，起三角波和矩形波的高次諧波成分很高，只有高頻寬才能得到不失真 圖 MAX038 外圍電路圖的輸出波形。(2) 其次，高頻大信號放大要求放大電路有足夠的輸出電壓轉換速率。(3) 另外，要帶動低阻負載，放大電路的電流輸出能力也是個重要參數(shù)。要在 100 的負載上輸出 6V 信號，則放大器至少要有 60mA 的連續(xù)電流輸出能?力。 CD4051 模擬開關電路單片機通過控制模擬開關 CD4051 來選擇 FC的電容量，從而確定頻率范圍。本系統(tǒng)共有 8 個頻段供切換，輸出頻率范圍與 的對應關系如下表 所示。表 輸出頻率范圍與 F的對應關系波段 C電容值 頻率范圍1 100μF ～2Hz2 10μF 2Hz～20Hz3 1μF 20Hz～200Hz4 200Hz～2KHz5 2KHz～20KHz6 1000pF 20kHz～200KHz7 100pF 200kHz～2MHz8 20pF 2MHz～20MHz圖 CD4051 模擬開關電路CD4051 模擬開關電路如圖 所示。CD4051 相當于一個單刀八擲開關，開關接通哪一通道，由輸入的 3 位地址碼 ABC 來決定。此外，CD4051 還設有另外一個電源端 VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的 CMOS 電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關，并使這種多路開關可傳輸峰－峰值達 15V 的交流信號 D/A 轉換電路D/A 轉換電路由 2 片 MAX517 及外圍電路組成，分別與 MAX038 的 IN引腳和 DADJ 引腳相連，如圖 所示，其中與 DADJ 相連的 D/A 轉換器是雙極性輸出。為了保證 D/A 轉換器總線在空余方式為高電平，所以接上拉電阻。另 MAX517A 為調節(jié)占空比輸出，所以要用雙極性接法，運算放大器采用的是MAX414 是美信公司的 4 路輸出精密運算放大器。 D/A 模塊轉換選用 2 路用于雙極性輸出正負電壓的轉換。 信號輸出模塊設計輸出信號采樣電路模塊設計由一片 MAX414 和 TLC549 構成，分別與單片機 、 和 腳連接，如圖 所示，其中 MAX414 將輸出 模擬信號 圖 D/A 轉換電路圖 輸出信號采樣電路放大，模擬輸入信號（ANALOG IN）經過 TLC549 內部采樣/保持器至 8bit 逐次比較式 A/D 轉換器。片選控制端（CS，低有效）和輸入/輸出時鐘端（I/O CLOCK）與獨立的內部系統(tǒng)時鐘通過內部邏輯控制電路，實現(xiàn)外部接口與內部的數(shù)據(jù)傳輸，通過單片機從而實現(xiàn)波形幅度的控制。 LCD12864 顯示電路采用帶字庫的點陣圖形液晶模塊 LCD12864，可以顯示漢字、字符和圖形等。且功耗很低，顯示效果美觀。LCD12864 的 D0～D7 接單片機 P0 口，RS、 RW 和 LCDEN 分別接 、 和 口?？烧{電阻 RP21 用來調節(jié)LCD 顯示屏的亮度。PSB 接高電平，表示這里采用的是并行數(shù)據(jù)控制方式。顯示電路如圖 所示。圖 LCD12864 顯示電路 4*4 矩陣鍵盤輸入電路 輸入電路模塊采用 4*4 矩陣鍵盤輸入，如圖 所示。行列分別與單片機的 P1 口連接。 按鍵設置在行、列線的交點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。鍵盤具體劃分如下：第一行主要功能是占空比調節(jié)，有微調加 粗調減粗調加 占空比 50%；第二行主要功能是頻率的調節(jié)，有頻段選擇，微調加 1，粗調加 10，微調減 1；第三行實現(xiàn)其他功能，有波形選擇，幅度刷新。先輸入功能鍵然后按照要求執(zhí)行程序。其中 D2 是選擇 MAX038 產生的波形，D1 是計算和輸出頻率，D0 是控制波形占空比， 圖 4*4 矩陣鍵盤輸入電路系統(tǒng)軟件設計及分析 主程序設計開始程序初始化調用顯示子程序檢查是否有鍵按下頻率調節(jié)波形選擇 占空比調節(jié)選擇相應的電容送CD4051波形輸出設置 A1A2 根據(jù)公式計算VDADJ送 D/A 電路NY 圖 主程序流程圖主程序首先是對程序進行初始化，比如 AT89C52 的初始化，輸出波形、頻率占空比的初始化，然后不斷的檢查是否有有效鍵按下，并根據(jù)不同情況對其處理，其中頻率的調節(jié)則相對復雜，首先要根據(jù)鍵入的鍵值確定輸出波形的基頻，從而確定所對應的值，再求出微調電壓，最后把值送到 CD4051，選擇相應波形并送 LED 顯示。其主程序的流程圖如圖 所示。 A/D 轉換程序 子程序設計進行多通道 A/D 轉換的時候，首先切換到通道 1 并進行第一次轉換，等待轉換結束，再次啟動轉換，等待轉換結果，讀取 ADC 結果。然后切換到通道 2并進行第一次轉換，操作過程與通道 1 相同，依次再切換到通道 3，4 等通道，最終完成所有通道的轉換。A/D 轉換程序的流程圖如圖 所示。 Y N開始采集參數(shù)設置啟動采集采集結束？獲取采集參數(shù)顯示圖形、數(shù)據(jù)循環(huán)采集？結束YN開始掃描鍵盤消抖是否有鍵按下？輸出按鍵值YN退出圖 A/D 轉換程序流程圖 圖 鍵盤掃描子程序 按鍵掃描子程序設計在開始掃描發(fā)現(xiàn)有鍵按下時，先進行消抖，防止由于按鍵振動導致誤判。然后依次判斷第一排鍵和第二排鍵中哪個鍵按下，第三排和第四排中哪個鍵按下，當判斷其中某一個鍵按下，立即輸出返回值。按鍵掃描程序流程圖如圖 所示。檢測鍵盤上有無鍵按下可采用查詢工作方式、定時掃描工作方式和中斷。系統(tǒng)調試及數(shù)據(jù)處理 電路調試整個系統(tǒng)硬件的調試過程中，主要做了以下硬件調試：（1）在顯示電路中，加上了一個 10K 的精密可調電阻，這樣可以調節(jié)液晶模塊的亮度。（2）D/A 轉換電路中，為了保證 D/A 轉換器總線在空余方式為高電平，兩個 DA 轉換器都要的數(shù)據(jù)線和時鐘線都接上拉電阻與電源相連，并加一個去耦電容。（3）MAX038 的模擬電源和數(shù)字電源需要分開，供電時加上電容去耦，同樣模擬地和數(shù)字地的處理也要慎重，PCB 板上要用低阻地平面分別將模擬地和數(shù)字地連接，再在某點連接兩地。（4）在信號采樣電路的的運算放大器的 1 腳和 2 腳并接一個 330P 電容，這樣，這樣能是輸出波形更加正確。 系統(tǒng)軟件調試系統(tǒng)軟件調試是通過程序調節(jié)從而使電路系統(tǒng)更好的工作，以期得到更接近準確的數(shù)據(jù)，從而使電路工作輸出更精確，更接近實際。本設計主要做了以下軟件調試：（1）在頻率處理時，由于電路本身設計不足和外界的干擾，致使LCD12864 顯示的頻率與用數(shù)字示波器觀察得到的頻率有一定的差別，但通過一組組的數(shù)據(jù)觀察和比較，發(fā)現(xiàn)了其中的誤差規(guī)律，一次次對數(shù)據(jù)進行記錄、統(tǒng)計、分析、總結，進行了一次次的糾正，從而減小了誤差。（2）在 D/A 轉換控制占空比的過程中，由于要取得雙極性輸出，需要用到兩個運算放大器，在這過程中會損耗部分電壓，這就使得理論計算得到的電壓在輸入 MAX038 的 DADJ 引腳時不準確。因此占空比的輸出也會有誤差，為了減少誤差需要在軟件調試中加上所測得的損耗的電壓，這樣達到輸出的占空比誤差減小到最低。（3）延時消除鍵抖動，就是說一旦發(fā)現(xiàn)有鍵按下，就延時 25ms 以后再測按鍵的狀態(tài)。這樣就避免按鍵發(fā)生抖動的那一段時間，使 CPU 能可靠的讀按鍵的狀態(tài)。鍵盤掃描中應防止誤按按鍵的情況。這種情況的發(fā)生通常是由于鍵掃描速度和鍵處理速度較快，當某一個按下的鍵還未松開時，鍵掃描程序和鍵處理程序就執(zhí)行了。為了防止發(fā)生這種情況，在鍵掃描程序中不僅要檢測是否有按鍵按下，在有鍵按下的情況，作一次鍵處理，而且在鍵處理完畢后，還應檢測按下的鍵是否松開，只有當按下的鍵松開以后，程序才往下執(zhí)行。這樣每按一個鍵，只作一個鍵處理，使兩者達到同步，消除按一次按鍵有多次鍵值輸入的錯誤情況。 數(shù)據(jù)處理 硬件電路完成后，對數(shù)據(jù)進行整理，用數(shù)字示波器顯示的頻率和振幅作為真實值(A0)，波形發(fā)生器 LCD12864 顯示的頻率和振幅作為測量值 (Ax)，對兩者進行觀察、記錄、統(tǒng)計、分析，我們發(fā)現(xiàn)，誤差總是呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化。下面對兩者顯示的各個頻段的的數(shù)據(jù)的比值(a=A0/Ax)、絕對誤差( △A=A0Ax) 、相對誤差(r= △ A/A0)進行總結：表 頻率數(shù)據(jù)處理總結數(shù)據(jù)處理總結頻段 測量頻率的范圍（單位：Hz）比值（a） 相對誤差（r）1 1～ 21 2 16～ 230 3 99～ 2065 4 470～ 19500 5 83550～ 203360 6 21140～ 1263000 （1）由表 統(tǒng)計可得頻率平均相對誤差：（++++++）/7= （式 ）（2）振幅（不加負載時）平均相對誤差：。當負載變化時（負載變化范圍：100Ω～∞） ，輸出電壓幅度變化在誤差允許范圍內（≤177。3%） ，證明了波形發(fā)生器的穩(wěn)幅輸出功能。波形發(fā)生器的頻率數(shù)據(jù)統(tǒng)計時我們采用粗調增加的方式讀取數(shù)據(jù)，每一頻段都讀取 25 個數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。比值（a）和相對誤差（r）剔除壞值后再取平均值。對數(shù)據(jù)統(tǒng)計時，特別在 1KHz 以下的頻率，示波器顯示的數(shù)據(jù)中最后一位或兩位一般都不穩(wěn)定，采取估讀的方式來讀取數(shù)據(jù)，這樣獲得的數(shù)據(jù)和真是值之間存在一定的誤差。通過眾多數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果，可以證實波形發(fā)生器的誤差很小，在設計要求的誤差允許范圍內，符合設計要求，能比較真實的反映情況。 設計結果 經過反復調試，本設計主要完成了以下功能：（1）能產生正弦波、方波、三角波、等幾種周期性波形，并且可通過調節(jié)變形成其它相關波形。 （2）輸出波形的頻率范圍為 1Hz～20MHz；可以通過鍵盤進行步進粗調和微調頻率，通過外部中斷可同步調節(jié)頻率，具有在低頻部分調節(jié)步進小，在高頻部分大的特點。（3）占空比在 10%～90%范圍內，可通過鍵盤進行步進粗調和微調，以及占空比 50%可以一鍵調節(jié)。 （4）輸出波形幅度范圍為 ～（峰峰值）