【文章內(nèi)容簡介】 的正弦波信號 ,輸入到一個被測的信號處理電路 (功能為正弦波輸入、方波輸出 )，在被測電路輸出端可以用示波器檢驗是否有符合設(shè)計要求的方波輸出。高精度的信號發(fā)生器在計量和校準(zhǔn)領(lǐng)域也可以作為標(biāo)準(zhǔn)信號源 (參考源 )，待校準(zhǔn)儀器以參考源為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)校。由此可看出，信號發(fā)生器可廣泛應(yīng)用在電子研發(fā)、維修、測量、校準(zhǔn)等領(lǐng)域 [5]。 目前我國己經(jīng)開始研制波形發(fā)生器，并取得了可喜的成果。但總的來說，我國波形發(fā)生器還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)。就目前國內(nèi)的成熟產(chǎn)品來看，多為一些 PC儀器插卡，獨立的儀器 和 VXI系統(tǒng)的模塊很少，并且我國目前在波形發(fā)生器的種類和性能都與國外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1）過去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。同時可以利用一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個比較簡 單的公式復(fù)合成 v=f(t)形式的波形方程的數(shù)學(xué) 8 表達(dá)式產(chǎn)生。從而促進(jìn)了波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機(jī)語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言 (如 Visual Basic, Visual C等等 )編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。 （ 2）與 VXI資源結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機(jī)的插卡以及新近開發(fā)的 VXI模塊。由于 VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用 VXI系 統(tǒng)測量產(chǎn)生復(fù)雜的波形， VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā) VXI模塊的周期長，而且需要專門的 VXI機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器 VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。在民用方面， VXI模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺式儀器更為方便。 （ 3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半。 9 第二章 波形的概述 第一節(jié) 矩形波 矩形波被廣泛用于數(shù)字開 關(guān)電路， 矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因為輸出狀態(tài)應(yīng)按一定的時間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時間 [6]。 方波函數(shù)是一種常用的波形函數(shù)，其表達(dá)式為 ： (21) 方波的波形如圖 21 所示 ： 圖 方波波形 10 第二節(jié) 三角波 三角波也叫鋸齒波 ,主要用在 CRT 作顯示器件的掃描電路中 .如示波器 ,顯像管 ,顯示器等 .CRT 是由許多點組成的 .要形成光柵就要有電子束轟擊這些發(fā)光點 .掃描電路分水平和垂直掃描兩種 .可以一行或一幀的對 CRT 進(jìn)行掃描 .電子束從第一行或幀的一端開始掃到另一端 ,馬上返回掃第二行或第二幀，三角波的特點是電壓漸漸增大突然降到零，正好適合用于掃描電路中 [8]。 三角波波形如圖 ： 圖 三角波形 第三節(jié) 正弦波 正弦波即是頻率成分最為單一的一種信號 ，因這種信號的波形是數(shù)學(xué)上的正弦曲線而得名。任何復(fù)雜信號 ——例如音樂信號，都可以看成由許許多多頻率不同、大小不等的正弦波符合而成。我們可以設(shè)一個函數(shù)為 y=sin X，當(dāng) X 分別取 0、 60、 90、 1 150、 180 時， Y 數(shù)值分別為 0、 、 、 、 0。在坐標(biāo)系中畫出對應(yīng)的點就可以得出正弦波的圖像了。該圖像有一個特點，就是周期性變化，例如 X = 0 時， Y = 0， X = 180 時， Y = 0；若 X 取值【 180~360】，則我們可以看到，圖像正好 與原來的相反（在第四象限）。這就是正弦波的圖像了。正弦波是所有波中最普遍常見的波形，也是最容易生成的波形。任何復(fù)雜信號都可以看成由許許多多頻率不同、大小不等的正弦波復(fù)合而成?？? 11 以說是所有波形的基礎(chǔ)。正弦波一般與函數(shù)信號發(fā)生器有關(guān)，與數(shù)控也有關(guān) [7]。 正弦信號與余弦信號，兩者只是在相位上相差 2π，可以統(tǒng)稱為正弦信號。 其一般形式為： f (t)=A sin(ωt+θ ) (22) 式中， A 為振幅， ω 是角頻率 ， θ 為初相位。上述三量是正弦信號的三要素。它的波形見圖 1。正弦信號是周期信號，其周期 T 與頻率 f 及角頻率 ω 之間的關(guān)系為： (23) 正弦波形如圖 所示： 圖 第四節(jié) 波形的產(chǎn)生 波形發(fā)生器可以基于模擬技術(shù)，也可以基于數(shù)字技術(shù)。模擬發(fā)生器利用模擬硬件來產(chǎn)生簡單的函數(shù)，并在需要指定頻率的靜態(tài)正弦波或方波時經(jīng)常使用。而數(shù)字函數(shù)發(fā)生器采用直接數(shù) 字綜合 DDS， DAC，數(shù)字信號處理，以及一個單周期存儲緩沖器來產(chǎn)生信號。 DDS技術(shù)依賴數(shù)字控制的方法，利用單基準(zhǔn)時鐘頻率來實現(xiàn)一個模擬頻率源。 DDS能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高分辨率，高溫度穩(wěn)定度，高寬帶，以及隨機(jī)的和相位連續(xù)的頻率切換 [9]。 12 圖 直接模擬法框圖 這是傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器的簡化基本結(jié)構(gòu)，一般都是由自由振蕩器產(chǎn)生原始波形，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將原始波形轉(zhuǎn)換成其他波形，在上圖中三角波是由振蕩器產(chǎn)生的，方波是三角波通過比較器轉(zhuǎn)變而成的，正弦波是三角波通過一個波形整形電路（正弦波整 形器）演變而來的，所需要波形經(jīng)過放大和衰減輸出，顯然這種方式產(chǎn)生的波形種類有限，每增加一種波形，都要增加相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路，整個電路變得很復(fù)雜，最重要的是要產(chǎn)生用戶所需要的任意波形復(fù)雜的波形幾乎不可能 [10]。 直接數(shù)字法是采用直接數(shù)字合成（ Direct Digital Synthesis）的方法實現(xiàn)信號產(chǎn)生。該技術(shù)具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、易于控制的突出特點。直接數(shù)字合成技術(shù)近年來發(fā)展得很快，而要產(chǎn)生任意波形就必須采用直接數(shù)字很成技術(shù)。隨著 DDS技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的直接數(shù)字合成的 結(jié)構(gòu)，但基本上可以發(fā)成兩種 [11]： （ 1）基于地址計數(shù)器的數(shù)字頻率合成法 （ 2）基于相位累加器的數(shù)字頻率合成法 相位累加器 [12] ： 顧名思意，就是對相位進(jìn)行線性累加的寄存器。這個詞一般在數(shù)字頻率合成器（ DDS）中出現(xiàn)，因為數(shù)字頻率合成時，要想輸出一個波形（比如正弦波）的話，當(dāng)然應(yīng)該輸出一個周期內(nèi)的很多個點才能得到失真的很小的波形，所以時鐘 13 的頻率會是輸出波形頻率的 x 倍。然后時鐘每加一，相位就增加 1/x，然后輸出查表、計算出的瞬時值，再繼續(xù)下一時鐘。當(dāng) x 個周期后，也就輸出得到一個完整的正弦波了。而 這個計數(shù)累加器就是相位累加器 由于直接數(shù)字法在設(shè)計上的的優(yōu)點，本課題設(shè)計采用的是基于地址計數(shù)器的直接數(shù)字合成法 。 14 第三章 方案的設(shè)計 第一節(jié) 信號發(fā)生電路的設(shè)計 方案一：通過單片機(jī)控制 D/A，輸出三種波形。此方案輸出的波形不夠穩(wěn)定，抗干擾能力弱，不易調(diào)節(jié)。但此方案電路簡單、成本低。 方案二：使用傳統(tǒng)的鎖相頻率合成方法。通過芯片 IC145152，壓控振蕩器搭接的鎖相環(huán)電路輸出穩(wěn)定性極好的正弦波，再利用過零比較器轉(zhuǎn)換成方波，積分電路轉(zhuǎn)換成三角波。此方案，電路復(fù)雜，干擾因素多，不易實現(xiàn)。 方案三：利用 MAX038 芯片組成的電路輸出波形。 MAX038 是精密高頻波形產(chǎn)生電路，能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確的三角波、方波和正弦波三種周期性波形。但此方案成本高，程序復(fù)雜度高。 結(jié)合設(shè)計要求、設(shè)計條件限制等方面， 以上三種方案綜合考慮， 由于方案一更方便，所以 選方案一。 第二節(jié) 單片機(jī)的選擇 方案一： AT89S52 單片機(jī)是一種低功耗、高性能 8 位單片微型計算機(jī)。它把構(gòu)成計算機(jī)的中央處理器 CPU、存儲器、寄存器、 I/O 接口制作在一塊集成電路芯片中，從而構(gòu)成較為完整的計算機(jī)、而且其價格便宜。 方案二： C8051F005 單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與 8051兼容的微控制器內(nèi)核，與 MCS51 指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn) 8052 的數(shù)字外設(shè)部件，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，而且執(zhí)行速度快。但其價格較貴 15 以上兩種方案綜合考慮， 由于方案二中 C8051F005 單片機(jī)價格明顯高于AT89S52，所以 選擇方案一。 第三節(jié) 顯示方案 方案一：采用 LED 數(shù)碼管。 LED 數(shù)碼管由 8 個發(fā)光二極管組成，每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視覺暫留特性，當(dāng)每只數(shù)碼管顯示的時間間 隔小于 1/16s 時人眼感覺不到閃動，看到的是每只數(shù)碼管常亮。使用數(shù)碼管顯示編程較易，但要顯示內(nèi)容多，而且數(shù)碼管不能顯示字母。 方案二：采用 LCD 液晶顯示器 1602。其功率小，效果明顯，顯示編程容易控制，可以顯示字母。 以上兩種方案綜合考慮， 由于用 LED 相對要麻煩些，而 1602 編程容易控制，所以本次設(shè)計 選擇方案二。 第四節(jié) 輸入方案 主要用于控制波形的轉(zhuǎn)換，波形顯示的開始和結(jié)束。控制方式有按鍵控制和開關(guān)控制兩種。按鍵較開關(guān)而言，操作更加簡便，故選按鍵控制。 方案一：矩陣式鍵盤。矩陣 式鍵盤的按鍵觸點接于由行、列母線構(gòu)成的矩陣電路的交叉處。當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行和列線都斷開，行線都呈高電平。當(dāng)某一個鍵閉合時，該鍵所對應(yīng)的行線和列線被短路。 方案二：編碼式鍵盤。編碼式鍵盤的按鍵觸點接于 74LS148 芯片。當(dāng)鍵盤上 16 沒有閉合時，所有鍵都斷開，當(dāng)某一鍵閉合時，該鍵對應(yīng)的編碼由 74LS148 輸出。 本次設(shè)計所需按鍵不多，不需要采用復(fù)雜編碼，考慮硬件條件、線路連接和經(jīng)濟(jì)性等方面，選擇方案一。 17 第四章 芯片的介紹 第一節(jié) AT89S52 AT89S52 引腳圖如下所示： 圖 AT89S52 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度 非易失性存儲器 技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時 器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全 18 雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止 [13]。 ●主要性能 與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器； 1000 次擦寫周期； 全靜態(tài)操作： 0Hz33MHz； 三級加密程序存儲器； 32 個可編程 I/O 口線； 三個 16 位定時器 /計數(shù)器； 六個中斷源； 全雙工 UART 串行通道； 低功耗空閑和掉電模式； 1 掉電后中斷可喚醒； 1 看門狗定時器； 1 雙數(shù)據(jù)指針； 1 掉電標(biāo)識符 。 ●引腳說明 P0 口： P0口是一個 8位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8個 TTL 邏 輯電平。對 P0端口寫 “1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0口也被作為低 8位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，