【文章內(nèi)容簡介】 訊等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。信號(hào)發(fā)生器的基本功能是可以提供符合一定技術(shù)指標(biāo)要求的電信號(hào)，其波形、頻率、幅值均可以調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器電路的方案很多，其特點(diǎn)也不同，主要有模擬電路實(shí)現(xiàn)方案、數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)方案和模數(shù)混合實(shí)現(xiàn)的方案。 采用單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的信號(hào)發(fā)生器 該方案的主要思路是采用編程的方法來產(chǎn)生希望得到的波形，用戶將要輸出的波形預(yù)先存儲(chǔ)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中，在需要某種波形時(shí)將儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)依次讀出來，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波等處理后，輸出該波 形的信號(hào)。該方案優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)任意波形的信號(hào)容易，可通過外置按鍵或鍵盤來設(shè)定所需要產(chǎn)生信號(hào)源的類型和頻率，還可以通過顯示器顯示出波形的相關(guān)信息。不足之處是由于單片機(jī)的處理數(shù)據(jù)的速度有限，當(dāng)產(chǎn)生頻率比較高的信號(hào)時(shí)，輸出波形的質(zhì)量將下降。 利用直接數(shù)字頻率合成 （ DDS） 集成芯片實(shí)現(xiàn)的信號(hào)發(fā)生器 隨著大規(guī)模集成電路制作技術(shù)的發(fā)展，采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的信號(hào)產(chǎn)生集成芯片應(yīng)用越來越廣泛。 DDS 集成芯片內(nèi)部主要由相位累加器、波形存儲(chǔ)器、高速 D/A 轉(zhuǎn)換器等環(huán)節(jié)組成，在時(shí)鐘 脈沖的控制下，相位累加器對(duì)輸入的頻率控制字不斷進(jìn)行累加得到相應(yīng)的相位碼，同時(shí)相位碼序列作為地址信號(hào)去尋址波形存儲(chǔ)器進(jìn)行相位碼到幅度碼的轉(zhuǎn)換，并輸出不同的幅度編碼。這一系列不同的幅度編碼經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的階梯電壓信號(hào)，最后經(jīng)過低通濾波器平滑，即可輸出相應(yīng)的信號(hào)。一般集成 DDS 芯片內(nèi)部時(shí)鐘脈沖的頻率固定，其相位累加器位數(shù)也不變，所以只需改變頻率控制字即可實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率的變化。利用 DDS 集成電路設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器具有輸出頻率高，頻率穩(wěn)xxxx 大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 定度高，輸出頻率分辨率高，易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)，是目前設(shè)計(jì)高精度、高 性能信號(hào)發(fā)生器的首選方案。目前典型的 DDS 集成芯片有 AD9850、 AD985AD9852 和 AD9834 等。 利用專用函數(shù)發(fā)生器集成電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)發(fā)生器 利用集成函數(shù)發(fā)生器專用芯片可以方便的實(shí)現(xiàn)多種波形的輸出，而且外圍電路簡單，調(diào)試容易。例如早期的函數(shù)發(fā)生器集成芯片有 ICL803 BA20XR2206/2207/2209 等，這些芯片的不足時(shí)輸出信號(hào)的頻率不高，最大僅有幾百kHz，調(diào)節(jié)方式不靈活，頻率和脈沖信號(hào)的占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)。 MAX038 是美國 MAXIM 公司推出的新一代單片函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 ， MAX038 內(nèi)部含有精密帶隙電壓參考、鑒相器和 TTL同步輸出，可以采用較少的外部元件構(gòu)成一臺(tái)高頻函數(shù)發(fā)生器，也可單獨(dú)用作電壓控制振蕩器、頻率調(diào)制器、脈寬調(diào)制器、鎖相環(huán)、頻率合成器和 FSK信號(hào)發(fā)生器，它的主要特點(diǎn)有： ~20MHz 的輸出頻率調(diào)節(jié)范圍， 350： 1的掃頻范圍， 10%~90%的占空比調(diào)節(jié)范圍，可以輸出正弦波、方波、矩形波、三角波、鋸齒波等波形，且頻率和占空比調(diào)節(jié)互不影響，是目前較為理想的函數(shù)發(fā)生器集成芯片。 采用分立器件組成的信號(hào)發(fā)生器 過去傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生一般采用這種方式，該方案 一般采用集成運(yùn)算放大器外加電阻、電容等元件，構(gòu)成方波、三角波發(fā)生器，然后將三角波信號(hào)或方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成正弦波信號(hào)輸出；也可以直接采用 RC 正弦波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)。該方案的缺點(diǎn)是輸出信號(hào)頻率較低，輸出的波形質(zhì)量差，輸出頻率調(diào)節(jié)范圍小，電路復(fù)雜且體積大。 綜合考慮成本、復(fù)雜程度、技術(shù)要求等各種因素，選擇了單片機(jī)控制雙 DA 技術(shù)完成頻率的改變這種方案。 第二節(jié) 頻率改變 方案 方案一：單片機(jī)控制 DA 產(chǎn)生波形均是由查表產(chǎn)生，查表頻率的改變可導(dǎo)致送至 DA 的數(shù)據(jù)端得點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離變化，點(diǎn)與點(diǎn)距離的變化后，波 形的周期將發(fā)生變化，也就是波形的頻率改變了。因此控制單片機(jī)的查表頻率即可實(shí)現(xiàn)頻率的步進(jìn)。其優(yōu)點(diǎn)是能夠很 方便的改變頻率；其缺點(diǎn)是對(duì)單片機(jī)查表頻率的精度要求較高，且隨著 頻 率 增高而提高。 xxxx 大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 方案二： 單片機(jī)控制計(jì)數(shù)器的初值 。其優(yōu)點(diǎn)是解除了單片機(jī)對(duì)查表頻率精度的要求；其缺點(diǎn)是當(dāng) DA 的輸出頻率高于 100Hz 時(shí)，每改變一個(gè)計(jì)數(shù)頻率引起輸出頻率的增加或者減少的頻率都大于 100Hz。對(duì)計(jì)數(shù)器的位數(shù)要求較高（至少需要 10 位），且由于受到 VCO的振蕩頻率的影響輸出頻率失真度增加。 綜合方案一和方案二的優(yōu)缺點(diǎn)， 本文采用了 在低頻時(shí)控制 單片機(jī)的查表頻率從而改變輸出頻率，在高頻時(shí)改變計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值 來改變 頻率 的方法 從而較完美地 實(shí)現(xiàn)要求。 第三節(jié) 本章小結(jié) 本章主要介紹了本設(shè)計(jì)的具體方案，本設(shè)計(jì)采用雙 DA 技術(shù)來生成波形，在頻率控制方面，本設(shè)計(jì)采用控制單片機(jī)查表的頻率和改變計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值相結(jié)合的方法。 xxxx 大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng) 設(shè)計(jì)非常重要的一部分，這關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，每一個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都關(guān)系到整體 。本章將詳細(xì)地介紹系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、 DA 轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯 示模塊和按鍵控制模塊等。 第一 節(jié) 各模塊 硬件 設(shè)計(jì) 一、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) 總體框圖如圖 所示： 圖 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)總體款圖主要包括以下幾個(gè)部分： 單片機(jī)部分： 本設(shè)計(jì)選用 AT89C51 單片機(jī)作為控制核心。 DA 轉(zhuǎn)換部分：本設(shè)計(jì)采用 2 塊 DAC0832 芯片，其中一塊的輸出用于另一塊 DA的基準(zhǔn) 基準(zhǔn)電壓部分：第一塊 DA的 基準(zhǔn)電壓通過 MC1403 芯片來實(shí)現(xiàn)。 顯示部分：本設(shè)計(jì)采用 LCD1602 來顯示波形的類型、幅值的大小、頻率的大小。 鍵盤部分：本設(shè)計(jì)采用 3 個(gè)獨(dú)立按鍵來控制波形類型的 選擇、幅值大小的改變及頻率大小的改變。 xxxx 大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 二、 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)以 AT89C51 單片機(jī)為核心，要使 AT89C51 單片機(jī)正常工作，必須滿足它的基本條件，這就是最小工作系統(tǒng)，如圖 ： 圖 AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng) 最小工作系統(tǒng)包括如下幾部分： 電源：單片機(jī)使用的是 5V 電源，其中正極接 40 引腳（ Vcc），負(fù)極接 20 引腳（ GND）。 晶振電路： 晶振是晶體振蕩器的簡稱， 單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須提供脈沖信號(hào)才能正常工作。 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1和 C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 ，電容值約為 30μF 。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。單 片機(jī)內(nèi)部已經(jīng) 集成了振蕩器；使用晶體振蕩器，接 18（ XTAL2）、19（ XTAL1）腳。只要買來晶振、電容，按圖接上即可。 xxxx 大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 復(fù)位電路： 單片機(jī)復(fù)位電路 是指 單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)啟運(yùn)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。 單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計(jì)數(shù)器 PC＝ 0000H，這表明程序從 0000H 地址單元開始執(zhí)行。單片機(jī)冷啟動(dòng)后，片內(nèi) RAM為隨機(jī)值，運(yùn)行中的復(fù)位操作不改變片內(nèi) RAM 區(qū)中的內(nèi)容， 21 個(gè)特殊 功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)為確定值，見表 。 表 寄存器復(fù)位后狀態(tài)表 特殊功能寄存器 初始狀態(tài) 特殊功能寄存器 初始狀態(tài) A B PSW SP DPL DPH P0—P3 IP IE 00H 00H 00H 07H 00H 00H FFH ***00000B 0**00000B TMOD TCON TH0 TL0 TH1 TL1 SBUF SCON PCON 00H 00H 00H 00H 00H 00H 不定 00H 0********B 按圖中畫法連好 9腳（ RST），單片機(jī)即可上電初始化。 復(fù)位電路的工作原理是：通電時(shí)，電容兩端相當(dāng)于是短路，于是 RST 引腳上為高電平，然后電源通過電阻對(duì)電容充電， RST 端電壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，時(shí)間不少于 5ms。復(fù)位后單片機(jī)才開始正常工作。 EA 引腳： 31引腳一般接到正電源端。 三 、 8 位 DA轉(zhuǎn)換器 DAC0832 ○ 1 DAC0832 芯片 引腳介紹 DAC0832是雙列直插式 8位 D/A轉(zhuǎn)換器。能完成數(shù)字量輸入到模擬量 (電流 )輸出的轉(zhuǎn)換。圖 分別為 DAC0832 的引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。其主要參數(shù)如下：分辨率為 8位 ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1μs ，滿量程誤差為 177。1LSB ，參考電壓為 (+10～ 10)V，供電電源為 (+5～ +15)V，邏輯電平輸入與 TTL 兼容。從圖 4中可見，在 DAC0832 中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的允xxxx 大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 許鎖存信號(hào)為 ILE，第二級(jí)鎖存器稱為 DAC 寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào) /XFER。 圖 中，當(dāng) ILE為高電平，片選信號(hào) /CS 和寫信號(hào) /WR1 為低電平時(shí)，輸入寄存器控制信號(hào)為 1，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當(dāng) /WR1 由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)成為低電平，此時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存 到輸入寄存器中，這樣輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù) DB 的變化而變化。 對(duì)第二級(jí)鎖存來說，傳送控制信號(hào) /XFER 和寫信號(hào) /WR2 同時(shí)為低電平時(shí)，二級(jí)鎖存控制信號(hào)為高電平， 8位的 DAC 寄存器的輸出隨輸入而變化，此后，當(dāng) /WR2 由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑谑菍⑤斎爰拇嫫鞯男畔㈡i存到 DAC 寄存器中。 圖 DAC0832 引腳圖 圖 ： (1)、 DI7～ DI0： 8 位的數(shù)據(jù)輸入端， DI7為最高位。 (2)、 IOUT1：模擬電流輸出端 1，當(dāng) DAC 寄存器中數(shù)據(jù)全為 1 時(shí)，輸出 電流最大，當(dāng) DAC 寄存器中數(shù)據(jù)全為 0 時(shí)，輸出電流為 0。 (3)、 IOUT2：模擬電流輸出端 2， IOUT2 與 IOUT1 的和為一個(gè)常數(shù)，即 IOUT1＋ IOUT2＝ 常數(shù)。 (4)、 RFB：反饋電阻引出端， DAC0832 內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以 RFB 端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間。 (5)、 VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個(gè)正電壓，也可接一個(gè)負(fù)電壓，它xxxx 大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 決定 0 至 255 的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度， VREF 范圍為(+10～ 10)V。 VREF 端與 D/A 內(nèi)部 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。 (6)、 VCC：芯片供電電壓，范圍為 (+5~15)V。 (7)、 AGND：模擬量地，即模擬電路接地端。 (8)、 DGND：數(shù)字量地。 圖 DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ○ 2 DAC0832 的工作方式 DAC0832 可處于三種不同的工作方式： （ 1） 直通方式 ：當(dāng) ILE 接高電平， CS、 WR WR2 和 XFER 都接數(shù)字地時(shí)， DAC處于直通方式， 8 位數(shù)字量一旦到達(dá) DI7～ DI0 輸入端，就立即加到 8 位 D/A轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成模擬量。例如在構(gòu)成波形發(fā)生 器的場合，就要用到這種方式，即把要產(chǎn)生基本波形的數(shù)據(jù)存在 ROM中，連續(xù)取出送到 DAC去轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。 （ 2） 單緩沖方式 ：只要把兩個(gè)寄存器中的任何一個(gè)接成直通方式，而用另一個(gè)鎖存器數(shù)據(jù)， DAC 就可處于單緩沖工作方式。一般的做法是將 WR2 和 XFER都接地，使 DAC 寄存器處于直通方式，另外把 ILE 接高電平， CS接端口地址譯碼信號(hào)， WR1 接 CPU 的 WR 信號(hào)，這樣就可以通過一條 MOVX 指令，選中該端口，使 CS 和 WR1 有效，啟動(dòng) D/A 轉(zhuǎn)換。 （ 3） 雙緩沖方式 ：主要在以下兩種情況下需要用雙緩沖方式的 D/A 轉(zhuǎn)換。 需xxxx 大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 在程序的控制下，先把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入輸入緩存器，然后在某個(gè)時(shí)刻再啟動(dòng) D/A轉(zhuǎn)換。這樣，可先選中 CS端口，把數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；再選中 XFER 端口，把輸入寄存器內(nèi)容寫入 DAC寄存器，實(shí)現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換。在需要同步進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換的多路 DAC 系統(tǒng)中，采用雙緩沖方式，可以在不同的時(shí)刻把要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)打入