基于單片機的信號發(fā)生器完整電路程序

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798.6HZ的波形。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; 更多資料請登錄 中科網(wǎng) 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)

2、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?；疽螅?.產(chǎn)生三種以上波形。如正弦波、三角波、矩形波等。 2.最大頻率不低于 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。 3.幅度可調(diào)，峰峰值在05V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2.1方案論證和比較211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（

3、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(fù)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

4、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.212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(yán)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(dāng)DA的輸入數(shù)字量比較小時，輸出的波形失真就會比較嚴(yán)重。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。2.2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

5、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。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(dāng)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

6、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)+1283單元電路設(shè)計與分析3.1.1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(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

7、機與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51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(dāng)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(dāng)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(dāng)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

8、形，該電路用11.0592MHz晶振。 主控電路圖3.1.2 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(zhǔn)模擬量的輸出。DAC0832是電流型輸出，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

9、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(dāng)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；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路3.1.3運算放大電路和低通濾波電路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.第一級運算放大

10、器的作用是將DAC0832輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號V1，第二級運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0-5V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，可以實現(xiàn)題目要求的0-5V。在第二個運算放大器的輸出端連了一個低通濾波器。如果不加低通濾波器，也能夠生成波形，但是產(chǎn)生的信號中毛刺很多，加一個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

11、F=16KHZ。實驗表明，此時的輸出波形效果不錯。3.1.4 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單的途徑，使兩個器件無需共享同一個時鐘信號就能進行通信。如果再加入一個合適的電平轉(zhuǎn)換器MAX232，串口就能能用在RS232和RS485等網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)通信，或者與計算機的COM端口連接。串口只需兩根信號線(RX和TX)即可實現(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方的信息就可以成功傳輸數(shù)據(jù)。串口通信電路圖3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計上，根據(jù)功能分了幾個模塊編程。模塊主要有：主程序模塊、外部中斷0模

12、塊，外部中斷1模塊。主程序：主程序先是進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)志位進行相應(yīng)的延時。主程序流程圖中斷服務(wù)程序：本程序中兩個外部中斷分別起到了控制波形和頻率的作用。在程序中還加入了消抖部分。4安裝調(diào)試及測量數(shù)據(jù)分析4.1調(diào)試過程;1 不通電，用萬用表根據(jù)電路圖仔細檢查各線路連接是否正常。2

13、 首先是調(diào)試單片機部分，DA和運算放大器芯片不接。用STC_ISP_V483軟件通過串口下程序。看是否可以正常下程序。3當(dāng)可以正常下程序時，給51單片機下一個讓所有I/0口一會兒輸入0，延時，再輸出1，以此類推。用萬用表測量各I/O口得電壓是不是一會兒高，一會兒低。4安上DA和運算放大器芯片，給單片機下一個輸出正弦波的測試程序，通過示波器看輸出是否正常。5 給單片機下一個完整的程序，分別按下S1，看波形是否改變。按下S2，看頻率是否改變。4.2頻率的測量數(shù)據(jù)： 單位：HZ周期T2T3T4T5T6T7T8T理論值798.6399.3266.2199.7159.7133.1114.199.8實際值

14、798.6399.6266.5199.9159.9133.3114.299.94.3出現(xiàn)的問題與解決的方法：1.調(diào)試單片機的串口時，發(fā)現(xiàn)不能正常的下程序。我想可能是單片機壞了借了一塊學(xué)習(xí)板測試了一下單片機芯片，發(fā)現(xiàn)可以正常下載。這說明很可能是MAX232的電路出了問題。我仔細查看了電路圖，又上網(wǎng)查了下其他的MAX232的電路圖，發(fā)現(xiàn)我的電路圖和別人的不一樣。我是按照郭天翔的那本新概念51單片機C語言教程 入門、提高、開發(fā)、拓展全第130頁的串口電路畫的圖，電路圖中MAX232的TIOU1接串口的第3腳。而其他書上有些電路圖卻是MAX232的TIOU1接到了串口的第2腳。于是我將MAX232的T

15、IOU1接串口的第2腳，再下程序，終于可以正常下載了。2剛開始寫的測試程序輸出的波形失真很大。我想可能是波形的ROM表里的數(shù)據(jù)值過小，導(dǎo)致DA輸出的誤差很大。因而臥將波形的ROM表里的數(shù)據(jù)值調(diào)大，在測試時發(fā)現(xiàn)波形變得好多了。3.調(diào)試波形的時候我發(fā)現(xiàn)矩形波的失真比較大。我想到可能是低通濾波器的截止頻率太低了，因而我將RC低通濾波器的電阻由1K換成了100歐姆，效果好了很多。4.4系統(tǒng)仿真波形：矩形波鋸齒波正弦波4.5效果分析：由4.2的頻率理論值與實際值，可知頻率在T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,8T上頻率誤差很小。最終的波形輸出效果也很不錯。4.6測量儀器示波器 直流穩(wěn)壓電源萬用表5結(jié)

16、束語基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計，這個信號發(fā)生器的設(shè)計中涉及到一個典型的控制過程。通過單片機控制一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC0832產(chǎn)生所需要的電流，然后使用運算放大器LM324可以將其電流輸出線性地轉(zhuǎn)換成電壓輸出，再將電壓經(jīng)過運算放大器的放大，可以得到足夠幅度的信號。通過程序的控制，可以產(chǎn)生一系列有規(guī)律的波形。這樣一個信號發(fā)生裝置在控制領(lǐng)域有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用范圍。最終做出來的信號發(fā)生器滿足了題目中的所有要求：1.產(chǎn)生五種波形。正弦波、三角波、矩形波、梯形波，鋸齒波。 2.最大頻率為798.6HZ。并且頻率可按按1T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,8T變化。3.幅度可調(diào)，峰峰值在05V之間變化。 當(dāng)

17、然還是存在不足的地方，比如不能實現(xiàn)頻率的按一個小的步進調(diào)整。并且當(dāng)頻率太小時矩形波會有些失真。信號發(fā)生器可以生成更多的波形，只需要再加些波形表即可。在這里得感謝學(xué)校為我們提供個這樣一個實踐的機會，當(dāng)然還得感謝實驗室指導(dǎo)老師們的細心指導(dǎo)。參考文獻：1 郭天翔.新概念51單片機C語言教程 入門、提高、開發(fā)、拓展全.北京.電子工業(yè)出版社 2009.12 童詩白.模擬電路技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2000.171202.附錄1：總電路圖12 中科網(wǎng)附錄2：源程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit cs

18、da=P22;sbit wr=P21;sbit s1=P32;sbit s2=P33;uchar k=0,p=0,delay=0;uchar bxxz=0;pinglv=0;uchar a=1,b=0,c=0,d=0,e=0;uchar code sin64=135,145,158,167,176,188,199,209,218,226,234,240,245,249,252,254,254,253,251,247,243,237,230,222,213,204,193,182,170,158,146,133,121,108,96,84,72,61,50,41,32,24,17,11,7,3,

19、1,0,0,2,5,9,14,20,28,36,45,55,66,78,90,102,114,128;uchar code juxing64=255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0;uchar code juchi64=0,4,8,12,16,20,24,

20、28,32,36,40,45,49,53,57,61,65,69,73,77,81,85,89,93,97,101,105,109,113,117,121,125,130,134,138,142,146,150,154,158,162,166,170,174,178,182,186,190,194,198,202,206,210,215,219,223,227,231,235,239,243,247,251,255;uchar code tixing64=0,13,26,39,52,65,78,91,104,117,130,143,156,169,182,195,208,221,234,247

21、,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,247,242,229,216,203,190,177,164,151,138,125,112,99,86,73,60,47,34,21,8;uchar code sanjiao64=0,8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,120,128,136,144,152,160,168,176,184,192,200,208,216,224,232,240,24

22、8,248,240,232,224,216,208,200,192,184,176,168,160,152,144,136,128,120,112,104,96,88,80,72,64,56,48,40,32,24,16,8,0;void delay1()int a,b;for(a=1;a0;a-)for(b=122;b0;b-);void int0() interrupt 0EX0=0;delay1();if(s1=0)bxxz+;if(bxxz=5)bxxz=0;switch(bxxz)case 0 :a=1,b=0,c=0,d=0,e=0;break;case 1 :a=0,b=1,c=0,d=0,e=0;break;case 2 :a=1,b=0,c=1,d=0,e=0;break;case 3 :a=0,b=0,c=0,d=1,e=0;break;case 4 :a=0,b=0,c=0,d=0,e=1;break;delay1();while(!