基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計

基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計PAGEPAGEIPAGEI基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計摘要在介紹MAX038芯片特性的基礎(chǔ)上,論述了采用MAX038芯片設(shè)計數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器的原理以及整機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。對其振蕩頻率控制、信號輸出幅度控制以及頻率和幅度數(shù)顯的實現(xiàn)作了較詳細的論述。該函數(shù)信號發(fā)生器可輸出三角波,方波和正弦波。本文重點論述了整機通過D/A轉(zhuǎn)換電路控制MAX038的實現(xiàn)過程，D/A轉(zhuǎn)換電路采用了8位4通道的MAX505來實現(xiàn)。在幅度的控制上采用數(shù)字電位器AD5171，該芯片是I2C總線方式控制，文中給出了I2C總線的讀寫控制程序。系統(tǒng)支持按鍵操作和上位機操作兩種模式。關(guān)鍵詞:函數(shù)信號；D/A；單片機控制DesignofSignalGeneratorSystemBasedonSCMZisuzhou(CollegeofZhangjiajie,JishouUniversity,Jishou,HAbstractBasedontheintroductionofMAX038,wediscussedtheprincipleandthewholeframeofthedigitalfunctionsignalgenerator.Wedescribedthecontroloftheoscillatoryfrequent,amplitudeandthedigitaldisplayindetail.Thegeneratorcanoutputthreekindsofwaves:sinewave,squarewave,trianglewave.Thistexthasexpositionthemirco-computercontrolstheD/Aelectriccircuitofconversionrealizetheprocess.InD/Achangingelectriccircuitadoptthe8bit4channelcometorealize.PorentiometerAD5171isadoptedinthecontroloflength.ThischipisthatI2Cbuscontrolway.Thissystemsupportskey-controlorcomputer-controlmodes.Keywords:functionsignal；D/A；single-chipmicroprocessorcontrol；基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第1頁。目錄基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第1頁。緒論 1第一章 系統(tǒng)概述和設(shè)計方案 21.1 論文的內(nèi)容和組織 21.2方案選擇 21.3信號發(fā)生芯片選擇 21．4方案框圖設(shè)計及基本控制原理 31.5.1頻段控制調(diào)整參數(shù)計算 41.5.2頻率控制細調(diào)參數(shù)計算 51.5.3占空比的數(shù)字控制參數(shù)計算 61.5.4幅度的數(shù)控參數(shù)實現(xiàn) 6第二章系統(tǒng)硬件設(shè)計 82.1系統(tǒng)總體設(shè)計 82.2單片機介紹及外圍電路 82.3D/A轉(zhuǎn)換電路（頻率，占空比控制電路） 102.3.1MAX505的引腳描述 102.3.2MAX505的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理 112.3.3D/A轉(zhuǎn)換電路的電路說明 132.4頻段選擇電路 142.5幅度控制電路 152.6鍵盤電路 172.7電源電路 18第三章系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計 203.1主程序流程圖 203.2頻段處理子程序 213.3頻率處理子程序 213.4幅度處理子程序 22系統(tǒng)分析與總結(jié) 23參考文獻 24附錄 25基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第2頁。基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第2頁。緒論基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計，該課題的設(shè)計目的是充分運用大學(xué)期間所學(xué)的專業(yè)知識，考察現(xiàn)在正在使用的信號發(fā)生器的基本功能，完成一個基本的實際系統(tǒng)的設(shè)計全過程。關(guān)鍵是這個實際系統(tǒng)設(shè)計的過程，在整個過程中我可以充分發(fā)揮自動化的專業(yè)知識。特別是這個信號發(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有特殊功能的信號發(fā)生芯片，可以產(chǎn)生一系列有規(guī)律的幅度和頻率可調(diào)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。在現(xiàn)代社會中，自動化技術(shù)已經(jīng)滲透到社會生活的各個領(lǐng)域中。在超聲波測量技術(shù)中,超聲換能器(發(fā)射換能器和接收換能器)是超聲波檢測技術(shù)的核心部件。高精度、寬頻率范圍、高穩(wěn)定性的激勵源對于發(fā)射換能器及超聲檢測系統(tǒng)性能的改善和提高起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器通常由晶體管、運放IC等分離元件制成。與此相比,基于集成芯片的波形發(fā)生器具有高頻信號輸出、波形穩(wěn)定、控制簡便等特點。其中，信號發(fā)生器是自動化領(lǐng)域中的一個典型應(yīng)用。因為現(xiàn)代的自動化控制中基本都會利用信號來控制設(shè)備的工作。利用信號的產(chǎn)生進行儀器的控制已經(jīng)是自動控制中的一個重要的手段，那么一個幅度、頻率、占空比以及波形可調(diào)的信號發(fā)生器的設(shè)計和完成更具有使用價值。只要將這個信號發(fā)生器設(shè)計的基本思路掌握，不但可以融會貫通所學(xué)的專業(yè)知識還可以在以后工作中利用到，作為用來控制其他設(shè)備或設(shè)計的一個參考。信號發(fā)生器是電子實驗室的基本設(shè)備之一，目前各類學(xué)校廣泛使用的是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，雖然功能齊全、性能指標(biāo)較高，但是價格較貴，且許多功能用不上。本文介紹一種由集成電路MAX038設(shè)計的簡易信號發(fā)生器，該儀器結(jié)構(gòu)簡單，雖然功能及性能指標(biāo)趕不上標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，但滿足一般的實驗要求。其成本低、體積小、便于攜帶等特點，亦可作為電子產(chǎn)品維修人員的重要隨身設(shè)備之一。本文主要分五大部分：緒論、系統(tǒng)概述和設(shè)計方案、硬件部分、軟件部分，總結(jié)。緒論，首先對課題研究背景和所涉及的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域進行了介紹；第一章對系統(tǒng)所要完成的功能和可擴展的功能進行描述，確定系統(tǒng)的設(shè)計方案主要參數(shù)計算，第二章對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各部分組成作了簡要的介紹和講解；第三章是軟件部分，這部分重點介紹了主程序的流程框圖及各個子程序的流程框圖以及I2C的驅(qū)動程序。最后對整篇文章進行了總結(jié)。基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第3頁?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第3頁。系統(tǒng)概述和設(shè)計方案論文的內(nèi)容和組織本文提出并設(shè)計了一種基于AT89S51微處理器控制的MAX038信號發(fā)生芯片的信號發(fā)生器設(shè)計。文中詳細介紹了該系統(tǒng)的原理、構(gòu)成及其設(shè)計方法，著重分析了以美國MAXIM公司生產(chǎn)的高頻信號發(fā)生芯片MAX038為核心的精密多波形高頻函數(shù)信號發(fā)生系統(tǒng)的軟硬件原理，并開發(fā)了基于AT89S51微處理器的軟件程序。本次設(shè)計的基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計就是設(shè)計一個單片機控制系統(tǒng)，對信號發(fā)生芯片進行的控制。通過這個單片機對信號發(fā)生芯片進行精密控制，實現(xiàn)對波形的選擇，頻率、占空比以及波形幅度的控制。這些控制可以通過鍵盤設(shè)定。這就要求對選擇的信號發(fā)生芯片，選用的單片機有初步的了解，并且對整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有個合理地分配。1.2方案選擇方案一：直接利用單片機編程產(chǎn)生三角波，方波，鋸齒波。優(yōu)點：簡化了用于產(chǎn)生波形的硬件和軟件,特別適用于交流感應(yīng)電動機和無刷直流電機的速度控制以及變頻電源的SPWM控制。缺點：編程復(fù)雜，波形失真較大，并且不能達到要求輸出的高頻率信號。方案二：利用單片機控制波形信號產(chǎn)生芯片,通過單片機，鍵盤，LCD顯示實現(xiàn)波形的數(shù)字控制。 優(yōu)點：控制簡單,波形效果好,頻率帶寬。 缺點：硬件電路復(fù)雜。為了滿足設(shè)計要求，取得較好的效果。顯然方案二較為理想。1.3信號發(fā)生芯片選擇基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第4頁。目前，集成化的函數(shù)波形發(fā)生器大多采用ILC8038或5G8038，但它們只能產(chǎn)生300kHz以下的中、低頻的正弦波、矩形波（含方波）和三角波（含鋸齒波），而且頻率與占空比不能單獨調(diào)節(jié)，兩者互相影響，這就給實際應(yīng)用帶來了許多不便。此外，這些芯片的擴展功能較少，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，且無法滿足高頻精密信號源的要求?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第4頁。 美國MAXIM（馬克希姆）公司應(yīng)市場的需求而研制的MAX038型單片集成高頻精密函數(shù)發(fā)生器具有較高的頻率特性、頻率范圍很寬、功能較全、單片集成化、外圍電路簡單、使用方便靈活等特點。1．4方案框圖設(shè)計及基本控制原理 如圖1.1所示，利用單片機AT89C51對主信號發(fā)生芯片進行數(shù)字控制。因為MAX038原是模擬量控制型芯片，所以中間要通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，對MAX038產(chǎn)生的波形信號進行頻率，占空比，幅度的在控制，以及產(chǎn)生波形的選擇控制。圖1.1方案框圖基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第5頁。MAX038的輸出頻率主要受振蕩電容CF,IIN端電流和FADJ端電壓的控制,其中前二者與輸出頻率的關(guān)系如圖1.2所示。選擇一個CF值,對應(yīng)IIN端電流的變化,將產(chǎn)生一定范圍的輸出頻率。另外,改變FADJ端的電壓,可以在IIN控制的基礎(chǔ)上,對輸出頻率實現(xiàn)微調(diào)控制。為實現(xiàn)輸出頻率的數(shù)控調(diào)整,在IIN端和FADJ端分別連接一個電壓輸出的DAC。首先,通過DACB產(chǎn)生0V(00H)到2.5V(0FFH)的輸出電壓,經(jīng)電壓/電流轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò),產(chǎn)生0μA到748μA的電流,疊加上網(wǎng)絡(luò)本身產(chǎn)生的2μA電流,最終對IIN端形成2μA到750μA的工作電流,使之產(chǎn)生相應(yīng)的輸出頻率范圍。DACB將此工作電流范圍分為256級步進間隔,輸出頻率范圍也被分為256級步進間隔。所以,IIN端的電流對輸出頻率實現(xiàn)粗調(diào)。第二步,通過DACA在FADJ端產(chǎn)生一個從-2.3V(00H)到+2.3V(0FFH)的電壓范圍,該范圍同樣包含256級步進間隔,IIN端的步進間隔再次細分為256級步進間隔,從而在粗調(diào)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)微調(diào)。基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第5頁。1.5.1頻段控制調(diào)整參數(shù)計算MAX038的輸出頻率和CF電容與IIN端的電流間的關(guān)系如表1.1所示。固定一個CF值,當(dāng)IIN端的電流從到的變化時,對應(yīng)產(chǎn)生一個頻段的頻率范圍。經(jīng)實驗調(diào)整,我們選擇了一系列的CF如表1.1所示,并確定了各CF所對應(yīng)的頻段和頻率范圍。由于系統(tǒng)通過DAC控制IIN端電流和FADJ端電壓,將各頻段的頻率范圍劃分為65536級間隔,因此各頻段的輸出誤差為圖1.2輸出頻率與IIN電流及振蕩電容CF的關(guān)系另外,由于相鄰頻段之間存在著頻率重疊現(xiàn)象。且考慮到各頻段對應(yīng)的誤差大小不同,因此設(shè)定各頻段的實際起止頻率圍:f3,f4,以期獲得最小的誤差。表1.1輸出波形頻率范圍與CF的關(guān)系表頻段號CFf1(2μA)f2(750μA)Δff3f4110pF200kHz65MHz1kHz600kHz10MHz21nF2kHz650kHz10Hz6kHz600kHz3100nF20Hz6.5kHz0.1Hz60Hz6kHz410μF0.2Hz65Hz0.001Hz0.2Hz60Hz基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第6頁?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第6頁。 在5腳COCS和6腳GND接上電容以后，10腳IIN是頻率控制的電流輸入端，利用恒定電流向電容充電和放電，便可形成振蕩。是受8腳FADJ和7腳DADJ端電壓的控制，振蕩頻率由下式確定。(1.1) 因為我們要求的頻率范圍在0.2Hz～10MHz,分四個頻段來滿足要求，在每個頻段上連續(xù)可調(diào)，由芯片內(nèi)部參數(shù)可知道，當(dāng)時，的容量范圍可以在時，芯片有較好的性能。 因此，有（1.1）式可知(1.2) 當(dāng)時，；當(dāng)時，,為了使數(shù)字控制能夠使實現(xiàn)，我們在D/A轉(zhuǎn)換模塊使用圖5所示的電阻連接方法。當(dāng)數(shù)字量為00H時，輸出為。MAX038的10腳IIN有的電流輸入。當(dāng)數(shù)字量為FFH時，輸出為基準(zhǔn)電壓。MAX038的10腳IIN有的電流輸入。用公式（1.1）（1.2）可以檢驗，確定表1.1所列的電容值可滿足后面頻率產(chǎn)生要求。1.5.2頻率控制細調(diào)參數(shù)計算電阻、電容值選擇和基頻值由表3所列。其中的頻率細分是指當(dāng)基頻確定后由MAX505輸出的電壓的細分值。MAX505接2.5V的基準(zhǔn)電源，其雙極性輸出接到MAX038的FADJ調(diào)整端，通過內(nèi)部的鎖相環(huán)，作為精細的頻率控制。這個電壓從-2.5V變到+2.5V，引起基頻（FADJ是0V時的輸出頻率值）的變化從1.7～0.3倍（即）。當(dāng)MAX505的接收數(shù)據(jù)為FFH時，其頻率輸出值為基頻的30%，當(dāng)數(shù)據(jù)為0時，頻率輸出值為基頻的170%。當(dāng)數(shù)據(jù)加（減）1時其輸出頻率相應(yīng)地加（減）一個細分量。FADJ上的所需的電壓引起輸出偏離為（以%表示），則，以百分比（%）線性相關(guān)地偏離，向0的某一方變化時相應(yīng)地向加或減的方向偏離。FADJ上的電壓所對應(yīng)的頻率由下式給出：(1.3)相應(yīng)MAX505的輸入數(shù)據(jù)為基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第7頁。基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第7頁。(1.4)式中：為要求輸出的頻率；為當(dāng)為0時的基頻。同樣，我們可以知道當(dāng)數(shù)據(jù)D在00H和FFH之間變化的時候，可以調(diào)節(jié)頻率在當(dāng)前頻帶內(nèi)細調(diào)。1.5.3占空比的數(shù)字控制參數(shù)計算MAX038的占空比的調(diào)整有兩種方式，一種時利用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源調(diào)整，另一種是利用外加電源調(diào)整，為使電路簡單，采用第一種調(diào)整方式。在MAX038的DADJ端應(yīng)用一個-2.3V～+2.3V的電壓控制信號,MAX038的DADJ引腳上的電壓可控制波形的占空比(定義為輸出波形為正時所占時間的百分數(shù)），并且能夠改善正弦波的波形，可進行脈沖寬度調(diào)制和產(chǎn)生鋸齒波。當(dāng)接地（即）時，其占空比為50%，占空比的調(diào)整可采用MAX505的一片DAC，輸出±2.3V范圍內(nèi)的電壓，占空比可在10%～90%范圍內(nèi)改變，約每伏改變15%，當(dāng)電壓超過±2.3V將使頻率偏移或引起不穩(wěn)定。為產(chǎn)生一定占空比而加在DADJ上的電壓為：(1.5)對雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)電源為2.3V時，MAX505接受數(shù)據(jù)與占空比的關(guān)系式為：(1.6)其中：為DADJ引腳上的電壓，為占空比。這樣可完成激勵信號的占空比設(shè)置。調(diào)整的充放電時間,在10%～90%的范圍內(nèi)調(diào)整振蕩器輸出的三角波,最終產(chǎn)生失真的正弦波,鋸齒波和脈沖波。這三種波形同時送入混合器,由A0,A1選擇輸出。微處理機通過,經(jīng)比較器3產(chǎn)生-2.3V～+2.3V的調(diào)節(jié)電壓,對占空比實現(xiàn)數(shù)字控制。的每一級步進對應(yīng)著(1.7)和若設(shè)定占空比為,則對應(yīng)的編碼為:1.5.4幅度的數(shù)控參數(shù)實現(xiàn)基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第8頁。 MAX038的輸出幅度為2Vp-p。在輸出端口OUT(19)連接一個放大器,放大輸出信號至5Vp-p,再送入數(shù)字電位器AD5171中,將輸入信號分解成64個等級。微處理機通過控制數(shù)字電位器AD5171,進而控制輸出的衰減量,得輸出幅度的步進量基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第8頁。Δ幅度=5Vp-p/64。 基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第9頁。圖1.3MAX038與D/A模塊的連接基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第9頁。第二章系統(tǒng)硬件設(shè)計依據(jù)MAX038輸出頻率的數(shù)控調(diào)節(jié)原理,配合單片機控制,我們可以實現(xiàn)數(shù)控的函數(shù)信號發(fā)生器。2.1系統(tǒng)總體設(shè)計 整機由圖2.1所示的七大模塊組成，分別是電源產(chǎn)生電路，頻段選擇電路，按鍵電路，單片機外圍控制電路，D/A轉(zhuǎn)換電路（包括信號的占空比，頻率，幅度控制電路）。圖2.1總設(shè)計原理布局圖 基于MAX038的單片機多波調(diào)頻信號產(chǎn)生器主要由單片機AT89C51、MAX038和8位D/A芯片MAX505構(gòu)成，如圖2.1所示。由AT89C51的P2.0和P2.1控制選定波形，MAX505相應(yīng)地接到MAX038的FADJ端和DADJ端，AT89C51通過D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制電壓并以近似線性的規(guī)律來調(diào)制頻率和占空比。除此之外，D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號還要控制MAX038的IIN引腳的電流輸入用來控制頻率的精密調(diào)節(jié)。從單片機的P0口出來的數(shù)據(jù)除了提供給D/A外還與LCD的數(shù)據(jù)口共用。2.2單片機介紹及外圍電路基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第10頁。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元。基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第10頁。AT89C51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶休或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖2.2。外接石英晶體(或陶瓷諾振器)及電容C1,C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1,C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，這里選擇使用石英晶休，我們的電容使用30pF。如使用陶瓷諧振器的話，應(yīng)選擇40pF士10pF的容值的電容。也可以采用外部時鐘。采用外部時鐘的電路的情況時，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。圖2.2單片機外圍電路基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第11頁。如圖中所示，在單片機的I/O口分配上利用率比較高，應(yīng)為I/O資源剛好可以滿足控制設(shè)計的需要，所以不需要另外擴充I/O資源。根據(jù)P0口，P1口，P2口及P3口各自的特點，我們選用P0口作為數(shù)據(jù)口，通過分時復(fù)用的方法分別送數(shù)據(jù)給MAX505的A，B，C通道控制頻率和占空比；送數(shù)據(jù)給LCD1602傳送信息顯示數(shù)據(jù)。選用P1口的P1.0～P1.5做按鍵輸入口。P1.6與P1.7做幅度控制的I2C數(shù)據(jù)輸出口，單片機自身不具備I2C功能，所以要通過軟件控制實現(xiàn)。另外，P2口與P3口做MAX505,MAX038,4052(段選芯片)，的數(shù)據(jù)控制口及片選口。還有P3.0(RXD),P3.1(TXD)做上位機通信口分別接MAX232芯片的OUT輸出IN與輸入引腳?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第11頁。2.3D/A轉(zhuǎn)換電路（頻率，占空比控制電路） MAX505是8位4通道的D/A轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部包含邏輯輸入雙緩沖寄存器，可以允許所有的4路模擬量同時更新，也可以通過控制信號進行異步鎖存輸出。MAX505還含有四個獨立的基準(zhǔn)電壓輸入，允許分別對四路獨立的D/A進行全程的獨立設(shè)置。所有的邏輯輸入可以是TTL或擇是+5V的COMS。2.3.1MAX505的引腳描述 圖2.3是MAX505的封裝圖，MAX505是8位4路D/A轉(zhuǎn)換芯片。24引腳封裝，具體引腳功能詳見表2.1：MAX505引腳功能表。圖2.3MAX505的封裝圖基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第12頁。基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第12頁。表2.1MAX505引腳功能表引腳名稱功能1VOUTBDACB電壓輸出2VOUTADACA電壓輸出3VSS負電壓輸入4VREFDACB基準(zhǔn)電壓輸入5VREFADACA基準(zhǔn)電壓輸入6AGND模擬地7DGND數(shù)字地8LADC選通DAC（低電平有效）9D7數(shù)據(jù)位710D6數(shù)據(jù)位611D5數(shù)據(jù)位512D4數(shù)據(jù)位413D3數(shù)據(jù)位314D2數(shù)據(jù)位215D1數(shù)據(jù)位116D0數(shù)據(jù)位017WR寫輸入（低電平有效）18A1DAC地址選擇位（高位）19A0DAC地址選擇位（低位）20VREFDDACD基準(zhǔn)電壓輸入21VREFCDACC基準(zhǔn)電壓輸入22VDD電源23VOUTDDACD電壓輸出24VOUTCDACC電壓輸出2.3.2MAX505的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理 MAX505內(nèi)含4個獨立的D/A轉(zhuǎn)換電路，每一路都有自己獨自的基準(zhǔn)電壓源輸入引腳，可以通過功能控制引腳WR,A0,A1,LADC分別對每一路進行單獨操作,也可以4路同時更新輸出數(shù)據(jù)?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第13頁。 如圖2.4所示，MAX505內(nèi)部每一路D/A都有數(shù)字輸入的雙緩沖寄存器。他主要有8位輸入鎖存器、8位DAC鎖存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器和選通控制邏輯四部分組成。選通控制邏輯部分是通過地址線引腳A0,A1控制輸入鎖存器的選通，單獨選擇某一路信號輸出?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第13頁。圖2.4MAX505內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖8位輸入寄存器由8個D鎖存器組成，作為輸入數(shù)據(jù)的緩沖器。它的8位輸入數(shù)據(jù)由寫控制輸入引腳WR控制其輸入與鎖存。當(dāng)WR＝1時輸入鎖存器的輸出隨著輸入變化，當(dāng)WR＝0時輸入數(shù)據(jù)被鎖存，通過地址線引腳A0,A1控制輸入鎖存器的選通，單獨選擇某一路信號輸出。功能控制引腳WR,A0,A1,LADC的具體控制狀態(tài)見表2.2所列出。表2.2功能引腳狀態(tài)表LDACWRA1A0所存狀態(tài)HH××輸入和DAC數(shù)據(jù)鎖存HLLLDACA數(shù)據(jù)鎖存LH××4個DAC全部數(shù)據(jù)鎖存LLLLDACA輸入數(shù)據(jù)寄存器4個DAC被鎖HLLHDACB數(shù)據(jù)鎖存HLHLDACC數(shù)據(jù)鎖存HLHHDACD數(shù)據(jù)鎖存基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第14頁?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第14頁。8位DAC鎖存器也是由8個D鎖存器組成的，它的控制端為LDAC。當(dāng)LDAC=1時輸出數(shù)據(jù)隨輸入變化，當(dāng)LDAC=0時將第一級輸出的數(shù)據(jù)鎖存在DAC鎖存器中。8位D/A轉(zhuǎn)換器采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，輸出的是與輸入數(shù)字成比例的電流，需要外接運算放大器，才能得到模擬電壓輸出。2.3.3D/A轉(zhuǎn)換電路的電路說明 如圖2.5所示，我們用+2.5V做MAX505的基準(zhǔn)電源。我們選用了MAX505的3路D/A輸出分別控制MAX038的DADJ,FADJ和IIN引腳，在前面我們知道MAX038的DADJ和FADJ引腳要求輸入的電壓信號時在-2.3V～+2.3V之間，IIN的輸入要求是0μA～750μA的電流。通過一個轉(zhuǎn)換電路將MAX505的輸出是0～2.5V的電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓電流。 在MAX038的DADJ端應(yīng)用一個-2.3V～+2.3V的電壓控制信號,MAX038的DADJ引腳上的電壓可控制波形的占空比(定義為輸出波形為正時所占時間的百分數(shù)），并且能夠改善正弦波的波形，可進行脈沖寬度調(diào)制和產(chǎn)生鋸齒波。用DACA通道做為DADJ的模擬輸入。輸出0～2.5V電壓 當(dāng)時，（2.1） 當(dāng)時，（2.2） 在MAX038的FADJ端選擇DACB通道，同樣的接法可以實現(xiàn)-2.3V～+2.3V的電壓控制信號。 在MAX038的IIN端選擇DACC通道，需要的模擬控制量是0μA～750μA的電流，用DACC通道做為IIN的模擬輸入。輸出0～2.5V電壓當(dāng)時，（2.3）當(dāng)時, 這樣就實現(xiàn)了所需要的模擬量的輸入，D/A轉(zhuǎn)換圖如圖2.5所示。 基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第15頁。 在前面式子中用到的2.74V電壓是利用的MAX038的內(nèi)部2.5V的基準(zhǔn)源產(chǎn)生的，示意接線圖如圖1.3所示,根據(jù)結(jié)點法原理得下式：基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第15頁。（2.4）圖2.5D/A轉(zhuǎn)換電路圖2.4頻段選擇電路MAX038的輸出頻率和CF電容與IIN端的電流間的關(guān)系如圖1.2。固定一個CF值,當(dāng)IIN端的電流從到的變化時,對應(yīng)產(chǎn)生一個頻段的頻率范圍。如表1.1所示的選用的電容值分別為,,,。 我們選用多路開關(guān)CD4052做為切換不同電容所需要用的芯片器件。多路開關(guān)CD4052的選通控制如表2.3所示，每當(dāng)S1，S2出于不同的的組合狀態(tài)的時候，可以同時選通兩路開關(guān)AxBx,因此采用如圖2.5所示的連接方式可以實現(xiàn)將電容連接到5腳COCS上?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第16頁?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第16頁。表2.3CD4052功能狀態(tài)表輸入狀態(tài)選通渠道ENBALES1S2LLLA0B0LLHA1B1LHLA2B2LHHA3B3HXX都選不通 在5腳COCS和6腳GND接上電容以后，10腳IIN是頻率控制的電流輸入端，利用恒定電流向電容充電和放電，便可形成振蕩。例如：當(dāng)S1S2是HL時，A2B2通道被選通，電容C9被連接在MAX038的5腳COCS上。圖2.6頻段選擇電路2.5幅度控制電路 該部分電路主要有放大器電路和數(shù)字電位器電路兩部分組成，其中放大器部分電路的作用是將MAX038產(chǎn)生的電壓波形2Vp-p放大為5Vp-p，數(shù)字電位器電路的作用是為了實現(xiàn)產(chǎn)生的電壓波形在-5V～+5V之間數(shù)字可調(diào)?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第17頁。 美國模擬器件公司推出一次性編程(OTP)數(shù)字電位計系列產(chǎn)品AD5171，具有接口，用來讀/寫滑片位置，而OTP性能則能永久設(shè)定滑片的位置。工作溫度范圍為-40℃到+125℃之間，溫度系數(shù)為35ppm/℃，工作電壓在2.7至5.5V之間，工作電流不大于5A。AD5171是64滑點的數(shù)字電位計?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第17頁。I2C[Inter-IntegratedCircuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性?？偩€的構(gòu)成及信號類型是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。總線必須由主器件(通常為微控制器)控制，主器件產(chǎn)生串行時鐘(SCL)控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。當(dāng)SCL保留高電位同時SDL變低時傳送開始。這個開始狀態(tài)之后，時鐘信號變低來啟動數(shù)據(jù)傳送。在每一個數(shù)據(jù)位，時鐘位在確保數(shù)據(jù)位正確時變高電平。在每一個8位數(shù)據(jù)的結(jié)尾發(fā)送一個確認信號，而不管它是地址還是數(shù)據(jù)。在確認時，傳送端不會把SDL變?yōu)榈碗娖剑绻_接收到了數(shù)據(jù)允許接收端把電位變?yōu)?。確認信號后，當(dāng)SCL處于高電平時SDL從低變?yōu)楦撸甘緮?shù)據(jù)傳送停止。I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，因為地址碼的作用各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關(guān)。

I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。

開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。

結(jié)束信號：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。

應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應(yīng)答信號，CPU接收到應(yīng)答信號后，根據(jù)實際情況做出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應(yīng)答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。 接口的設(shè)計也大大提高了芯片的利用效率，我們利用AT89C51的P1.6,P1.7腳就可以控制數(shù)據(jù)對模擬量進行數(shù)字控制。在I2C總線的應(yīng)用中應(yīng)注意的事項總結(jié)為以下幾點:

①嚴格按照時序圖的要求進行操作；

②若與口線上帶內(nèi)部上拉電阻的單片機接口連接，可以不外加上拉電阻；基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第18頁。

③程序中為配合相應(yīng)的傳輸速率，在對口線操作的指令后可用軟件延時程序加一定的延時；基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第18頁。

④為了減少意外的干擾信號將EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)改寫可用外部寫保護引腳（如果有），或者在EEPROM內(nèi)部沒有用的空間寫入標(biāo)志字，每次上電時或復(fù)位時做一次檢測，判斷EEPROM是否被意外改寫。圖2.7幅度控制電路2.6鍵盤電路 鍵盤用的是上拉電阻，選通接地的形式。 KEY0鍵功能：三角波，正弦波，矩形波的循環(huán)選擇。 KEY1鍵功能：頻段，頻率，占空比，幅度的控制的循環(huán)選擇。 KEY2鍵功能：選定的控制對象步進量增。 KEY3鍵功能：選定的控制對象步進量減。 KEY4鍵功能：選擇確定。 KEY5鍵功能：選擇不確定（即返回）。基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第19頁。例如產(chǎn)生一個正弦波的控制方式：在開始界面用KEY0鍵選擇正弦波，用KEY4鍵確定進入頻率，占空比，幅度的控制的循環(huán)選擇界面，首先用KEY1鍵來選擇頻率，KEY4鍵確定進入，然后用KEY2和KEY3鍵來實現(xiàn)頻率步進的增值或減值，數(shù)值確定后KEY4鍵確定，然后KEY5鍵返回到頻率，占空比，幅度的控制的循環(huán)選擇界面，用KEY2鍵來選擇占空比，KEY4鍵確定進入，然后用KEY2和KEY3鍵來實現(xiàn)占空比步進的增值或減值，數(shù)值確定后KEY4鍵確定，然后KEY5鍵返回到頻率，占空比，幅度的控制的循環(huán)選擇界面，用KEY2鍵來選擇幅度，KEY4鍵確定進入，然后用KEY2和KEY3鍵來實現(xiàn)幅度步進的增值或減值，數(shù)值確定后KEY4鍵確定。基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第19頁。圖2.8鍵盤電路2.7電源電路 根據(jù)整機要求，電源電路應(yīng)為信號產(chǎn)生電路提供5V電壓，其中±5V電壓需要穩(wěn)壓輸出，為此選用了7815，7915兩種三端集成穩(wěn)壓器，這種三端固定電壓輸出式集成穩(wěn)壓器，使用簡單，價格較低，且由于內(nèi)部具有過壓過流保護，使整機的電源電路穩(wěn)定，性能可靠。外接9V交流電輸入，經(jīng)絕對值電路，然后濾波通過7805，7905產(chǎn)生±5V的直流電壓。電源部分電路圖如圖2.9所示。圖2.9電源電路圖基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第20頁。基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第20頁。2.8通訊電路單片機作為主控制器，控制MAX038芯片產(chǎn)生信號，，除此之外，單片機還與上位PC機進行通訊，把頻率值發(fā)送到PC機上。PC機串行接口采用的是RS232電平標(biāo)準(zhǔn)，而AT80C51單片機的管腳是TTL電平，因此，要實現(xiàn)單片機與PC機的通訊的話，必須要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換選擇美國美信公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232.其接口電路如圖基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第21頁。圖2.10MAX232接口電路基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第21頁。第三章系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計3.1主程序流程圖基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第22頁。圖3.1主程序流程圖基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第22頁。根據(jù)以上流程圖可以利用六個按鍵來實現(xiàn)波形的所有參數(shù)的控制，當(dāng)然這里只是給出的一種可行的設(shè)計方案，。3.2頻段處理子程序 該子程序通過控制譯碼電路選擇不同的容值的電容，并且通過參數(shù)計算將頻段號保存下來。通過控制CD4051的雙路開關(guān)選擇電容圖3.2頻段處理子程序流程圖3.3頻率處理子程序基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第23頁。 該子程序通過控制MAX038的FADJ引腳和IIN引腳的電壓電流的變化來控制基頻內(nèi)的頻率控制與調(diào)解。根據(jù)參數(shù)計算在選擇的基頻的基礎(chǔ)上，通過控制FADJ引腳的電壓在±2.3V之間變化可以改變頻率在基頻的30％～70％之間浮動。再通過控制IIN引腳的電流在2μA～750μA之間變化可以精細控制頻率改變。在D/A轉(zhuǎn)換模塊使用圖5所示的電阻連接方法。當(dāng)數(shù)字量為00H時，輸出為。MAX038的10腳IIN有的電流輸入。當(dāng)數(shù)字量為FFH時，輸出為基準(zhǔn)電壓。MAX038的10腳IIN有的電流輸入?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第23頁。圖3.3頻率處理子程序流程圖3.4幅度處理子程序 該子程序通過I2C總線法方式控制AD5171芯片，AD5171作為數(shù)字電位器可以對±5V的電壓進行分壓?？梢詫⒎仍凇?V間的電壓信號進行衰減得到幅度可控制的波形。I2C的控制子程序見附錄。圖3.4幅度處理子程序流程圖基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第24頁。基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第24頁。系統(tǒng)分析與總結(jié)采用MAX038芯片制作函數(shù)信號發(fā)生器隨設(shè)計思想不同,具有多種方法,本文只是一種可能實現(xiàn)的方法。此法的頻率控制和幅度控制分辨率高，且硬件集成度高,整機自動化程度高,性能優(yōu)良,具有很高的實用價值。基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第25頁。 同時該信號源設(shè)計尚存在的不足之處，主要有兩個方面，第一為缺乏頻率準(zhǔn)確顯示的手段，可以配備相應(yīng)的數(shù)字頻率計模塊，但如何將顯示的精度與信號源的頻段配合有待討論研究；第二為輸出級可配以顯示輸出幅度的儀表，并且放大電路有待進一步改進，使其具有更強的輸出能力?；趩纹瑱C的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第25頁。參考文獻[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)[M].北京:高等教育出版社.1998，20～23[2]張友德等.單片微型機原理、應(yīng)用與實驗[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社.1993，10～11[3]陳澤宗等.單片精密函數(shù)發(fā)生器應(yīng)用[J].電子技術(shù)報，1997，20(7)：3～4[4]常新等.高頻信號發(fā)生器原理,維修與鑒定[M].北京:電子工業(yè)出版社,1996,12～13[5]謝嘉奎,宣月清.電子線路[非線性部分][M].北京:高等教育出版社,1988，112～113[6]張肅文.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社,1984，50～51[7]解月珍等.信號產(chǎn)生電路[M].北京:電子工業(yè)出版社,1994，11～13[8]黃曉林.測控應(yīng)用中若干重要電路的設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,1991,5～8[9]肖瑞珠等.小型HDTV碼流發(fā)生器設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,2003,66～78[10]陳文峰.基于虛擬儀器檢測系統(tǒng)[J].單片機應(yīng)用,2003，23(10)：78～80基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第26頁。[11]江太輝等.高頻波形發(fā)生器的特性[J].信息技術(shù)報,1999，19(7)：10～31基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計全文共31頁，當(dāng)前為第26頁。附錄I2C的單片機軟件控制程序/*VIICC.H*/#pragmadbcdsmall#include<intrins.h>#include<reg51.h>#defineNOPnop();nop();nop();nop()#defineSDAP1^7#defineSCLP1^6voidsta();voidcack();voidstop();voidmn