（精選）基于單片機(jī)的全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)設(shè)備技術(shù)網(wǎng)   時(shí)間:2010-4-13來(lái)源：電子技術(shù)網(wǎng)    作者：工業(yè)設(shè)備常用頻率量信號(hào)作為采集量，如使用光電編碼器采信數(shù)據(jù)，當(dāng)調(diào)試使用頻率信號(hào)的設(shè)備時(shí)，由于機(jī)械等部份還未動(dòng)作，無(wú)法采集信號(hào)，因此需要使用信號(hào)發(fā)生器。對(duì)于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備，其要求與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備并不相同，如果直接使用實(shí)驗(yàn)室中所用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，往往會(huì)覺(jué)得其體積過(guò)大、價(jià)格太高、使用較麻煩等。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備，其絕對(duì)精度要求并不高，關(guān)鍵要穩(wěn)定可靠，便于攜帶和使用。一、性能分析這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是替代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的頻率采樣裝置，典型的如光電編碼

2、器。通過(guò)調(diào)查，確認(rèn)最終要制作的信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)如下：頻率范圍：01Hz，以0.1Hz步進(jìn)，1500Hz，以1Hz步進(jìn)；波形：矩形波或方波均可；精度：頻率值的相對(duì)誤差不超過(guò)±1%；功能：（1）信號(hào)發(fā)生，信號(hào)發(fā)生器以給定的頻率輸出信號(hào)；（2）脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，儀器可對(duì)本身已發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；（3）設(shè)定值可存儲(chǔ)，每次上電自動(dòng)調(diào)出前次設(shè)定值。二、初步設(shè)計(jì)在確定了性能指標(biāo)后，可以進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，考慮其顯示、操作等方面的要求。1、顯示部分待設(shè)定的頻率值最高為500HZ，只要3位數(shù)碼管即可；要求對(duì)輸出脈沖計(jì)數(shù)，雖未給出要求的計(jì)數(shù)值，但3位數(shù)碼管最大僅能計(jì)到999，似乎太少了一些，再考慮到該儀器

3、以后的擴(kuò)展，如希望以后能加一些高端點(diǎn)頻（600、700、800、900、1000、2000、5000、10K等），需要更多的數(shù)碼管顯示，因此最終選擇5位數(shù)碼管顯示。2、鍵盤(pán)部分鍵盤(pán)有很多方案可供選擇，如工業(yè)品中常用的三鍵或四鍵方案，當(dāng)然也可以用多鍵（如市售有一些標(biāo)準(zhǔn)的12或16鍵鍵盤(pán)）等，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較，考慮到易制作、易使用等等諸多因素，最終將鍵的個(gè)數(shù)確定為5個(gè)。鍵盤(pán)操作方案是儀器易用性的很重要的一個(gè)方面，這并非儀器的關(guān)鍵部分，但鍵盤(pán)、顯示程序的工作量往往占據(jù)整個(gè)設(shè)計(jì)的很大的一部份。對(duì)鍵盤(pán)設(shè)計(jì)，重要的是要確定各按鍵功能，描述出各鍵的具體操作。本儀器的鍵設(shè)計(jì)如下：1工作狀態(tài)描述由轉(zhuǎn)換鍵切換兩種狀態(tài)

4、（1）顯示設(shè)定的頻率值（2）顯示脈沖個(gè)數(shù)值2鍵定義切換鍵增加鍵減少鍵開(kāi)啟/停止鍵清除鍵3鍵操作描述切換鍵：切換兩種工作狀態(tài)增加和減少鍵：在顯示設(shè)定頻率值時(shí)按，按增加鍵、減少鍵設(shè)定頻率，范圍為0.1500HZ，每按一次增加鍵，設(shè)定值加1，如果按著鍵不放，稍后進(jìn)入連續(xù)狀態(tài)，設(shè)定值快速增加；按減少鍵，設(shè)定值減1，如果按著鍵不放，稍后進(jìn)入連續(xù)狀態(tài)，設(shè)定值快速減少。當(dāng)頻率設(shè)定值小于1以后，每按一次增加或減少鍵，設(shè)定值增加或減少0.1。開(kāi)啟/停止鍵：開(kāi)始/停止信號(hào)發(fā)生清除鍵：用于清除當(dāng)前脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)值。4工作過(guò)程開(kāi)機(jī)后，信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)運(yùn)行，有信號(hào)輸出，按下“開(kāi)啟/停止”鍵，則信號(hào)發(fā)生器停止工作，沒(méi)有信號(hào)

5、輸出，再次按下“開(kāi)啟/停止”鍵，則信號(hào)發(fā)生器又開(kāi)始工作，繼續(xù)輸出信號(hào)。信號(hào)燈用于指示信號(hào)發(fā)生器工作還是停止，當(dāng)有信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，信號(hào)指示燈閃爍，信號(hào)發(fā)生器暫停工作時(shí)，信號(hào)指示燈滅。三、硬件電路的設(shè)計(jì)在確定了性能指標(biāo)、操作方案后，可以開(kāi)始設(shè)計(jì)，首先要確定信號(hào)產(chǎn)生的方式。該信號(hào)發(fā)生器的絕對(duì)精度指標(biāo)不高，但是其要求的最低頻率低至0.1HZ，而最高分辨也要求達(dá)到0.1HZ，如果采用模擬技術(shù)難以達(dá)到，或需要付出較高代價(jià)才能做到?？紤]到儀器的最高輸出頻率僅為500HZ，而且只需要提供要方波或矩形波，所以采用單片機(jī)做成全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器。在有了這一設(shè)計(jì)思想之后，需要確定該方案是否可行，該方案準(zhǔn)備采用單片機(jī)的定時(shí)器

6、產(chǎn)生信號(hào)，由于定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間只能是整數(shù)，因此，不可避免會(huì)在一些頻率點(diǎn)上產(chǎn)生誤差，為此，用Excel對(duì)計(jì)數(shù)值、真實(shí)頻率值作了測(cè)算，部分表格如表1和表2所示，經(jīng)過(guò)測(cè)算表明，當(dāng)采用12M晶振時(shí)，絕對(duì)誤差最大約0.12HZ（492Hz處），相對(duì)誤差最大約0.024%（492Hz處），可以滿足要求，因此決定采用這一方案。當(dāng)然，這僅是理論值，考慮到單片機(jī)定時(shí)中斷的響應(yīng)時(shí)間等因素，實(shí)際的誤差肯定要比這個(gè)計(jì)算值大，但是要達(dá)到±1%的精度要求并不難，而其長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性取決于晶振的穩(wěn)定度，并且晶振頻率的變化引起的輸出頻率的變化也很微小，因此其長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性也很好。 以下是部份測(cè)算的表格，完

7、整的表格在本期光盤(pán)Excel文件中。表1較高頻率算法理論頻率 t(ms) 真實(shí)頻率 絕對(duì)誤差 相對(duì)誤差10 100000 10 0.00E+00 0.00E+0011 90909 11.00001 1.00E-06 9.09E-0812 83333 12.00005 4.00E-06 3.33E-0713 76923 13.00001 1.00E-06 7.69E-0814 71429 13.99992 -6.00E-06 -4.29E-0715 66667 14.99993 -5.00E-06 -3.33E-0716 62500 16 0.00E+00 0.00E+0017 58824 16

8、.99986 -8.00E-06 -4.71E-0718 55556 17.99986 -8.00E-06 -4.44E-0719 52632 18.99985 -8.00E-06 -4.21E-0720 50000 20 0.00E+00 0.00E+00表1較低頻率算法f(hz) t(ms) 次數(shù) 頻率值 誤差 相對(duì)誤差0.1 10000000 5000 0.1 0.00E+00 0.00E+000.2 5000000 2500 0.2 0.00E+00 0.00E+000.3 3333333 1667 0.29994 -2.00E-04 -6.67E-040.4 2500000 1250

9、 0.4 0.00E+00 0.00E+000.5 2000000 1000 0.5 0.00E+00 0.00E+000.6 1666667 833 0.60024 4.00E-04 6.67E-040.7 1428571 714 0.70028 4.00E-04 5.72E-040.8 1250000 625 0.8 0.00E+00 0.00E+000.9 1111111 556 0.899281 -7.99E-04 -8.88E-04在確定了信號(hào)發(fā)生的方式以后，綜合初步設(shè)計(jì)中提出的一些技術(shù)指標(biāo)要求，進(jìn)一步確定具體的實(shí)施方案。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，顯示部分由單片機(jī)的P0口與P2口直接驅(qū)動(dòng)；

10、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則采用串行EEPROM；信號(hào)由單片機(jī)的一個(gè)I/O口輸出，并經(jīng)驅(qū)動(dòng)后輸出。經(jīng)過(guò)上述的設(shè)計(jì)后，可以確定這個(gè)儀器的框圖如圖1所示。 原理框圖出來(lái)后，選擇一款合適的機(jī)殼，然后綜合考慮按鍵、數(shù)碼管的安裝方式，以便進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)計(jì)。數(shù)碼管和按鍵必須安裝在印板上才能安裝到面板上，數(shù)碼管與單片機(jī)的連線較多，5位數(shù)碼管，需要13根線，再加上按鍵的連線共有19根，如果將單片機(jī)放在另一塊板上，必然要用大量導(dǎo)線與鍵盤(pán)顯示板連接，而大量的連線是我們不愿意做的，這不僅使得安裝困難，而且線易折斷造成故障，因此干脆將單片機(jī)也裝在同一塊板上，只留下電源和輸出電路放在另一塊板上，這樣，兩塊板間只需3根引線即可，

11、大大降低了裝配困難，也減少了故障隱患。整個(gè)設(shè)計(jì)的原理圖，如圖2和圖3所示。其中圖2是主板圖，提供了包括數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)等在內(nèi)的大部份功能。從圖中可以看到，該電路主要由這樣幾部份組成：（1）數(shù)碼管顯示部份，由單片機(jī)及相關(guān)外圍電路構(gòu)成5位數(shù)碼管顯示電路；（2）按鍵部份，按設(shè)計(jì)共有5個(gè)按鍵；（3）EEPROM存儲(chǔ)器，這里選擇I2C接口的AT24C01A芯片；（4）一只LED指示燈；（5）輸出管腳。以上分別需要單片機(jī)片機(jī)的13、5、3、1、1個(gè)引腳，因此，單片機(jī)共要用到23只管腳。引腳數(shù)量確定后，即可初步確定主芯片的型號(hào)，這里選用40引腳的AT89C51單片機(jī)。如果編程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部資源（如片內(nèi)RAM

12、、ROM、定時(shí)器等）不夠，可以更換為89C52等其他單片機(jī)，比較靈活。圖3是電源、輸出部分，從圖中可以看出，儀器的輸出接口采用兩種方式，即集電極開(kāi)路（OC門(mén)）方式和射極輸出方式，其中OC門(mén)方式是很多以頻率信號(hào)為輸出的儀器的標(biāo)準(zhǔn)輸出方式，如光電編碼器、霍爾開(kāi)關(guān)等?；趩纹瑱C(jī)的全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)設(shè)備技術(shù)網(wǎng)   時(shí)間:2010-4-13全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的硬件部分就介紹到這里，下一期將介紹程序的編寫(xiě)。圖2    本儀器的程序主要由鍵盤(pán)、顯示程序、AT24C01A讀寫(xiě)程序、信號(hào)產(chǎn)生程序等部分組成。以下對(duì)部分功能作一些分析。一、鍵盤(pán)程

13、序本儀器需要調(diào)整的數(shù)值范圍較大，因此，“增加”和“減少”鍵必須具有快速連加和快速連減的功能，否則調(diào)整速度太慢。這種鍵盤(pán)可以用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一個(gè)正確的程序結(jié)構(gòu)，圖1是一種實(shí)現(xiàn)方法的流程圖。 圖1流程圖程序工作時(shí)，不斷地掃描鍵盤(pán)，第一次掃描到有鍵按下后如常規(guī)鍵盤(pán)一樣，進(jìn)行鍵值處理，處理完畢，不等待鍵盤(pán)釋放，直接退出鍵盤(pán)程序。當(dāng)又一次執(zhí)行到鍵盤(pán)程序，如果檢測(cè)到鍵還被按著，就不再直接去鍵值處理程序，而是將一個(gè)計(jì)數(shù)器加1，直接返回主程序，如此循環(huán)，直到計(jì)數(shù)到一個(gè)定值（如500，表示鍵盤(pán)程序已被執(zhí)行了500次），如果鍵還被按著，說(shuō)明用戶有連加（或連減）要求，程序即將計(jì)數(shù)器減去一個(gè)數(shù)

14、值（如30），然后進(jìn)行鍵值處理。這樣，以后鍵盤(pán)程序每執(zhí)行30次，就執(zhí)行一次鍵值處進(jìn)程序，實(shí)現(xiàn)了第一次啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，以后快速連續(xù)動(dòng)作的要求。如果檢測(cè)到鍵已被釋放，則清除所有標(biāo)志，將計(jì)數(shù)器清零，準(zhǔn)備下一次按鍵處理。程序開(kāi)始時(shí)定義了兩個(gè)常量：Qdsj和Ljsj，如下所示const  uint  Qdsj=500; /*與首次啟動(dòng)連加（減）功能的時(shí)間有關(guān)*/const  uint  Ljsj=30;  /*與連加（減）的速度有關(guān)*/這兩個(gè)常量與第一次啟動(dòng)及連加、減的速度有關(guān)，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況試驗(yàn)后確定。下面

15、是部分鍵處理程序，注意其中這兩個(gè)變量的使用。void Key()/*鍵處理*/             if(!KeyValue)                無(wú)鍵按下，清除一切標(biāo)志退出         &#

16、160;      if(KeyMark)     /*第一次檢測(cè)到按鍵嗎?*/           KeyCounter+;   /*不是第一次(KeyMark已是1了)*/            if(Qdsj=KeyCoun

17、ter) /*連續(xù)按著已有Qdsj次了*/               KeyCounter-=Ljsj; /*減去Ljsj次*/             KeyProcess(KeyValue,1);   /*鍵值處理*/      &#

18、160;                     else return     /* 如果按著還沒(méi)有到Qdsj*/                else /

19、*第一次檢測(cè)到有鍵按下*/          mDelay(10);     /*延時(shí)10毫秒*/再次檢測(cè)            if(!KeyValue) 清除一切標(biāo)志并返回 二、小數(shù)點(diǎn)的處理要在LED數(shù)碼管上顯示小數(shù)點(diǎn)，可以有兩種選擇，一種方式是在顯示0.10.9時(shí)用小數(shù)顯示，而在顯示1500時(shí)不顯示小數(shù)點(diǎn)，這種方式編程略麻

20、煩一些；另一種是使用定點(diǎn)的方式顯示小數(shù)點(diǎn)，即不論是在0.10.9Hz段，還是1500Hz段，均在倒數(shù)第二位點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn)，這種顯示方式比較簡(jiǎn)單，本機(jī)采用了第二種方式。通常，用高級(jí)語(yǔ)言編程時(shí)，可以用浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)來(lái)表示小數(shù)，但本程序并沒(méi)有這樣來(lái)處理。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的資源有限，而浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的表達(dá)方式與其他數(shù)據(jù)的表達(dá)方式很不相同，無(wú)論是存儲(chǔ)還是運(yùn)算，都相當(dāng)占用資源，因而在單片機(jī)中能不用浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)就盡量不要使用。這里我們將所有的頻率設(shè)定值擴(kuò)大10倍，即所要求的頻率值是0.1500Hz，但在單片機(jī)內(nèi)部用15000來(lái)表示。如果頻率設(shè)定值小于10，每按一次鍵，頻率設(shè)定值就加或減1，如果頻率設(shè)定值大于等于10，每按一次按

21、鍵就加或減10。例如，當(dāng)前頻率設(shè)定值為100，按一下“增加”鍵，該值就會(huì)變?yōu)?10，相當(dāng)于頻率設(shè)定值由10變?yōu)?1；如果當(dāng)前設(shè)定值為9，按一下“減少”鍵，該值變?yōu)?，相當(dāng)于頻率值由0.9變到了0.8。在根據(jù)頻率設(shè)定值計(jì)算定時(shí)常數(shù)時(shí)，只要將被除數(shù)擴(kuò)大10倍即可，程序中是這樣表示的： ltemp=1000000;ltemp*=10; /由于plsd被放大了10倍，故被除數(shù)也放大10倍在顯示頻率設(shè)定值時(shí)，點(diǎn)亮倒數(shù)第二位的數(shù)碼管上的小數(shù)點(diǎn)，顯示程序中有這樣的程序行：if(Counter1=1) /如果當(dāng)前正在顯示倒數(shù)第二位時(shí) if(!PlSl) /如果是要求顯示頻率   

22、DispCode=DispCode&0xbf; /*點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn)*/由于P0.6與小數(shù)點(diǎn)位相連，所以不論待顯示的數(shù)是多少，該位被清零后，小數(shù)點(diǎn)就能被點(diǎn)亮。要將該位清零，只要將字形碼與0xbf（10111111）相與即可。三、AT24C01A的讀寫(xiě)AT24C01A芯片是具有I2C接口的EEPROM，由于89C51單片機(jī)沒(méi)有I2C接口，因此，必須用I/O口模擬I2C時(shí)序。這里僅提供作者用C語(yǔ)言編寫(xiě)的接口程序，不對(duì)此作更多的介紹。使用這一接口程序，只要定義好寫(xiě)常數(shù)、讀常數(shù)及根據(jù)硬件連線定義好三個(gè)引腳SDA、SCL和WP，然后直接調(diào)用讀、寫(xiě)函數(shù)即可。#define AddWr

23、   0xa0            /*器件地址選擇及寫(xiě)標(biāo)志*/#define AddRd   0xa1            /*器件地址選擇及讀標(biāo)志*/sbit    Sda=    P37; 

24、          /*串行數(shù)據(jù)*/sbit    Scl=    P36;           /*串行時(shí)鐘*/sbit    WP=    P35;接口程序提供了多字節(jié)的讀、寫(xiě)函數(shù)，其中讀函數(shù)需要用到三個(gè)參數(shù)：用于存放讀出數(shù)據(jù)

25、的數(shù)組，待讀EEPROM的起始地址，字節(jié)數(shù)；寫(xiě)函數(shù)也要用到三個(gè)參數(shù)：用于存放待寫(xiě)入數(shù)據(jù)的數(shù)組，待寫(xiě)入EEPROM的起始地址，字節(jié)數(shù)。下面是這兩個(gè)函數(shù)的用法參考：RdFromROM(Number,10,2);/從地址10H開(kāi)始處讀出2個(gè)字節(jié)，存入Numbre數(shù)組中。WrToROM(Number,10,2);/將Number數(shù)組中的2個(gè)字節(jié)寫(xiě)入EEPROM，地址從10H開(kāi)始四、信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)發(fā)生由定時(shí)中斷0完成，在定時(shí)時(shí)間到之后，重置定時(shí)常數(shù)，接著判斷究竟是較高頻率還是較低頻率，分別予以處理，如果是較高頻率，直接取反輸出端口即可返回，如果是較低頻率，則要進(jìn)行計(jì)數(shù)，并判斷計(jì)數(shù)值是否到設(shè)定值，如果到了，

26、則取反輸出端口，并清零計(jì)數(shù)器，然后再返回，這部分程序如下：void OutWave() interrupt 1 /定時(shí)0中斷用于波形輸出 static uint Count; /較低頻率時(shí)計(jì)數(shù)用TH0=CTH0; /重裝時(shí)間常數(shù)TL0=CTL0;if(HighLow) /如果是較高頻率 WaveOut=!WaveOut;Mczsl+; else  Count+;if(Count>=Plcs) WaveOut=!WaveOut;Count=0;Mczsl+; 其中Mczsl是脈沖輸出個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)值。從程序中還可以看出，每次輸出只能得到波形的一半，要么高電平，要么低電平，一個(gè)完整的波形需