基于單片機的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)

1、姓名：劉作東姓名：劉作東班級：電子班級：電子10711071班班學(xué)號：學(xué)號：10712051421071205142專業(yè)：電子信息工程專業(yè)：電子信息工程指導(dǎo)老師：莊立運指導(dǎo)老師：莊立運 信號發(fā)生器亦稱函數(shù)發(fā)生器，主要作為實驗用信號源，是現(xiàn)今信號發(fā)生器亦稱函數(shù)發(fā)生器，主要作為實驗用信號源，是現(xiàn)今各種電子電路實驗設(shè)計應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。目前，市各種電子電路實驗設(shè)計應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。目前，市場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，波形種類多為鋸齒、場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，波形種類多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器，通常是正弦、方波、

2、三角等波形。用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器，通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高, ,其工作不很穩(wěn)定其工作不很穩(wěn)定, ,不易調(diào)試不易調(diào)試; ;用集成芯片的用集成芯片的函數(shù)發(fā)生器，可達到較高的頻率和產(chǎn)生多種波形信號函數(shù)發(fā)生器，可達到較高的頻率和產(chǎn)生多種波形信號, ,但電路較為復(fù)但電路較為復(fù)雜且不易調(diào)試。利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生多種波形雜且不易調(diào)試。利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生多種波形, ,達到較高的頻率達到較高的頻率, ,且易于調(diào)試且易于調(diào)試; ;利用專用直接數(shù)字合成利用專用直接數(shù)字合成DDSDDS芯片的函數(shù)芯片的函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率發(fā)生器，能

3、產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率, ,但成本較高。但成本較高。v 當(dāng)今是科學(xué)技術(shù)及儀器設(shè)備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會，當(dāng)今是科學(xué)技術(shù)及儀器設(shè)備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會， 電子技術(shù)的進步，給人們帶來了根本性的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)代電子領(lǐng)域中，單片電子技術(shù)的進步，給人們帶來了根本性的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)代電子領(lǐng)域中，單片機的應(yīng)用正在不斷的走向深入，這必將導(dǎo)致傳統(tǒng)控制與檢測技術(shù)的日益機的應(yīng)用正在不斷的走向深入，這必將導(dǎo)致傳統(tǒng)控制與檢測技術(shù)的日益革新。單片機構(gòu)成的儀器具有高可靠性、高性能價格比，在智能儀表系革新。單片機構(gòu)成的儀器具有高可靠性、高性能價格比，在智能儀表系統(tǒng)和辦公自動化等諸多領(lǐng)域得以極為廣泛的應(yīng)用，并走入家庭，

4、從洗衣統(tǒng)和辦公自動化等諸多領(lǐng)域得以極為廣泛的應(yīng)用，并走入家庭，從洗衣機、微波爐到音響汽車，處處可見其應(yīng)用。因此，單片機技術(shù)開發(fā)和應(yīng)機、微波爐到音響汽車，處處可見其應(yīng)用。因此，單片機技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。 函數(shù)信號發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的一函數(shù)信號發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的一 般可以完全由硬件電路搭接而成，如采用般可以完全由硬件電路搭接而成，如采用555555振蕩電路發(fā)生正弦波、三振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機。但是這種電角波和方波

5、的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機。但是這種電路存在波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大等缺點。路存在波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大等缺點。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學(xué)，地震模擬機械在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學(xué)，地震模擬機械振動等領(lǐng)域常常要用到低頻信號源。而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號其性振動等領(lǐng)域常常要用到低頻信號源。而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的RCRC要很大。大電阻，大電要很大。大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證。體積大，

6、漏電，損耗顯著容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證。體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會大大更是其致命的弱點。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會大大增加。增加。 利用單片機采用程序設(shè)計方法來產(chǎn)生低頻信號，其頻率底線很低。利用單片機采用程序設(shè)計方法來產(chǎn)生低頻信號，其頻率底線很低。具有線路相對簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力具有線路相對簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強，用途廣泛等優(yōu)點，并且能夠?qū)Σㄐ芜M行細微調(diào)整，改良波形，使其強，用途廣泛等優(yōu)點，并且能夠?qū)Σㄐ芜M行細微調(diào)整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。只要對

7、電路稍加修改，調(diào)整程序，即可完成功能升級。滿足系統(tǒng)的要求。只要對電路稍加修改，調(diào)整程序，即可完成功能升級。 此設(shè)計研究的主要內(nèi)容和重點則是：此設(shè)計研究的主要內(nèi)容和重點則是： 利用利用AT89C51AT89C51單片機和一片單片機和一片DAC0832DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器，組成數(shù)字式信號發(fā)生器。數(shù)模轉(zhuǎn)換器，組成數(shù)字式信號發(fā)生器。 （一）硬件電路的實現(xiàn)原理與構(gòu)思（一）硬件電路的實現(xiàn)原理與構(gòu)思 1 1AT89C51AT89C51單片機控制的函數(shù)信號發(fā)生器主原理圖單片機控制的函數(shù)信號發(fā)生器主原理圖單片機AT89C51顯示模塊波形輸出鍵盤輸入DAC0832 圖1.1 硬件原理框圖 因為因為AT89C5

8、1AT89C51單片機自身便有一個單片機自身便有一個64K64K的程序存儲器，所以不用的程序存儲器，所以不用 擴展外加程序存儲器。由單片機編程即可由單片機輸出所需要信號的數(shù)擴展外加程序存儲器。由單片機編程即可由單片機輸出所需要信號的數(shù)字量，再由字量，再由D/AD/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電流輸出，通過運放轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電流輸出，通過運放轉(zhuǎn)化為模擬電壓輸出。模擬電壓輸出。 因為因為D/AD/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓是由其輸入的基準(zhǔn)電壓來控制的，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓是由其輸入的基準(zhǔn)電壓來控制的，所以只要能控制所以只要能控制D/AD/A的基準(zhǔn)電壓便可以控制輸出幅度，實現(xiàn)幅度可

9、調(diào)。的基準(zhǔn)電壓便可以控制輸出幅度，實現(xiàn)幅度可調(diào)。 P10P11P12P13P14S1S2S3S4切換頻率升高頻率降低占空比升高S5占空比降低 圖1.2 鍵盤輸入模塊 由于本設(shè)計要求控制波形的頻率和方波的占空比，所以一共由于本設(shè)計要求控制波形的頻率和方波的占空比，所以一共 需要需要5 5個按鍵（如上圖個按鍵（如上圖1.21.2），所以設(shè)計選用），所以設(shè)計選用P1.0P1.4P1.0P1.4口來作為鍵盤控口來作為鍵盤控制輸入口。制輸入口。P1.0P1.0口作為波形切換輸入口，口作為波形切換輸入口，P1.1P1.1調(diào)節(jié)頻率使頻率升高，調(diào)節(jié)頻率使頻率升高，P1.2P1.2調(diào)節(jié)頻率使頻率降低，調(diào)節(jié)頻率使

10、頻率降低，P1.3P1.3增大輸出的方波的占空比，增大輸出的方波的占空比，P1.4P1.4減小輸減小輸出方波的占空比。出方波的占空比。 本設(shè)計中要求用液晶顯示器顯示輸出信號的頻率和波形的性質(zhì)等信本設(shè)計中要求用液晶顯示器顯示輸出信號的頻率和波形的性質(zhì)等信息，而這些信息在信號輸出的時候是需要隨按鍵的輸入而時刻改變的，息，而這些信息在信號輸出的時候是需要隨按鍵的輸入而時刻改變的，所以設(shè)計中選用液晶顯示器所以設(shè)計中選用液晶顯示器LCD1602LCD1602，它可以顯示字母及其他符號，這，它可以顯示字母及其他符號，這樣保證了波形的性質(zhì)以及頻率能夠完全顯示出來，由單片機的樣保證了波形的性質(zhì)以及頻率能夠完全

11、顯示出來，由單片機的P0.0P0.7P0.0P0.7口輸出顯示數(shù)據(jù)。這樣可以節(jié)省單片機的端口來做其它的用口輸出顯示數(shù)據(jù)。這樣可以節(jié)省單片機的端口來做其它的用途，給予了裝置可優(yōu)化性。途，給予了裝置可優(yōu)化性。 通過鍵盤輸入模塊中的切換按鍵，可以實現(xiàn)正弦波、方波、鋸?fù)ㄟ^鍵盤輸入模塊中的切換按鍵，可以實現(xiàn)正弦波、方波、鋸齒波、三角波的波形切換，通過如圖齒波、三角波的波形切換，通過如圖1.21.2所示的所示的S2S2和和S3S3頻率升高和降頻率升高和降低按鍵實現(xiàn)頻率的升降，同樣通過圖低按鍵實現(xiàn)頻率的升降，同樣通過圖1.21.2的的S4S4和和S5S5占空比升高和降低占空比升高和降低按鍵實現(xiàn)方波占空比的變

12、化。按鍵實現(xiàn)方波占空比的變化。（二）（二） 軟件設(shè)計的構(gòu)思軟件設(shè)計的構(gòu)思v 開 始初始化 有鍵按下 ？S1num=1S2按下S3按下S4按下S5按下頻率升高頻率降低S1num+S1num=2S1num=3S1num=4 S1按下NY占空 比 降低占空 比 升高輸出正弦波顯示sine輸出方波顯示 square輸出鋸齒波顯示stw輸出三角波顯示triangle圖2.1 軟件設(shè)計主流程圖 單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)只有單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)只有0 0、1 1之分，所產(chǎn)生的信號也都是離散信號。之分，所產(chǎn)生的信號也都是離散信號。為了能夠讓單片機輸出所需的數(shù)字信號，我們采用對信號采樣、量為了能夠讓單片機輸出所需的數(shù)字信號，我

13、們采用對信號采樣、量化的方法來實現(xiàn)由單片機產(chǎn)生所需信號。在本設(shè)計中，對信號的四化的方法來實現(xiàn)由單片機產(chǎn)生所需信號。在本設(shè)計中，對信號的四分之一周期采樣分之一周期采樣1919個幅度值，通過反復(fù)查表來輸出幅度值，而整個個幅度值，通過反復(fù)查表來輸出幅度值，而整個信號是通過正查表和逆向查表來實現(xiàn)的。采樣的點越密，信號失真信號是通過正查表和逆向查表來實現(xiàn)的。采樣的點越密，信號失真度也就越小。兩次采樣點的輸出時間間隔是由定時、計數(shù)器來控制度也就越小。兩次采樣點的輸出時間間隔是由定時、計數(shù)器來控制的，因此，通過控制不同的計數(shù)初值就可以控制整個信號的頻率。的，因此，通過控制不同的計數(shù)初值就可以控制整個信號的頻

14、率。計數(shù)時間計數(shù)時間= =信號周期信號周期/72/72。計數(shù)次數(shù)。計數(shù)次數(shù)= =計數(shù)時間計數(shù)時間/ /機器周期。對應(yīng)的，機器周期。對應(yīng)的，計數(shù)初值計數(shù)初值=65536=65536計數(shù)次數(shù)。單片機只能產(chǎn)生離散頻率的信號，所計數(shù)次數(shù)。單片機只能產(chǎn)生離散頻率的信號，所以所得到的信號頻率不是連續(xù)的，而是離散的頻率點。由于以所得到的信號頻率不是連續(xù)的，而是離散的頻率點。由于 這部分計算位數(shù)較多，不適合用單片機編程來計算計數(shù)初值，這部分計算位數(shù)較多，不適合用單片機編程來計算計數(shù)初值， 所以本設(shè)計中將各頻率的計數(shù)初值算出，讓單片機按控制命令來查所以本設(shè)計中將各頻率的計數(shù)初值算出，讓單片機按控制命令來查表控制頻率。表控制頻率。 正弦波和三角波的頻率控制方法都與上述方法相同，而方波的正弦波和三角波的頻率控制方法都與上述方法相同，而方波的頻率控制是半周期計數(shù)，經(jīng)過半周期只需改變輸出為最大或最小電頻率控制是半周期計數(shù)，經(jīng)過半周期只需改變輸出為最大或最小電平即可。平即可。