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1、多功能函数信号发生器摘 要：本文介绍一种用STC89C52单片机构成的波形发生器，可用来产生方波、三角波、正弦波、锯齿波等多种波形，波形的周期可用程序改变，并可根据需要选择单极性输出或双极性输出，具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点。文章给出了源代码，通过仿真测试，其性能指标达到了设计要求。关键词：单片机；仿真；信号发生器；波形；Multi-functional function signal generator Abstract: This paper introduces the waveform generator constituted by STC89C52 single-chip
2、.It can produce square_wave, triangle wave, sine wave and sawtooth wave.The cycle of waveform can be changed by the program. It could choose single polarity output or dual polarity output according to the need,It has the advantages of including lines simply, compact structure and superior performanc
3、e.This paper has gaved the source code. By the method of the simulation testing,it is proved that the performance index meet the design requirements. Keywords: microcontroller; simulation; signal generator;waveform; 目录 1 绪论11.1 函数信号发生器概述11.2 市场上主流多功能函数信号发生器12 研究内容和方法42.1 研究内容42.2 研究方法42.3 设计功能43 硬件设
4、计53.1 硬件原理框图53.2 单片机最小系统63.3 ICL8038的结构73.4 显示电路93.5实物图104 软件设计124.1 程序流程图124.2 子程序流程图145 总结与展望16参考文献17致 谢181 绪论1.1 函数信号发生器概述函数信号发生器是信号源的一种，主要给被测电路提供需要的已知信号，然后同其他仪表测量感兴趣的参数。它不是测量电路，而是根据使用者的要求作为激励源，仿真各种测量信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。目前我国在研究信号发生器方面有可喜的成就。但总的来说，我国信号发生器没有形成真正的产业。中国函数发生器产业发展中出现的问题中，如产业结果不合理、产
5、业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能量消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。就目前国内的成熟产品来看，核心部分存在成本高、控制不方便、创新能力小等缺点，因此和国外相比技术存在比较大的差距，所以开发出高性价比的函数发生器，从而与国外技术有所比拼，并且打破国外技术垄断，对目前我国发展中的电子业来说，是具有刻不容缓的作用的。随着电子技术的发展，电路测试对信号发生器的要求已经越来越高。除生成标准波形如正弦波、方波、三角波、脉冲波之外，信号发生器还要用于模拟输出一些不规则信号，
6、以生成“实际环境”信号，包括在被测设备离开实验室或车间时可能遇到的毛刺、漂移、噪声和其它异常事件等。所有这些都要求信号发生器输出信号的参数如频率、波形、输出电压或功率等，能够在一定范围内进行更加精确的调整，并拥有更好的稳定性及输出指示1。目前市场上常见的信号发生器，按照价格与适用性大致可以分成高、中、低端，但由于品牌、型号冗繁，使用者在采购过程中面临很大难题。1.2 市场上主流多功能函数信号发生器图1-1 低端波形发生器低端产品：DDS技术提高产品适用性通常价位在5,000元上下的信号发生器都是定位在普及水平的低端产品，这类产品由于性能指标的限制，多应用于教育和培训，常见的低端信号发生器如上图
7、1-1所示。普源精仪的DG1000系列、石家庄无线电四厂的TFG2000系列、南京盛普的SPF05/SPF10和台湾固纬的SFG-830。这四家产品均来自中国厂商，安捷伦、泰克等几家国际大厂并没有在低端市场投入什么战斗力，这主要缘于普及型产品不断提升的技术成本DDS技术的向下移植。所谓DDS技术是直接数字合成技术(Direct Digital Synthesis)的简称，包括安捷伦、泰克、普源精仪等厂商的高性能信号源都基于DDS技术。该技术1971年3月由美国学者J.Tierncy、C.M.Rader和B.Gold最先提出，这是一种从相位概念出发直接合成所需要波形的新的全数字频率合成技术。同传
8、统频率合成技术相比，DDS技术具有频率分辨率高、变频速度快、变频相位连续、相位噪声低等优点，易于功能扩展、便于全数字化集成、容易实现对输出信号的多种调制，是近年来任意波形发生器的基础。图1-2 中端波形发生器中端产品：波形下载功能为设计检测提供有力支持。目前中端信号发生器的价格大致定位在万元左右，电子电路设计、功能检测、信号模拟这些工作越来越离不开任意波功能，选购时除关心传统信号源的缺陷之外，更应关心它的波形生成和下载能力，同时也要注意它的输出通道数，以便同步比较两信号的相移特性，进一步达到仿真实验状态。目前中端信号发生器的价格大致定位在万元左右，电子电路设计、功能检测、信号模拟这些工作越来越
9、离不开任意波功能，选购时除关心传统信号源的缺陷之外，更应关心它的波形生成和下载能力，同时也要注意它的输出通道数，以便同步比较两信号的相移特性，进一步达到仿真实验状态。中端信号发生器中比较有价值的产品如图1-2所示：安捷伦的33220A、泰克的AFG3021/3022和普源精仪的DG2000系列。在中端市场，以上三者竞争异常激烈，而作为兵家争夺重地的基本性能指标，就是招标过程中的第一个重要参考依据2。首先，采样率方面，安捷伦33220A是50MSa/s，普源精仪DG2000为100MSa/s, 泰克AFG3021/3022最高，达250MSa/s。其次，波形长度方面，普源精仪以512K遥遥领先，
10、安捷伦与泰克同为6?K。第三，垂直分辨率方面相差不大。另外，在军事、航空、交通、制造等领域中，有些电路运行环境很难估计，实验设计完成之后，在现实环境还需要作更进一步实验，有些实验的成本很高或者风险性很大(如火车高速实验时铁轨变换情况、飞机试机时螺旋桨的运行情况等)，人们不可能长期作实验判断所设计产品(高速火车、飞机)的可行性和稳定性等，这时就需要利用任意波形发生器的波形下载功能。在作一些复杂、费用高、风险性大的实验时，通过数字示波器等仪器把波形实时记录下来，然后通过计算机接口传输到信号发生器，直接下载到设计电路，便可更进一步多次重覆实验验证。在信号发生器市场，除了安捷伦、泰克、普源精仪之外，其
11、它产品基本都没有USB HOST接口和任意波下载功能，这在很大程度上限制了它们的应用。高端产品：高性能信号源注重产品设计细节对于绝大部分工程师和研发人员来说，3万元人民币这就是高性能信号发生器的价格上限，目前市场中高端信号发生器如图1-3所示：安捷伦的33250A、泰克的AFG3101和普源精仪的DG3000系列。图1-3 高端波形发生器这些仪器中，泰克AFG3101的采样率表现不错，在波形长度16K以内时可达到1GSa/s，不过波形长度大于16K时是250MGa/s，普源精仪DG3000与安捷伦 33250A则分别稳定于300MGa/s、250MGa/s；存储深度和垂直分辨率方面33250A
12、的6?K和12bit较为单薄，最小输出频率和波形长度方面AFG3101的1mHz和128K也略显不足；至于屏显，33250A、DG3000、AFG3101的屏幕分别是25664色液晶、4.0英寸彩色液晶、5.6英寸彩色液晶，后两者在显示复杂波形时将体现出优势。此外，普源精仪 DG3000系列信号发生器是业界第一款带有数字逻辑输出功能(16路数据通道和2路时钟通道)的混合信号发生器(MSG)，性能指标稍低的DG2000系列也同样可以选装数字逻辑输出模块，配合模拟通道可以重现更多的混合信号。最后，在高性能信号发生器的使用过程中，一些平时宣传较少的细节性问题实际上更应该得到关注，这些设计细节将提升用
13、户的使用体验，提高信号发生器的性价比。 2 研究内容和方法2.1 研究内容本文是做基于单片机的信号发生器的设计，将采用编程的方法来实现正弦波、三角波、锯齿波的发生。根据设计的要求，对各种波形的频率和幅度进行程序的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序的运行中，当接收到来自外界的信号，需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序，经电路的D/A转换和运算放大器处理后，从信号发生器的端口输出3。2.2 研究方法采用单片机编程的方法来实现。该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变化。此外，由于通过编程实现的是
14、数字信号，所以信号的精度可以做的很高。此方法不仅软硬件结合，软件控制硬件的方法来实现，使得信号频率的稳定性和精确性得到保证，而且所需要的元器件价格合适，不会浪费。2.3 设计功能利用ICL8038芯片和外接少量的元器件，能制成质量技术指标先进，结构轻巧，价格低廉，用途广泛的多功能函数信号发生器，设计的函数信号发生器能产生7.5KHz23.5Khz的三种波形，正弦波 三角波和方波，并用示波器观察，通过按键设定指定频率，并且能通过变阻器调节输出波形的占空比、失真。产生的方波，三角波，正弦波，如图2-1所示：图2-1 方波、正弦波、三角波3 硬件设计3.1 硬件原理框图硬件原理方框图如图3-1示。单
15、片机按键显示数字电位器D/A参考电压电容选择加法器ICL8038方波输出三角波输出正弦波输出图3-1 硬件电路图3.2 单片机最小系统图3-2 STC89C52RC如图3-2所示C单处机内部设置两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1，它们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及4种工作模式。在波形发生器中，将其作定时器使用，用它来精确地确定波形的两个采样点输出之间的延迟时间。模式1采用的是16位计数器，当T0或T1被允许计数后，从初值开始加计数，最高位产生溢出时向CPU请求中断。中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件
16、，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件。在波形发生器中，只用到片内定时器计数器溢出时产生的中断请求，即是在STC89C52RC输出一个波形采样点信号后，接着启动定时器，在定时器未产生中断之前，STC89C52RC等待，直到定时器计时结束，产生中断请求，STC89C52RC响应中断，接着输出下一个采样点信号，如此循环产生所需要的信号波形。52单片机有两个引脚（XTAL1，XTAL2）用于外接石英晶体和微调电容，从而构成时钟电路，其电路图如图3-2所示。电容C1、C2对振荡频率有稳定作用，其容量的选择为30pf，振荡器选择频率为12MHz的石英晶体。由于频率较大时，三角波、正弦波、锯齿
17、波中每一点的延时时间为几微秒，故延时时间还要加上指令时间才能获得较大的频率波形5。3.3 ICL8038的结构图3-3 ICL8038如图3-3所示ICL8038是大规模单片函数发生器，只要外接少量元件就能产生方波，三角波及正弦波这几种波形。在此基础上，只要略加更改少量元件就可构成各种电路，如整形电路，定时器，触发器等。ICL8038内部有两个恒流源CS1和CS2、两个电平比较器、一个触发器及一个正弦变换网络。其工作原理：当开关打开时，恒流源CS1向外接电容C充电，当C上电压充到高于2/3Vs时，比较器I翻转，使触发器FF置位。将开关接通，这时恒流源CS2开始工作。恒流源CS2将以2I电流反向
18、加到电容C和恒流源CS2。根据基尔霍夫电流定律：任意节点电流为：Ii=0。式子中Ii为各支路电流，所以恒流源在电容C上的实际效应是使电容C以I电流值反向放电，电容C两端的电压直线下降。当电容C上的电压低于Vs/3时，比较器对翻转，使触发器FF复位。于是开关S重新被打开，恒流源CS1重新向电容器C充电，这样周而复始。可见电容器C上的电压变化为三角波，将三角波通过缓冲器从引脚3输出，触发器FF的Q端输出为三角波同频率的方波，它由缓冲器从引脚9出。ICL8038最大的特点是采用独特的有源滤波网络，是三角波变成正弦波，从引脚2输出6。ICL8038各管脚功能： 1、12 SINADJ1，SINADJ2
19、 正弦波波形调整端。通常SINADJ1开路或接直流电压，SINADJ2接电阻REXT到V-，用以改善正弦波波形和减小失真。 2、SINOUT 正弦波输出 3、 TRIOUT 三角波输出 4、5 DFADJ1，DFADJ2 输出信号重复频率和占空比（或波形不对称度）调节端。通常DFADJ1端接电阻RA到V+，DFADJ2端接RB到V+，改变阻值可调节频率和占空比。 6 、V+ 正电源 7、 FMBIAS 调频工作的直流偏置电压 8、 FMIN 调频电压输入端 9、 SQOUT 方波输出 10、 C 外接电容到V-端，用以调节输出信号的频率与占空比 11、 V- 负电源端或地 3.4 显示电路显示
20、电路是用来显示波形信号的频率，使得整个系统更加合理，从经济的角度出发，所以显示器件采用LED数码管显示器。而且LED数码管是采用共阳极接法，当主控端口输出一个低电平后，与其相对应的数码管即变亮，显示所需数据。其器件模型如图3-4所示。图3-4 1602液晶1602液晶初始化程序： 程序流程图如下图3-5： void Initialize_LCD() Write_LCD_Command(0x38);DelayMS(10);Write_LCD_Command(0x01);DelayMS(10);Write_LCD_Command(0x06);DelayMS(10);Write_LCD_Comman
21、d(0x0f);DelayMS(10);图3-5 程序流程图3.5实物图图3-6 实物图图3-7 实物及波形图4 软件设计4.1 程序流程图本文中子程序的调用是通过按键的选择来实现，在取得按键相应的键值后，启动计时器和相应的中断服务程序，再直接查询程序中预先设置的数据值，通过转换输出相应的电压，从而形成所需的各种波形。主程序的流程图如图4-1所示，在程序开始运行之后，首先是对8052进行初始化，之后判断信号频率值，如符合所需的频率，则重置时间常数，并通过显示器显示出来，不符则返回。在中断结束后，还要来判断波形是否符合，如符合，则显示其频率，不符则返回，重新判断7。 开始定时器及参数初始化调用键
22、盘子程序调用显示子程序图4-1 程序流程图主函数：void main()uint i=0;IE=0x8B;IT0=1;/ TMOD=0x51;/ TH0=(65536-50000)/256;/ TL0=(65536-50000)%256;Initialize_LCD();ShowString(0,0,str1);ShowString(0,1,str2);Send_dat();for(i=0;i10000;i+);while(1)/* if(AD_index=0)TR1=TR0=1;/ShowString(0,1,str2);elseTR1=TR0=0;ShowString(0,1,str2);
23、 */Adjust();调用的子程序：void ShowString(uchar x,uchar y,uchar *str)reentrantuchar i=0;if(y=0) Write_LCD_Command(0x80|x);if(y=1) Write_LCD_Command(0xC0|x);for(i=0;i=4) str26=3,str28=5;if(str25=2)&(str26=4) str26=3;if(str25=2)&(str26=3)&str28=6) str28=5;if(str25=2)&(str26=3)&(str28=6) str28=5;ShowString(0,
24、1,str2);if(K2=0) /递减键while(K2=0);str2AD_index+4=0+(str2AD_index+4-0)-1;if(str2AD_index+4-0=-1)str2AD_index+4=0 ;if(str25=0)&(str26=6) str26=7,str28=5; if(str25=0)&(str26=6) str26=7;if(str25=0)&(str26=7)&(str28=4) str28=5;ShowString(0,1,str2); elseShowString(0,0,str1);Write_LCD_Command(0x0c);/关光标，关闪烁
25、 void set() interrupt 0/中断进入设置模式，分别进入增、减与设置完成状态EX1=0;AD_index+;if(AD_index=3) AD_index=4;if(AD_index!=0)&(AD_index!=5)ShowString(0,0,str3);ShowString(0,1,str2);if(AD_index=5)Send_dat();AD_index=0;EX1=1; 5 总结与展望这种基于单片机的信号发生器已经展示出很好的性能，而且有着很高的性价比。此外，它产生的波形与模拟电路的波形相比，波形有着更好的平滑性，其周期性也更加稳定。已经越来越多的应用到各种电子
26、设备当中，给人们的日常生活带来了方便。在论文中简单介绍了它的用途和发展趋势，根据它的一些基本知识，按照自己的想法设计了一类信号发生器，具体包括了设计方案以及相关参数的选取和计算，根据工作基本原理加入了一些相关的辅助电路，并编写了相关的应用程序。这次试验实现了三角波、正弦波以及方波的实现，但是由于某些关系，由于限流没有完成，导致一部分功能没有实现，有待提高。参考文献1 刘国钧,陈绍业.书馆目录M.北京：高等教育出版社,1957:15-18.2 刘润华,刘立山.模拟电子技术J.山东：石油大学出版社,2003:129-154.3 潘永雄,沙河,刘向阳.电子线路CAD实用教程M.西安：西安电子科技大学
27、出版社,2001：13-118.4 朱定华,戴汝平等,单片机微机原理及应用M.北京交通大学出版社,清华大学出版社.5 彭介华,电子技术课程设计指导J.北京：高等教育出版社,1997.6 张毅刚,彭喜源,谭晓昀,曲春波.MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1997:53-61.7黄智伟,单片机无线数据通信IC原理与应用M.北京： 北京航空航天大学出版社, 2004:389-390.8符啸威,张海君,王延臣.无线通信系统发射站分布模型的优化J.佳木斯大学学报(自然科学版),2004:140-141.9耿德根,宋建国.AVR高速嵌入式单片机原理与应用M.北京：北京航空航天大学出版社,2002:101-103.10LlashFlex51MCU PDF.SST Components Industries,2008: 78-79.11aminsky, W.J.Davidson, E.S.Special Feature: Developing a Multiple-In-structon-Stream Single-Chip Processor.Computer.1979 : 66-76.致 谢略
