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1、在科学研究、工程教育及生产实践中，常常需要用到低频信号发生器。本文主要介绍一种以单片机为核心的超低频任意函信号发生器。该信号发生器由存储模块、按键模块、LED显示模块、D/A转换模块组成，它采用数字波形合成技术,通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自定义波形,如正弦波、三角波、方波和锯齿波及其他任意波形。文中详细介绍了硬件电路设计的原理和软件编程的上设计思想以及实验调试过程。实验结果表明，该信号发生器输出的波形的频率和幅值在一定范围内可任意改变，与传统信号发生器只有固定的几种输出波形相比,具有输出波形的任意化和低频精度高的特点。它还具有的特点是价格低、性能高,在低频范围稳定性好、操作方便、体积
2、小、耗电少等。关键词：单片机AT89C51；DAC0832；低频信号；发生器ABSTRACTInscientificresearch,engineeringeducationandpracticeofproduction,oftenneedtouselow-frequencysignalgenerator.Inthispaper,introducesaultra-lowfrequencyarbitraryfunctionsignalgeneratortoSCMasthecore.Thesignalgeneratorismadeofthememorymodules,thekeymodules,L
3、EDdisplaymodules,D/Aconvertermodules,itusesdatewaveformsynthesistechnology,throughhardwareCircuitandsoftwareProceduresiscombined,customWaveformcanbecustomized,suchassinewave,trianglewave,squarewaveandsawtoothwaveandotherarbitrarywaveform.Inthispaper,detailintroducestheprincipleofthedesignofhardwarec
4、ircuitandthemindofthedesignofsoftwareprogrammingandtheprocessofexperimentdebug.Theresultsofexperimentshowthat,theoutputwaveform,sfrequencyandamplitudeofthesignalgeneratorcanbearbitrarilychangedinacertainrange,comparedWiththetraditionalsignalgeneratorOnlyhaveafewfixeoutputwaveform,withthecharacterist
5、icsofoutputwaveformsarbitraryandhighprecisionofthelow-frequency.Italsohasthecharacteristicsofalowprice,high-performance,goodStabilityinlow-frequencyrange,easytooperate,smallsize,lessconsumpteofpowerEtc.Keywords：AT89C51microcontroller；DAC0832；Lowfrequencysignal；Generator刖百信号发生器是使用很广的仪器，在科学研究、工程教育及生产实
6、践中，常常需要用到低频信号发生器。如工业过程控制、教学实验、机械振动、生物医学等领域。对它的要求也随着技术的发展越来越高，以往的信号源只可输出单一正弦或几种如三角、正弦、脉冲、方波等波形,且一台仪器的输出频率范围也较窄，一般只是在超低或低频范围，特别是在超低频范围，波形的精度和稳定度等重要指标都不高，目前,长期使用的信号发生器绝大部分都是由模拟电路构成的,这类仪器作为信号源,频率达百兆赫兹,在高频范围内其频率稳定性与可调性好。而用于低频信号输出时,其需要RC值很大，参数准确度难以保证,而且体积大,损耗也大。目前,有人研究制造了由数字电路构成的低频信号发生器,其低频性能好,但是体积较大,价格较贵
7、。这里介绍一种以单片机为核心,设计了一个超低频任意函数信号发生器。单片机控制超低频任意信号波形发生器与现有采用微处理器和数模转换器组成的数字式低频信号发生器相比，由于采用直接数字波形合成技术,频率准确度和稳定度较高。与现有采用计数器、只读存储器、D/A转换器和滤波器等组成的信号发生器相比，由于采用单片机控制和随机存储器RAM,通过一定算法除可产生方波、三角波、锯齿波、正弦波外还可方便地产生其他周期任意信号波形，解决了输出波形种类单一的问题,具有广泛的应用前景。本课题设计中，函数发生器采用ATM89C51单片机作为控制核心，外围采用模拟/数字转换电路、数据存储器，按健和LED显示灯电路等。通过按
8、键控制可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等低频任意波形，同时用LED显示灯指示对应的波形的频率。木系统设计简单、性能优良，具有一定的实用性。硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。另一方面，它具有价格低、性能高和在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等特点。此电路清晰，出现故障容易查找错误，操作简单、方便。具体的设计内容讲在本论文中详细论述。摘要OABSTRACTO前言O绪论O1 .方案论证O1.1 方案论述O1.2 方案比较O1.3 结论O2 .超低频波形发生器硬件设计O2.1 主控电路及主控芯片的选择O2.1.1 时钟电路设计32.1.
9、2 复位电路设计32.1.3 利用AT89C51计数42.2 D/A转换电路的设计52.2.1 D/A芯片选择52.2.2 DAC0832芯片介绍72.2.3 DAC0832芯片与单片机硬件接口设计92.2.4 放大整形102.3 显示电路及显示接口芯片选择112.3.1 显示器的选择112.3.2 显示器工作方式的选择132.3.3 1.ED与单片机的接口电路设计142.4 按键电路的设计142.5 电源电路153 .软件设计03.1 D/A转换I3.2 键扫描程序设计13.3 显示程序设计24 .系统的调试04.1 硬件的调试04.2 软硬件调试15 .仿真实验结果与结论06 .社会经济效
10、益0结束语0附录10附录21附录36附录40绪论课题背景波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。单片机控制超低频任意信号波形
11、发生器，由于采用单片机控制和随机存储器RAM,通过一定算法除可产生方波、三角波、锯齿波、正弦波外还可方便地产生其他周期任意信号波形，解决了输出波形种类单一的问题，具有广泛的应用前景。利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其下限频率很低。具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。这里介绍一种采用AT89C51单片机和一片DAC0832数模转换器做成的数字式低频信号发生器，它的特点是价格低、性能高，在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等。信号
12、发生器与其它相比还具有如下优点：较分立元件信号发生器而言，具有频率高，工作稳定，容易调试等特性；较专用DDS芯片的信号发生器而言,具有结构简单，成本低等特性。系统整体目标此课题的具体要求如下所述。1 .以单片机为控制核心，采用直接数字波形合成技术产生方波、三角波、正弦波和其他任意模拟周期信号波形。2 .将波形数据存储在数据存储器中。3 .通过单片机控制，将波形数据读出，送入D/A转换电路和放大处理后得到所需的任意模拟周期信号波形。4 .输出信号的频率范围在0.0IHZIOoHZ之间，幅度为+5V,波形失真度小于1%。5 .以单片机为核心器件，形成相应的硬件电路。自行编制单片机控制程序，并进行硬
13、件调试、软件调试，最后进行软硬件联调，达到性能要求。1 .方案论证1.1 方案论述从学科所涉及的不同范围以及器件的不同选择来构思，可以实现的方案有很多，现提出二个可行的方案并分别论述其工作原理及可行性。方案一：方案一方框图如图1,1.1所示。采用AT89C51芯片，数模芯片采用DACO832芯片，构成基本的波形发生电路，设置多个按键用来控制波形输出以及调整信号频率的大小。此电路设计输出波形稳定，精度高。图1L1方案一原理框图方案二：方案2方框图如下图1.1.2所示。本方案的是基本原理在PC机上按下鼠标左键创建一个周期的波形,再将各点值传送给单片机系统,产生实际的模拟信号。模拟信号通过D/A转换
14、器的转换,得到所需要的波形信号。图L12方案二原理框图1.2 方案比较单片机控制超低频任意信号波形发生器（方案一）与现有采用微处理器和数模转换器组成的数字式低频信号发生器（方案二）相比,由于采用直接数字波形合成技术,频率准确度和稳定度较高。但是方案2中微处理器对信号的显示和处理非常方便，只是需要同时编辑单片机语言和微处理器所需要的高级语言，工作量大而且较为复杂。因此我还是选择了方案一,微处理器的优点具有广泛的应用前景。1.3 结论通过上述方案的比较最终确定选择方案一。2 .超低频波形发生器硬件设计（1） 主控电路及主控芯片的选择单片机即单片微型计算机（SingleCHiPMiCrOCOmPlI
15、ter）是把组成微型计算机的各种功能部件，包括中央处理单元（CPU）、随机存储器（RAM）、程序存储器（Rc）M）、定时器/计数器及输入输出接口等部件都集成在一块芯片上。是一种集成度高、性价比优越、质量小、体积小的微型计算机。单片机按其使用目的可以分为通用和专用两种类型。通用单片机是一种基本芯片，内部功能及资源丰富，性能全面，适应性强，可覆盖多种用途。用户可以根据需要设计成各种不同的单片机控制系统，即有一个再设计的过程。专用型单片机在设计时已对系统结构进行了简化，对软、硬件进行了优化，可靠性高，成本低，但是这类单片机功能单一，通常是针对某一特定的产品。本设计应采用通用型单片机。随着半导体集成工
16、艺的不断发展，单片机也正朝着CMoS化、低功耗、体积小、大容量、高性能低价格和外围电路内装化等几个方向发展。在单片机家族中，Imel公司推出的MCS-51系列中的80C51是其中的佼佼者。MCS-51系列单片机是8位单片机中应用范围最广的一类单片机。近几年来，许多单片机开发厂商也推出了许多基于8OC51单片机内核的扩展型单片机，产品在保持与51单片机兼容的基础上改善了很多特性，性能各异。常用的单片机有很多种：InteI8051和8751系列、MOtoroIa的MC6801系列、AtmeI的AT89系歹h台湾WinbolKi（华邦）W7和W78系歹U、荷兰PHiliPS的51LPC和LPC900
17、系歹hZlLoG的Z8系列等。本设计中最终选用了ATMEL公司的AT89C51单片机。AT89C51单片机是美国ATMEL公司推出的低功耗/低电压、高性能的8位单片机，片内含4KBFlasH程序存储器，它采用了CMoS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，该存储器的全称为闪速可编程可擦除只读存储器（FPERe）M,FIasHProgrammableandErasableReadOnlyMemory）,其输出引脚和指令系统与标准MCS-51系统兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
18、AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压，高性能CMC)S8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系
19、统提供了一种灵活性高且价廉的方案。引脚图如图2.1所Zjx0XTAL2XTAl 1GNO VC CPO.0 IADOI . PO 1 AD1)PO 2 (A02)PO 3 (AO3)PO 4 AD4)PO 5 AO5)PO 6 AO)PO 7 (A07)ALE/PROO二 PSEN1PZ 6 P2 S PZ 4 :PZ 3 P2 2 (AIO)P2 1 (A9)PJ 0 XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz,无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。（3）利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频
20、率，且易于调试。鉴于此，美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生器DACO832它克服了（2）中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。DACO832频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，DACO832都是优选的器件。（4）利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。综合分析以上四种实现方法的性价比,我们决定采用单片集成芯片DAC0832来设计函数发生器。频率越高、产生波形种类越多的发生器性能越好，但器件成本和技术要求也大大提高，因此在满足工作要求的前提下
21、，性价比高的发生器是我们的首选。2. 2.2DAC0832芯片介绍DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。芯片内有两级输入寄存器，使DACO832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电
22、阻，还可以外接。该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接，其管脚图以及内部结构图如图2.2.2所示。注JrK JI-时,奇。番MUkiT飞广时,奇。遇埼人数据被例GCS-1 O20一cWR1-219-ILE(iNl)-318-WR2l)lI17-XFERDk-T)Ae 832 V16-DhJl-615-I)LDlo.IIl一 1儿813一 DhKhi-912*rIXJND-1011图2.2.2DAC0832管脚图以及内部结构图DAC0832的主要特性参数如下：* 分辨率为8位；* 输出为电流信号，电流的建立时间为lus；* 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；* 只需在
23、满量程下调整其线性度；* 单一电源供电（+5V+15V）,低功耗，20m肌* 参考电压可以达到10V；* 直接的数字接口可以与任何一款单片机相连。DACO832的引脚功能:* DoD7：8位数据输入线，HL电平，通常与单片机的数据总线相连，用于输入CUP送来的待转换数字量。有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；* ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；* S:片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；* WT：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于50OnS）有效。由ILE、S柏仃的逻辑组合产生LEl,当LEl为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LEl的负
24、跳变时将输入数据锁存；* TFTR:数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns)有效;* WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于50OnS）有效。由TPT、XFER的逻辑组合产生LE2,当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。* I0UT1：电流输出端1,其值随DAC寄存器的内容线性变化；* I0UT2：电流输出端2,其值与IOUTI值之和为一常数；当DAC寄存器内容全为1时，IOUTl为最大，IOUT2二0；当DAC寄存器内容全为0时，IOUTl=O,IOlJT2为最大；
25、为了保证输出电流的线性，应将IOUTl及IOUT2接到外部运算放大器的输入端上。* Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；* Vcc：芯片工作电源，范围为+5V+15V；* VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-IOV+10V；* AGND：模拟信号地，为模拟信号和基准电源的参考地；* DGND：数字信号地，为工作电源地和数字逻辑地；2.2.3DACO832芯片与单片机硬件接口设计DC0832与MCS-51单片机的连接方式：根据对DC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种连接方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 双缓冲方
26、式：进行两级缓冲； 单缓冲方式：只进行一级缓冲； 直通方式：不进行缓冲，适用于比较简单的场合。本设计采用的是直通连接方式。具体电路设计如图2.2.3所示：Ul+5lP307P316；P3251P334：P3416；P35151P3614：P3713;03ToCSVDDWRlWR2ILEXFERDIOVREFDIlDI2RFBDI3DI4IOUTlDI5I0UT2DI6DI7GNDGND寸387I392.2.4放大整形DAC0832LCJ图2.2.3DAC0832与单片机硬件接口设计为了输入的是小信号时也能对精确的测出它的频率，所以在信号的输入口加电压放大。有时输入的信号波形不是很好时，放大后也
27、是失真的信号，这就会影响到所测信号的频率，因此要经过整形。其电路如图2.2.4所示：2.3显示电路及显示接口芯片选择显示电路的作用就是把单片机的运算结果，状态等代码转换成为人们能识别的符号显示出来。在本系统中，显示电路用来实时显示波形的频率，并通过按键实现实时可调。2.3.1显示器的选择在单片机系统中，通常用LIiD数码显示器来显示各种数字、字母或其他符号。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长并且价格低廉等特点，因此使用非常广泛。本设计利用其显示系统的工作状态和数据处理的结果等，根据需要选择七段四位数码管作为显示部分。图23.11四位数码管实物图1.ED（LightEmittingD
28、iode）是发光二极管的简称，是一种电流发光器件，它可以工作在恒定电流状态，又可以在脉冲电流状态。在平均电流相同的情况下，脉冲工作状态可产生比直流工作状态较强的亮度，一般每秒钟可导通100-500次，每次为几个毫秒。LED有单个发光二极管，七段（或八段）LED显示器和LED点阵显示器等类型。发光颜色有红，绿，黄等光的颜色，LED显示器每段正常发光所需直流电流（102OnIA）毫安。发光二极管发光时，其正向导通压降为1.7V左右。根据本设计的要求选择了七段LED显示器作为系统的显示设备。七段LED显示器由7个长条形的发光二极管排列成“8”字形，另外显示器中还有一个圆点型发光二极管，用于显示小数点
29、。1.ED显示器中的发光二极管共有两种接法：共阴极七段LED显示器和共阳极七段LED显示器。共阴极七段LED显示器工作时，将所有二极管的阴极接在一起构成公共阴极，公共阴极接低电平，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的段则不亮。共阳极七段LED显示器工作时，其公共阳极接到高电平，LED的阴极接到低电平的段导通发光，而输入高电平的则不点亮。本设计中使用的是共阴极数码管。图2.3.1.2四位数码管内部电路图2.3.2显示器工作方式的选择七段LED显本器显本有两种工作方式：静态显木和动态显不。所谓静态显示，就是每一位显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于锁存笔画段字形
30、代码。当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止，单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路就可以了。静态显示的方法软件编程相对简单一些，但其占用的输出口较多，硬件资源需要较多。所以为使硬件结构简单和减少硬件的开支，本设计使用动态扫描显示的方法。动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-H同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制。CPU向字段输出口送出字形码时（即段控），所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，即位控，所以可以自行决定何时显
31、示哪一位。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的CoM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约ImS）,但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。在本设计中，为了减少硬件开销，提高系统可靠性和降低成本，采用电阻来连接各LED显示器，在软件上用扫描办法来实现数码显示。2.3.3LED与单片机的接口电路设计在本课题设计中，LED数码管显示采用常用的硬件电路连接方式，其中PO口用来控制选择输出数据，P2口的高四位用来控制L1D
32、片选显示。硬件上采用上拉电阻来连接各LID显示器，具体的电路设计如图2.3.3所示:Pl aHeader 3VCC P0.0 (ADO) PO l (ADl) P0.2 (AD2) PO .3 (AD3) P0.4 (AD4) PO .5 (AD5) P0.6 (AD6) P0.7_(AD7) EA/VPP Alejprog+5+5 Tl40 T 39 POO 238 P337 P436 POrT35P04634 P7T33P06832P079E7QRll IKCQHb Snn- O HZI11I一 g Hn-S I11I一 Q 工一 9图2.3.3LED电路设计2. 4按键电路的设计在本系统中设置有四个按键，其中两个按键用来设计输出波形频率，一个是加法键，一个减法键。另一组按键由其余四个按键组成，在本系统中，这四个独立的按键，用来输入控制命令，各键单独完成对波形的选择输出工作。按键与
