简易信号发生器

唐山学院

《单片机原理及应用》课程设计

题目简易信号发生器

系 (部) 信息工程系

班级

姓名

学号

指导教师

2013 年 12 月 30 日至 2014 年 1 月 3 日共 1 周2014年 1 月 3 日

《单片机原理及应用》课程设计任务书

课程设计成绩评定表

目录

1 引言 (1)

2 总体设计 (2)

2.1系统原理设计 (2)

2.1.1设计原理 (2)

2.1.2设计方案论证 (2)

2.1.3设计思想 (3)

2.1.4设计功能 (3)

2.2硬件原理框图 (4)

2.3电路构成 (4)

2.3.1主控电路 (4)

2.3.2 数模转换电路 (5)

2.3.3 按键接口电路 (6)

2.3.4 复位及时钟电路 (6)

2.4器件选择 (7)

2.5软件设计 (7)

2.5.1 软件设计原理 (7)

2.5.2 软件流程图 (7)

3 设计总结 (10)

参考文献 (11)

附录 (12)

引言

AT89C51单片机随着大规模集成电路技术的发展，由中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、(I/O)接口、定时器/计数器和串行通信接口，以及其他一些计算机外围电路等均可集成在一块芯片上构成单片微型计算机。单片机具有体积小、成本低，性能稳定、使用寿命长等特点。其最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中，这是其他计算机和网络都无法做到的[1，2]

信号发生器是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。

本实验介绍一种用AT89C51单片机构成的波形发生器，可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波等多种波形，波形的频率可调，并由DAC0832转换模块单输入缓冲方式，输入的数字量转换为模拟量得到波形，具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点。

2总体设计

2.1系统原理设计

2.1.1 设计原理

数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号，因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。89C51单片机具有组成微型计算机的各部分部件将89C51再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指示灯及其接口等四部分，即可构成所需的波形发生器，其信号发生器构成原理框图如图2-1所示。

图2-1 信号发生器原理框图

89C51是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样的信号，并从键盘接收数据，进行各种功能的转换和信号幅度的调节。当数字信号经过接口电路到达转换电路，将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。

2.1.2 设计方案论证

方案一：采用单片函数发生器（如8038），8038可同时产生正弦波、方波等，而且方法简单易行，用D/A转换器的输出来改变调制电压，也可以实现数控调整频率，但产生信号的频率稳定度不高。

方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂。

方案三：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换。此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。

鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二的电路复杂，频率覆盖系数难以达标等缺点，所以决定采用方案三的设计方法。它不仅采用软硬件结合，软件控制硬件的方法来实现，使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证，而且它使

用的几种元器件都是常用的元器件，容易得到，且价格便宜，使得硬件的开销达

到最省。

2.1.3 设计思想

（1）利用单片机产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形，信号的频率可变。

（2）将一个周期的信号分离成256个点（按X轴等分），每两点之间的时间

间隔为∆T，用单片机的定时器产生，其表示式为：∆T=T/256。

如果单片机的晶振为12MHz，采用定时器方式0，则定时器的初值为：

temp=216—∆T/T mec (2.1)

定时时间常数为

TL =（65536—temp）%256 (2.2)

TH=(65536-temp)/256 (2.3)

（3）正弦波的模拟信号是D/A转换器的模拟量输出，其计算公式为：

Y=（A/2sin∆t）+A/2 (其中A=VREF) (2.4)

∆t=N∆T (2.5)

那么对应着存放在计算机里的这一点的数据为：

(2.6)

（4）一个周期被分离成256个点，对应的四种波形的256个数据存放在以T

AB1--TAB4为起始地址的存储器中。

2.1.4 设计功能

（1）本方案扩展3个独立式按键，其中“key1”号键代表波形选择按键，

按照计数选择波形，当num=1时，输出波形为正弦波，当num=2时，输出波形为

三角波，当num=3时，输出波形为方波，当num=4时，输出波形为锯齿波。“key2”

号键代表频率增加，延时减少“key3”号键代表频率减少，延时增加。

（2）可实现波形选择和频率调节，其范围为0.1~50Hz。

2.2硬件原理框图

硬件原理方框图如图2-2所示

图2-2硬件原理框图

2.3 电路构成

2.3.1主控电路

AT89C51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。

在AT89C51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，AT89C51等待，直到定时器计时结束，产生中断请求，AT89C51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[3]如图2-3所示，硬件原理仿真图：