51单片机波形发生器

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引言
本次课程设计课题是信号发生器，又称为信号源或振荡器，在生产实践和科技领 域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波 形，如方波、锯齿波、三角波、正弦波的电路被称为函数信号发生器。在通信、广播、 电视系统，在工业、农业、生物医学领域内，函数信号发生器在实验室和设备检测中具 有十分广泛的用途。
3 系统软件设计........................................................................................................... ８
3.1 主程序模块.......................................................................................................８ 3.2 中断模块...........................................................................................................９
运放输出 电压
2.1 主控电路 12C5A60S2 单处机内部有两个 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。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，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，用到片内定时器／计数器以及 2 个外部中断产生的中断请求， 即是在 12C5A60S2 接受外部中断信号后，进入按键判断程序产生中断请求，12C5A60S2 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。
经比较，方案四既可满足课程设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易 控制，性价比高，所以采用该方案.
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1.2 改变幅度方案： 方案一：可以将送给 DA 的数字量乘以一个系数，这样就可以改变 DA 输出电流的幅
度，从而改变输出电压；但是这样做有很严重的问题，单片机在做乘法运算时需要很长 的时间，这样的话输出波形的频率就会很低，达不到至少 500HZ 的要求；
并且该方案的输出电压做不到连续可调，当 DA 的输入数字量比较小时，输出的波 形失真就会比较严重。
方案二：将输出电压通过一个运算放大器的放大。这样还有个优点是幅度连续可调。 经比较，方案二既可满足课程设计的基本要求，并且电路也挺简单。
2 硬件设计
按键输入
12C5A60S2 单片机
DAC0832
图 2.1 硬件原理框图
x=0:2*pi/64:2*pi; y=round(sin(x)*127)+128
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图 2.2 主控电路
2.2 数/模转换电路 由于单片机产生的是数字信号，要想得到所需要的波形，就要把数字信号转换成模
拟信号，所以该文选用价格低廉、接口简单、转换控制容易并具有 8 位分辨率的数模转 换器 DAC0832。DAC0832 主要由 8 位输入寄存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 转换器以及 输入控制电路四部分组成。但实际上，DAC0832 输出的电量也不是真正能连续可调，而 是以其绝对分辨率为单位增减，是准模拟量的输出。DAC0832 是电流型输出，在应用时 外接运放使之成为电压型输出。
1 系统方案论证
本课设方案论证分为两部分，分别为波形频率部分和调幅部分。 1.1 波形及频率的产生
方案一：采用模拟电路搭建函数信号发生器，它可以同时产生方波、三角波、正弦 波。但是这种模块产生的不能产生任意的波形（例如梯形波），并且频率调节很不方便。
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。
12C5A60S2 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。
波形 ROM 表是将信号一个周期等间距地分离成 64 个点，储存在单片机得 ROM 内。 具体 ROM 表是通过 MATLAB 生成的，例如正弦表，MATLAB 生成的程序如下：
方案三：使用集成信号发生器发生芯片，例如 AD9850,它可以生成最高几十 MHZ 的 波形。但是该方案也不能产生任意波形（例如梯形波），并且价格昂贵。
方案四：采用 AT89C51 单片机和 DAC的波形比较纯净。它的特点是可产生任意波形，频率容易调节，频率能达到设 计的 500HZ 以上。性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。
2 硬件设计................................................................................................................... ６
2.1 主控电路...........................................................................................................６ 2.2 数/模转换电路.................................................................................................７ 2.3 模数转换电路...................................................................................................８
编号：
基础工程设计说明书
题 目： 基于 51 单片机的波形 发生器
院 （系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 电子信息科学与技术
学生姓名： 学 号：
讲师
指导教师：
职 称：
2016 年 1 月 10 日
摘要
本文以STC89C51单片机为核心设计了一个函数信号发生器。信号发生器采用数字波 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、方波、三 角波，波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。波形和频率的改变通过软件控制， 幅度的改变通过硬件实现。介绍了波形的生成原理、硬件电路和软件部分的设计原理。 该信号发生器具有体积小、价格低、性能稳定、功能齐全的优点。
信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。按照频率范围分类 可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、 甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为：正弦信号发生器 和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器，函数信号发生器、 扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信 号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频 率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。后者是指其输 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。
关键词:低频信号发生器;单片机;D /A 转换
Abstract
A function signal generator based on STC12C5A60S2 MCU is designed in this paper. Signal generator with digital waveform synthesis technology, the hardware circuit and software program combined custom output waveforms, such as sine wave, square wave, triangle wave, frequency and amplitude of the waveform in a certain range can be arbitrarily changed. The change of waveform and frequency is controlled by software, the change of amplitude is realized by hardware. The principle of waveform generation, hardware circuit and software design are introduced in this paper. The signal generator has the advantages of small size, low price, stable performance and complete functions.
1.1 波形及频率的产生...........................................................................................５ 1.2 改变幅度方案：................................................................................................６
Key words: signal generator; single chip microcomputer; D/A Transformation