基于单片机的全数字信号发生器设计

基于单片机的全数字信号发生器设计设备技术网时间:2010-4-13来源：电子技术网作者：工业设备常用频率量信号作为采集量，如使用光电编码器采信数据，当调试使用频率信号的设备时，由于机械等部份还未动作，无法采集信号，因此需要使用信号发生器。

对于在工业现场使用的设备，其要求与实验室设备并不相同，如果直接使用实验室中所用的标准信号发生器，往往会觉得其体积过大、价格太高、使用较麻烦等。

工业现场使用的设备，其绝对精度要求并不高，关键要稳定可靠，便于携带和使用。

一、性能分析这个项目的目标是替代工业现场的频率采样装置，典型的如光电编码器。

通过调查，确认最终要制作的信号发生器的性能指标如下：频率范围：0~1Hz，以0.1Hz步进，1~500Hz，以1Hz步进；波形：矩形波或方波均可；精度：频率值的相对误差不超过±1%；功能：（1）信号发生，信号发生器以给定的频率输出信号；（2）脉冲个数计数，仪器可对本身已发出的脉冲个数进行计数；（3）设定值可存储，每次上电自动调出前次设定值。

二、初步设计在确定了性能指标后，可以进行初步设计，考虑其显示、操作等方面的要求。

1、显示部分待设定的频率值最高为500HZ，只要3位数码管即可；要求对输出脉冲计数，虽未给出要求的计数值，但3位数码管最大仅能计到999，似乎太少了一些，再考虑到该仪器以后的扩展，如希望以后能加一些高端点频（600、700、800、900、1000、2000、5000、10K等），需要更多的数码管显示，因此最终选择5位数码管显示。

2、键盘部分键盘有很多方案可供选择，如工业品中常用的三键或四键方案，当然也可以用多键（如市售有一些标准的12或16键键盘）等，经过反复比较，考虑到易制作、易使用等等诸多因素，最终将键的个数确定为5个。

键盘操作方案是仪器易用性的很重要的一个方面，这并非仪器的关键部分，但键盘、显示程序的工作量往往占据整个设计的很大的一部份。

对键盘设计，重要的是要确定各按键功能，描述出各键的具体操作。

本仪器的键设计如下：1．工作状态描述由转换键切换两种状态（1）显示设定的频率值（2）显示脉冲个数值2．键定义切换键增加键减少键开启/停止键清除键3．键操作描述切换键：切换两种工作状态增加和减少键：在显示设定频率值时按，按增加键、减少键设定频率，范围为0.1~500HZ，每按一次增加键，设定值加1，如果按着键不放，稍后进入连续状态，设定值快速增加；按减少键，设定值减1，如果按着键不放，稍后进入连续状态，设定值快速减少。

当频率设定值小于1以后，每按一次增加或减少键，设定值增加或减少0.1。

开启/停止键：开始/停止信号发生清除键：用于清除当前脉冲个数的计数值。

4．工作过程开机后，信号发生器自动运行，有信号输出，按下“开启/停止”键，则信号发生器停止工作，没有信号输出，再次按下“开启/停止”键，则信号发生器又开始工作，继续输出信号。

信号灯用于指示信号发生器工作还是停止，当有信号产生时，信号指示灯闪烁，信号发生器暂停工作时，信号指示灯灭。

三、硬件电路的设计在确定了性能指标、操作方案后，可以开始设计，首先要确定信号产生的方式。

该信号发生器的绝对精度指标不高，但是其要求的最低频率低至0.1HZ，而最高分辨也要求达到0.1HZ，如果采用模拟技术难以达到，或需要付出较高代价才能做到。

考虑到仪器的最高输出频率仅为500HZ，而且只需要提供要方波或矩形波，所以采用单片机做成全数字信号发生器。

在有了这一设计思想之后，需要确定该方案是否可行，该方案准备采用单片机的定时器产生信号，由于定时器的定时时间只能是整数，因此，不可避免会在一些频率点上产生误差，为此，用Excel对计数值、真实频率值作了测算，部分表格如表1和表2所示，经过测算表明，当采用12M晶振时，绝对误差最大约0.12HZ（492Hz处），相对误差最大约0.024%（492Hz处），可以满足要求，因此决定采用这一方案。

当然，这仅是理论值，考虑到单片机定时中断的响应时间等因素，实际的误差肯定要比这个计算值大，但是要达到±1%的精度要求并不难，而其长期工作的稳定性取决于晶振的稳定度，并且晶振频率的变化引起的输出频率的变化也很微小，因此其长期工作稳定性也很好。

以下是部份测算的表格，完整的表格在本期光盘Excel文件中。

表1 较高频率算法理论频率 t(ms) 真实频率绝对误差相对误差10 100000 10 0.00E+00 0.00E+0011 90909 11.00001 1.00E-06 9.09E-0812 83333 12.00005 4.00E-06 3.33E-0713 76923 13.00001 1.00E-06 7.69E-0814 71429 13.99992 -6.00E-06 -4.29E-0715 66667 14.99993 -5.00E-06 -3.33E-0716 62500 16 0.00E+00 0.00E+0017 58824 16.99986 -8.00E-06 -4.71E-0718 55556 17.99986 -8.00E-06 -4.44E-0719 52632 18.99985 -8.00E-06 -4.21E-0720 50000 20 0.00E+00 0.00E+00表1 较低频率算法f(hz) t(ms) 次数频率值误差相对误差0.1 10000000 5000 0.1 0.00E+00 0.00E+000.2 5000000 2500 0.2 0.00E+00 0.00E+00 0.3 3333333 1667 0.29994 -2.00E-04 -6.67E-040.4 2500000 1250 0.4 0.00E+00 0.00E+000.5 2000000 1000 0.5 0.00E+00 0.00E+00 0.6 1666667 833 0.60024 4.00E-04 6.67E-04 0.7 1428571 714 0.70028 4.00E-04 5.72E-040.8 1250000 625 0.8 0.00E+00 0.00E+000.9 1111111 556 0.899281 -7.99E-04 -8.88E-04在确定了信号发生的方式以后，综合初步设计中提出的一些技术指标要求，进一步确定具体的实施方案。

根据以往的设计经验，显示部分由单片机的P0口与P2口直接驱动；数据存储则采用串行EEPROM；信号由单片机的一个I/O口输出，并经驱动后输出。

经过上述的设计后，可以确定这个仪器的框图如图1所示。

原理框图出来后，选择一款合适的机壳，然后综合考虑按键、数码管的安装方式，以便进行更详细的设计。

数码管和按键必须安装在印板上才能安装到面板上，数码管与单片机的连线较多，5位数码管，需要13根线，再加上按键的连线共有19根，如果将单片机放在另一块板上，必然要用大量导线与键盘显示板连接，而大量的连线是我们不愿意做的，这不仅使得安装困难，而且线易折断造成故障，因此干脆将单片机也装在同一块板上，只留下电源和输出电路放在另一块板上，这样，两块板间只需3根引线即可，大大降低了装配困难，也减少了故障隐患。

整个设计的原理图，如图2和图3所示。

其中图2是主板图，提供了包括数码管显示驱动、键盘等在内的大部份功能。

从图中可以看到，该电路主要由这样几部份组成：（1）数码管显示部份，由单片机及相关外围电路构成5位数码管显示电路；（2）按键部份，按设计共有5个按键；（3）EEPROM存储器，这里选择I2C接口的AT24C01A芯片；（4）一只LED指示灯；（5）输出管脚。

以上分别需要单片机片机的13、5、3、1、1个引脚，因此，单片机共要用到23只管脚。

引脚数量确定后，即可初步确定主芯片的型号，这里选用40引脚的AT89C51单片机。

如果编程中发现内部资源（如片内RAM、ROM、定时器等）不够，可以更换为89C52等其他单片机，比较灵活。

图3是电源、输出部分，从图中可以看出，仪器的输出接口采用两种方式，即集电极开路（OC门）方式和射极输出方式，其中OC门方式是很多以频率信号为输出的仪器的标准输出方式，如光电编码器、霍尔开关等。

基于单片机的全数字信号发生器设计设备技术网时间:2010-4-13全数字信号发生器的硬件部分就介绍到这里，下一期将介绍程序的编写。

图2本仪器的程序主要由键盘、显示程序、AT24C01A读写程序、信号产生程序等部分组成。

以下对部分功能作一些分析。

一、键盘程序本仪器需要调整的数值范围较大，因此，“增加”和“减少”键必须具有快速连加和快速连减的功能，否则调整速度太慢。

这种键盘可以用多种方法来实现，关键在于设计一个正确的程序结构，图1是一种实现方法的流程图。

图1流程图程序工作时，不断地扫描键盘，第一次扫描到有键按下后如常规键盘一样，进行键值处理，处理完毕，不等待键盘释放，直接退出键盘程序。

当又一次执行到键盘程序，如果检测到键还被按着，就不再直接去键值处理程序，而是将一个计数器加1，直接返回主程序，如此循环，直到计数到一个定值（如500，表示键盘程序已被执行了500次），如果键还被按着，说明用户有连加（或连减）要求，程序即将计数器减去一个数值（如30），然后进行键值处理。

这样，以后键盘程序每执行30次，就执行一次键值处进程序，实现了第一次启动时间较长，以后快速连续动作的要求。

如果检测到键已被释放，则清除所有标志，将计数器清零，准备下一次按键处理。

程序开始时定义了两个常量：Qdsj和Ljsj，如下所示const uint Qdsj=500; /*与首次启动连加（减）功能的时间有关*/const uint Ljsj=30; /*与连加（减）的速度有关*/这两个常量与第一次启动及连加、减的速度有关，具体数值应根据实际情况试验后确定。

下面是部分键处理程序，注意其中这两个变量的使用。

void Key()/*键处理*/{ ……if(!KeyValue){…无键按下，清除一切标志退出}if(KeyMark) /*第一次检测到按键吗?*/{ KeyCounter++; /*不是第一次(KeyMark已是1了)*/if(Qdsj==KeyCounter) /*连续按着已有Qdsj次了*/{ KeyCounter-=Ljsj; /*减去Ljsj次*/KeyProcess(KeyValue,1); /*键值处理*/}else{ return ; } /* 如果按着还没有到Qdsj*/}else /*第一次检测到有键按下*/{ mDelay(10); /*延时10毫秒*/…再次检测if(!KeyValue){…清除一切标志并返回｝}二、小数点的处理要在LED数码管上显示小数点，可以有两种选择，一种方式是在显示0.1~0.9时用小数显示，而在显示1~500时不显示小数点，这种方式编程略麻烦一些；另一种是使用定点的方式显示小数点，即不论是在0.1~0.9Hz段，还是1~500Hz段，均在倒数第二位点亮小数点，这种显示方式比较简单，本机采用了第二种方式。