基于51单片机的函数信号发生器

基于51单片机的函数信号发生器

设计方案

利用单片机AT89C52采用程序设计方法产生锯齿波、三角波、正弦波、方波四种波形，再通过D/A转换器DAC0832将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来，能产生10Hz—10kHz 的波形。通过键盘来控制四种波形的类型选择、拨码开关控制频率的变化，并通过液晶屏1602显示其各自的类型以及数值，系统大致包括信号发生部分、数/模转换部分以及液晶显示部分三部分，其中尤其对数/模转换部分和波形产生和变化部分进行详细论述。

设计要求

1)、利用单片机采用软件设计方法产生四种波形

2）、四种波形可通过键盘选择

3）、波形频率可调

4）、需显示波形的种类及其频率

方案设计

1 信号发生电路方案

通过单片机控制D/A，输出四种波形。此方案虽输出的波形不够稳定，抗干扰能力弱，不易调节，但此方案电路简单、成本低。因此选用此方案。

2 单片机的选择

AT89C52单片机是一种高性能8位单片微型计算机。它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机、而且其价格便宜。

3 显示方案

采用LCD液晶显示器1602。其功率小，效果明显，显示编程容易控制，可以显示字母。

4 键盘方案论证

采用独立式键盘。独立式键盘具有硬件与软件相对简单的特点，其缺点是按键数量较多时，要占用大量口线。

总体系统设计

该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析以及信号的处理和变换，采用按键

输入，利用液晶显示电路输出数字显示的方案。将设计任务分解为按键电路、液晶显示电路等模块。下图为系统的总体框图：

总体方框图

硬件实现及单元电路设计

1单片机最小系统的设计

AT89C52是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图（2） 89C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：

(1)有可供用户使用的大量I/O口线。

(2)内部存储器容量有限。

(3)应用系统开发具有特殊性。

89C51单片机最小系统

2 波形产生模块设计

由单片机采用编程方法产生三种波形、通过DA转换模块DAC0832在经过滤波放大之后输出。其电路图如下：

波形产生电路

如上图所示，单片机的P0口连接DAC0832的八位数据输入端，DAC0832的输出端接放大器，经过放大后输出所要的波形。DAC0832的为八位数据并行输入的，其结构图如下：

DAC0832的内部结构

3 低通滤波模块

用了2个模拟开关CD4051，来控制不同路的输出和频率的分段，对于方波的输出，通过单片机和DA输出可以达到10KHZ，所以根据在实测是频率高到几K时出现的上升沿和下降沿，出现的上升时间和下降时间太长的现象，油然想到正反馈的原理，后端加上了整形电路，选择了施密特器件CD40106，输出波形，则波形输出较好。

正弦波，通过方波滤波电路来实现5KHZ以后的输出，一直可以很平稳的提高到10KHZ，具体的电路都是在软件仿真可行的前提下来做的。

方波和正弦波滤波低频电路（一阶）。

方波整形电路（即就是一个斯密特器件）

三角波，三角波滤波原理与正弦波几乎无太大区别，在1KHZ以前的滤波和正弦波是一个电路，在1KHZ以后我们为了保证波形无失真度所以采用了方波滤波也即是通过一个有源积分电路来实现三角波的输出，具体电路如下：

方波变三角波电路（高频）

方波变正弦波电路（高频）

4 显示模块的设计

通过液晶1602显示输出的波形、频率，其电路图如下：

液晶显示

如上图所示，1602的八位数据端接单片机的P2口，其三个使能端RS、RW、E分别接单片机的P1.6—P1.4。通过软件控制液晶屏可以显示波形的种类以及波形的频率。

5 键盘显示模块的设计

由于本系统所用按键少，所以采用独立键盘，其连接电路图如下：

键盘

图中独立键盘引出的四根线分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3，另一端接地。各开关的功能如图所示。

软件设计流程

本系统采用AT89C52单片机，用编程的方法来产生四种波形，并通过编程来切换四种波形以及波形频率的改变。

具体功能有：（1）各个波形的切换；（2）各种参数的设定；（3）频率增减等。

软件调试后，通过编程器下载到AT89C52芯片中，然后插到系统中即可独立完成所有的控制。

软件的流程图如下：

输出波形的种类与频率的测试

1测量仪器及测试说明

测量说明：正弦波、矩形波、三角波和方波信号的输出，通过对独立键盘来实现其不同波形的输出以及用拨码开关改变其频率。

2测试过程

当程序下进去时经过初始化，当开关1按下是此时输出波形为方波，当开关2按下是此时输出波形为锯齿波，当开关3按下是此时输出波形为三角波，当开关4按下是此时输出波形为正弦波。

四种波形的仿真波形图如下：

方波

锯齿波三角波正弦波