单片机波形发生器

第一章波形发生器概述

在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。

1.1课题的来源与技术背景

不论是在生产还是在科研与教学上，信号发生器都是电子工程师仿真实验的最佳工具。随着我国经济和科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求，信号发生器己成为测试仪器中至关重要的一类，因此开发信号发生器具有重大意义。传统的信号发生器采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活。本设计充分利用单片机灵活的控制、丰富的外设处理能力，采用DDS技术，实现频率、幅值可调的函数波形的输出，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。

根据其频率发生方法又可分为谐振法和合成法两种。一般的传统发生器都是采用的谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，来获得所需频率，也可以根据频率合成技术来获得所需频率。

利用频率合成技术制成的合成波形发生器，通常被称为频率合成器或频率综合器。频率综合器是指利用频率合成技术合成的频率源，它常常是没有调制的，也没有足够宽的和足够准确的输出电平调节，其工作范围往往也不宽，最小频率间隔也比较大，一般做专用设备使用，或做某一个系统中的一个组成部分。

1.2波形发生器设计的目的及意义

（1）利用所学单片机机的理论知识进行软硬件整体设计，锻炼学生理论联系实际、提高我们的综合应用能力。

（2）我们这次的课程设计是以单片机为基础，设计并开发能输出多种波形（正弦波、三角波、锯齿波、方波）且频率、幅度可变的波形发生器。

（3）掌握各个接口芯片(如0832等)的功能特性及接口方法，并能运用其实现一个简单的单片机应用系统功能器件。

（4）在平时的学习中，我们所学的知识大都是课本上的，在机房的练习大家也都是分散的对各个章节的内容进行练习。因此，缺乏一种系统的设计锻炼。在课程所学结束以后，这样的课程设计十分有助于学生的知识系统的总结到一起。

（5）通过这几个波形进行组合形成了一个波形发生器，使得我对系统的整个框架的设计有了一个很好的锻炼。这不仅有助于大家找到自己感兴趣的题目，更可以锻炼大家单片机知识的应用。

第二章多功能波形发生器设计任务

2.1 设计内容及要求

题目：多功能波形发生器设计

本系统设计一个由微控制器为核心的多功能波形发生器。具体要求如下。

①．该发生器能在操作人员控制下输出正弦波、方波、三角波或锯齿波波形。

②．这些波形的极性、周期和占空比（对矩形波而言）等可由操作人员设置和修改（信号频率可调节）。通过示波器显示、检验产生的波形。

设计相应的D/A、键盘、显示接口电路，说明工作原理，编写程序及程序流程图。可在线键盘参数设置，其中控制输出部分采用D/A0832模拟量输出。2.2 方案的论证与比较

2.2.1 信号发生电路方案论证

方案一：通过单片机控制D/A，输出三种波形。此方案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。

方案二：使用传统的锁相频率合成方法。通过芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。此方案，电路复杂，干扰因素多，不易实现。

方案三：利用MAX038芯片组成的电路输出波形。MAX038是精密高频波形产生电路，能够产生准确的三角波、方波和正弦波三种周期性波形。但此方案成本高，程序复杂度高。

以上三种方案综合考虑，选择方案一。

2.2.2 单片机的选择论证

方案一：AT89S52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。

方案二：C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8052的数字外

设部件，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，而且执行速度快。但其价格较贵

以上两种方案综合考虑，选择方案一

2.2.3 显示方案论证

方案一：采用LED数码管。LED数码管由8个发光二极管组成，每只数码管轮流显示各自的字符。由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间隔小于1/16s时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。使用数码管显示编程较易，但要显示内容多，而且数码管不能显示字母。

方案二：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。

以上两种方案综合考虑，选择方案二。

2.2.4 键盘方案论证

方案一：矩阵式键盘。矩阵式键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线都断开，行线都呈高电平。当某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线被短路。

方案二：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。

以上两种方案综合考虑，选择方案二。

第三章总体设计方案

3.1 设计思想

利用AT89C51单片机外接数模转换器和运算放大电路，由用户通过按键选择输出实验室中经常使用到的几种基本波形：方波、锯齿波、正弦波和三角波。方波由AT89C51单片机将最大值和最小值输出给Ｄ／Ａ进行转换，并由用户通过键盘选择波形周期。与微处理器兼容的8位数模转换器DAC0832将数字量转换为模拟量电压信号，通过运放电路得到锯齿波、正弦波、三角波信号，波形保证了它的精度、平滑和稳定。

可采用单片机程序产生以上4种波形，并通过一片Ｄ／Ａ转换器输出。另外，采用一片Ｄ／Ａ转换器来控制前一片Ｄ／A转换器的参考电压，从而可以改变输出波形幅值，见图1所示。通过外接键盘来设定波形的类型、幅值和频率，并在扩展的七段LED显示器上显示响应的波形的类型、幅值和频率。

AT89C51单片机时钟电路采用内部方式，外接陶瓷谐振器（频率为12MHz），微调电容值为30pF。系统复位采用按键式外部复位方式，复位信号至少保持8us 以上。通过按键由用户选择要输出的波形，按键选择占用P3.4—P3.7口，采用独立式键盘结构，框图如图3.1所示。

图3.1 总体方案结构框图