低频函数发生器小论.doc

低频函数发生器 摘 要：函数发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。本设计是基于C8051F410单片机设计的低频函数发生器，可产生三角波、方波、正弦波，其波形的频率、峰-峰值可以通过程序控制改变。关键词：信号发生器；单片机；波形0 引 言在电子系统中经常需要采用频率和幅度可调的低频信号发生器。但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。本系统可以产生正弦波、方波、三角波，其频率范围为0.1Hz100Hz，步进0.1Hz，峰-峰值范围为0V20V，步进0.1V；系统通过LCM3310显示屏显示其输出波形名称、频率、峰-峰值；并可通过按键改变其输出波形、频率、峰-峰值；通过串口与上位机通信，并实时显示及改变输出波形、频率、峰-峰值。该低频信号发生器具有低功耗、程控性、高稳定性、结构简单等特点。1 基本原理图1 低频函数发生器系统框图系统框图如图1所示，C8051F410单片机是系统的核心控制芯片，通过其IDAC功能模块和定时器模块产生波形信号；波形输出模块主要是将核心控制芯片的IDAC输出的电流信号转换为电压信号，并将其放大，达到设计指标；键盘输入模块用于调整波形名称、频率、峰-峰值；NOKIA3310显示屏为该系统的LCM显示模块，用于显示输出波形名称、频率值、峰-峰值；串口通信模块实现了与PC的实时通信。用户既可以通过系统按键调节低频函数发生器的输出波形、频率、峰-峰值，又可以通过PC机界面调整低频函数发生器输出波形的参数并显示。为了减小电源纹波噪声的干扰，本系统采用线性稳压电源作为供电电源，为系统提供+5V和15V直流电压。*指导教师:吴兴波(1964-),男,吉林通化人,吉林化工学院副教授,主要从事电子技术方面的研究. 联系电话2 硬件电路设计2.1 主系统电路设计C8051F410内部包含一个低压降稳压器（REG0）1。从VREGIN引脚输入到REG0的电压可达5.25V。REG0的输出可以用软件选择2.1V或2.5V。当被使能时，REG0的输出连到VDD引脚，为微控制器核供电，并可为外部器件提供电源，稳压器的输入（VREGIN）和输出（VDD）与地之间都应接入一个起保护作用的旁路电容（4.7uF+0.1uF）。键盘电路由五个按键组成，分别为“波形选择”、“模式选择”、“频率+10Hz（峰-峰值+10V）”、“频率+1Hz（峰-峰值+1V）”、“频率+0.1Hz（峰-峰值+0.1V）”。波形按键用于选择输出波形信号，可以选择正弦波、方波、三角波；模式按键用于选择需更改波形的频率、峰-峰值等参数，+10、+1、+0.1按键用于在模式选择确定的基础上更改参数值，分别在原来基础上+10Hz/+10V、+1Hz/+1V、+0.1Hz/+0.1V，当参数超出设定的最大值时参数变为当前数据减去设定的最大值。NOKIA3310显示屏用于显示波形名称、频率、幅值及模式提示标志。电路如图2所示。图2 主系统图2.2 直流稳压电源设计图3 直流稳压电源电路图电路图如图3所示，市电经变压器降压后通过整流桥整流和电容滤波，输入到7815和7915三端稳压块稳压，分别得到+15V和-15V的电源。其中电容C9、C10、C12、C13用于储能滤波；电容C8和C15用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡；C11与C14用于消除输出电压中的高频噪声。+5V电源工作原理与+15V产生原理相同，其输入电源引用了+15V电源。2.3 信号放大电路设计电路图如图4所示，设计中，单片机IDAC模块会产生02mA的电流信号，其经过电阻R3转换成02V的电压信号。经过电压跟随器LM358N(1)后增大电流-电压转换电路的输出阻抗。LM358N(2)构成一个差分比例放大电路，调节电阻R3与R8的值相等，参数对称，则差分放大电路的输出 (1)调节电阻R6，使Ui2的电压为1V，通过差分放大电路消除直流分量。同时调节电阻R3和R8的阻值，使放大倍数为10倍，则输出电压的峰-峰值可达到-10V10V，达到设计指标。 图4 信号放大电路2.4 串口通讯模块设计C8051F410单片机与PC的接口电路中采用芯片MAX232。具体电路如图5所示。图5 串口电路由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成电荷泵电路，产生+12V和-12V两个电源，提供给MAX232串口电平。芯片工作中，将单片机输出的0/5V信号转换成极性相反，电压为+/-10V与PC机串口信号兼容的电压信号2，完成单片机与PC机的数据交换。本系统中，单片机会将波形名称、频率、峰-峰值等数据通过串口通讯传送给PC机，同理，PC机也会将其设定好的数据传送给单片机，形成实时的数据交换。3 程序设计本设计中，应用到C8051F410单片机的定时器及IDAC产生频率和幅值稳定的波形,通过UART完成与上位机的通信。系统中，为了减少程序的运行周期，在参数调整时，计算对应波形数据并存入到存储波形数据的数组中，由于C8051F410内部数据存储器太小，但是有位于外部数据存储器空间的2048字节RAM，所以将数组存放到外部数据地址空间中，用数据调用方式替代数据的计算方式。系统程序流程图如图6所示：图6 程序流程图系统中，为了减少程序的运行周期，在参数调整时，计算对应波形数据并存入到存储波形数据的数组中，并将数组存放到外部数据地址空间中，用数据调用方式替代数据的计算方式3。由于单片机的执行效率很低，在单片机的程序设计中一般不会执行数学函数的计算，如sin()函数的计算。但是在一些特殊情况下，不得不用一些数学函数，因此将其数学函数的计算放到函数初始化用计算，将连续的函数进行离散化。并将计算结果存入数组中，将后续程序中数学函数计算改成数据的调用4。在低频函数发生器中。波形数据的产生就是运用了这一理论。正弦波信号离散化数据产生代码如下：for(i=0;iPOINTS;i+)/正弦波数据初始化WAVE_TABi=(int)(2047*sin(2*Pi*(float)(i)/POINTS)/2000*voltage)+2048;三角波信号离散化数据产生代码如下：for(i=0;iPOINTS/2;i+) /三角波数据初始化 WAVE_TABi= (int)(float)(i)*4095/(POINTS/2)-2048)/2000*voltage)+2048;for(i=POINTS/2;iPOINTS;i+)WAVE_TABi=(int)(2047(float)(float)(i)-POINTS/2)*4095/(POINTS/2)/2000*voltage)+2048;方弦波信号离散化数据产生代码如下：for(i=0;iPOINTS/2;i+) /方波数据初始化 WAVE_TABi= (int)(double)(2047)/2000*voltage)+2048;for(i=POINTS/2;iPOINTS;i+)WAVE_TABi= (int)(double)(-2047)/2000*voltage)+2048;4 PC机界面设计利用串口进行通信，除了通信所需要的硬件与线路外，更重要的是要有一套相关的通信软件。尽管市面上有许多商品通信软件，但很多情况下商品通信软件满足不了实际工作的需要。因为大多数的通信软件都是用一种定制模式，虽然可以完成收发文件等众多功能，但还是不能满足系统开发的需要。为方便软件开发人员编写串口通信程序，微软公司Microsoft Visual Basic开发软件推出了MSComm控件，使串口编程变得非常容易。本设计中，采用Microsoft Visual basic 6.0编写了带串口通信的低频函数发生器用户界面5。通过PC界面，更容易观察到低频函数发生器输出信号的参数，并可通过PC机改变输出信号的参数。用户界面如图7所示。图7 低频函数发生器PC机用户界面低频函数发生器用户界面设计中，应用到数据拆分与合并的技术。单片机发给PC机的数据是一整串数据，它包含了波形名称、频率、峰-峰值等数据，在用户界面中中需要显示波形名称、频率、峰-峰值时，就要将数据串拆分出各部分对应的数据并显示出来。反之，当用户界面修改了参数，PC系统会将波形名称、频率、峰-峰值等参数合并成单片机正确识别的格式，才能形成正确的通讯。5 结论本系统所产生的三种波形分别为正弦波、方波、三角波。频率范围在0.1Hz100Hz，峰-峰值范围在0V20V内可调。系统通过LCM3310显示屏显示输出波形名称及波形的频率、峰-峰值，并可通过按键改变输出波形及其频率、峰-峰值。并编写PC机控制软件，实现了本系统与PC机的通信。以C8051F410为核心的低频函数发生器实现了正弦波、方波、三角波的输出。其频率实现了在0.1Hz100Hz之间频率步进0.1Hz，峰-峰值在0V20V内步进0.1V。通过测量，频率误差小于0.05Hz，峰-峰值误差小于0.04V。与上位机的通信正常，达到了设计指标。参考文献1 许玲,程小琰.C8051F020单片机的特点及其在通信系统中的应用J.河南机电高等专科学校学报.2006(06)2 吴兴中,欧青立.一种PC与单片机多机RS232串口通信设计J.国外电子测量技术. 2009(01)3 童长飞编著.C8051F系列单片机开发与C语言编程M.北京航空航天大学出版社, 20054 曾志海,陈欣卓,胡瑞华.基于C8051F005的数字正弦函数发生器的设计J.自动化仪表. 2006(05)5 徐永洪,符影杰,江峰,范献林.基于VB 6.0的串口通信实现J.仪器仪表用户. 2004(01)Low Frequency Function GeneratorLIU Chang-sheng , WU Xing-bo*(Class-0803, Major of Electronic and Information Engineering, College of Information &Control Engineering)Abstract: Function generator is always used for signal generator, it is widely applied in the field of electronic circuit, automatic control system and teaching experiment. This design is