波形发生器的设计与仿真(校级优秀)

1、波形发生器的设计与仿真学生：芃博 指导老师：朱晓娟（信息与控制工程学院 电子信息工程专业）摘要：波形发生器是一种应用广泛的信号源。它输出的常规波形经常应用在电子电路的性能测试、参数测量，电子技术实验等科研领域。本文设计一种基于单片机AT89C52的波形发生器。系统根据查表法基本原理，采用单片机查询片ROM波形函数表，并用DAC0832进行数模转换实现波形生成。双D/A数控电位器实现幅度控制。系统利用软件方式实现直接数字频率合成，并使用LED灯作为波形的输出显示。输出波形包括正弦波、方波、三角波信号以与上述三种波形线性组合波，可以进行波形幅值和频率的调节，并用采用中断式键盘实现人机交互，串行E2

2、PROM（AT24C02）实现了波形数据的掉电保护功能。该波形发生器具有操作简便灵活，性价比高和智能化程度高等特点。关键词：波形发生器；数字频率合成；单片机AT89C52；D/A转换abstract：The Waveform generator is a widely used source.The conventional waveform of its output is often used in performance testing of electronic circuit,parameter measurement, electronic technology experimen

3、t and other research areas. This paper design a waveform generator based on SCM AT89C52.According to the basic principle of look-up table method,the system use the SCM to query the On-chip ROM waveform function table and use the DAC0832 chip to generate the waveform by digital to analog date convers

4、ion.The dual D/A digitally controlled potentiometers realize the waveform amplitude control.The system achieve the Direct Digital Frequency Synthesizer by programing as well as use the LED lamp to show the current waveform.Output waveforms include sine, squae, triangular wave signal and a linear com

5、bination wave of the above three kinds of waveforms. The amplitude and frequency of the waveform can be regulated.The user can control the waveform generator by using the interrupt-type keyboard. Serial E2PROM (AT24C02) realizes the waveform data protection against power down.The waveform generator

6、is simple, flexible, cost-effective and high intelligence. key words：Waveform generator; DDS; SCM AT89C52; Digital to analog conversion1绪论1.1课题背景波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路设计应用中必不可少的仪器设备之一。随着电子测量以与很多部门对各种波形信号发生器的广泛需要以与电子技术的快速发展，促使信号发生器性能提高，种类增多。尤其随着70年代微处理器的崭露头角，更促使信号发生器向着智能化、自动化方向发展。信号发生器作为一种通用

7、的电子设备，在科研、测控、通讯生产等领域都得到了非常广泛的运用。1.2理论分析直接数字频率合成(DDS，Direct Digital Synthesis)技术是一种先进的频率合成技术，其基本原理是基于奈奎斯特(Nyquist)采样定律，将模拟信号经采样量化后存入存储器的查找表中，通过寻址查找表的输出波形数据，再经过D/A转换以与滤波便可恢复原波形。基于DDS技术的任意波形信号发生器(AWG，Arbitrary Waveform Generator)具有较高的输出带、宽精细的频率分辨率、频率转换灵活、输出波形灵活等特点。图1-3为DDS模块原理图。图1-1DDS原理图1.3方案选择方案一：采用分

8、立元件实现非稳态的多谐振振荡器，这种信号发生器输出频率围窄，而且电路参数设定较繁琐，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。方案二：采用函数信号发生器MAX038集成模拟芯片，它是可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形，并且不能完全滤除掉。方案三: 采用锁相式频率合成方案。锁相式频率合成是将一个高稳定度和高精度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精度的大量离散频率的技术，它在一定程度上解决既要频率稳定精确，又要频率在较大围可变的矛盾。但频率受VCO可变频率围的影响，高低频比不可能做得很高，而且只能产生方波和正弦波，不

9、能满足任意波形的要求。方案四：采用单片机和DAC0832数模转换器生成波形，由于是软件滤波，所以不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较纯净。它的特点是价格低、性能高，在低频围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。经比较，方案四既可满足毕业设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易控制性价比较高，所以采用该方案。2系统总体设计本系统是基C51单片机控制的波形发生器。本系统包括：单片机模块，波形生成模块，调幅模块，键盘模块，波形指示灯模块，掉电保护模块和电源模块。系统原理图如图2-1所示：图2-1系统原理图输出波形为电压围为05V，频率围为11000Hz的方波、三角波、正弦波以与上述三种波形的

10、自定义组合波形，输出波形的频率和幅值以与组合波系数可通过键盘调节。频率控制由软件延迟实现，通过按键修改程序的延迟参数，改变波形表数据采样点之间插入时间延迟，从而改变输出波形参数。双D/A数控电位器实现幅度控制，单片机控制P1口给幅度控制DAC0832送幅度控制字，通过调幅按键可以修改幅度控制字的大小。具体电路图如图2-2所示。图2-2整体电路图波形指示灯显示当前输出波形种类、中断式键盘实现人机交互。串行EEPROM（AT24C02）实现了波形数据的掉电保护功能。系统具有较高的可靠性，可满足多种低频信号源的使用场所。3硬件设计3.1单片机模块3.1.1单片机AT89C52AT89C52是一个低电

11、压，高性能CMOS 8位单片机，片含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。设计中所用到的引脚：本系统采用12MHz晶振；，接XTAL1和XTAL2引脚；P0口为单片机与波形发生DAC0832的通信数据端口，其中P0口有8个10k的上拉电阻；AT89C52单片机复位靠外部电路来实现，信号由RESET（RST)引脚输入；P2.0P2.3接键盘译码芯片的输入口；P2.6P2.7为串行总线的时钟端和数据端；P3.0

12、、P3.1、P3.4、P3.5外接波形指示灯LED；P3.2和P3.3为外部终端输入端，外接中断键盘中断输入；P1口外接幅度控制数模转换器DAC0832，采用直通工作方式，改变幅度控制字来实现波形幅度控制。3.1.2晶振电路 图3-1 复位电路图 图3-2 晶振电路图本次设计采用的频率是12MHZ。时钟电路主要是由两个容量值小的电容和一个频率很高的晶振构成。主要的参数在图3-2中可以看出。时钟电路主要是对单片机提供工作频率。3.1.3复位电路单片机复位电路有两种：上电复位和按键复位，无论是采用哪种都能达到设计的目的。本设计采用的是按键复位。电路如图3-1所示。 3.2波形生成模块3.2.1DA

13、C0832数模转换芯片DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路与转换控制电路构成。3.2.2D/A转换电路本设计中为了提高波形生成时的数据转换速度，设置DAC0832工作在直通工作方式下，即单片机通过P0口输出的数字量时，直接由DAC0832进行数模转换，注意当P0口作为I/O口使用时应外接10k上拉电阻。具体电路如图3-4所示。 图3-3 波形生成模块电路图 图3-4 D/A转换电路图3.2.3 I/V转换电路本设计由单片机产生波形，由于单片机产生的数字量需转换成模拟量，DAC0832八

14、位的并行D/A转换器，转换速度快。由DAC0832转换得到的模拟量电流信号要转换成电压信号需外加I/V转换电路。第一个低频放大器TL082与DAC0832采取的是电流并联负反馈的方式，其作用是将电流转换成电压，因为本系统输出的是05V的波形信号。第二个低频放大器接成电压跟随器，其作用是使输出的正弦波平滑、稳定。其转换电路图如图所示。3.3幅度控制模块3.3.1幅度控制原理如图3-7所示, 在基准电压VREF1的作用下，由单片机送出的幅度控制字AW 由D /A转换器(DAC_ 1) 转换为幅度控制电压，并将此幅度控制电压作为图中D /A 转换器(即DAC_ 2) 的参考电压值，从而实现了输出信号

15、幅度的控制。图3-5 双D/A数控电位器原理图3.3.2幅度控制电路图3-6 幅度控制电路图本设计中利用两片DAC0832组成双D/A数控电位器，通过单片机送幅度控制字改变输出波形的幅值。双D/A数控电位器电路设计图如图3-6所示。3.4键盘模块3.4.1MM74C922键盘译码芯片MM74C922是一款集成了键盘防抖动技术和按键检测功能的16位按键的译码芯片。部振荡器能完成44矩阵键盘扫描，亦可用外部振荡器使键盘操作与其他处理同步，通过外接电容避免开关发生前、后沿弹跳所需的延时。有按键按下时数据有效线变高。3.4.2行列44矩阵式键盘电路由X1X4，Y1Y4的连接方式，即可确定每一个按键的编

16、码。如图3-7所示，从键盘的左下角开始，依次编码为0、1、2E、F。我们将A作为调调频键；B作为调幅键；C、D和E分别作为组合波波形系数X、Y和Z参数的设定键，当按下数字键后，按下参数设定键，即修改对应的波形参数；F作为掉电保护键。再加上09刚好16个按键。图3-7 44矩阵键盘电路3.4.3波形切换按键本设计中预置IE=0x85，定义开总中断，并设置外部中断INT0和INT1中断允许。预置IP=0x01，定义外部中断INT0为最高优先级。预置TCON=0x05，定义外部中断的触发方式为下降沿触发。单片机AT89C52外部中断1引脚接独立式键盘，电路图如3-11所示，并在主程序中初始化相应的中

17、断寄存器，设定中断触发方式和中断优先级。图3-8波形切换按键电路3.5掉电保护模块本机增加了当前波形参数掉电存储的功能。在二次开机后，用户可恢复上次关机前设定的波形参数。我们选用了EEPROMAT24C02，它是采用I2C接口的一种常用2Kbit的存储器。3.5.1I2C总线I2C总线是PHILIPS公司推出的芯片间的串行传输总线。它用两根线实现了完全双工同步数据传送，可以极为方便的构成多机系统和外围器件的扩展系统。I2C总线是一种用于IC器件之间的二线制总线。它通过SDA（串行数据线）与SCL（串行时钟线）两根线连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件，不管是单片机、存储器、LC

18、D驱动还是键盘接口。3.5.2存储模块电路将A0、A1、A2全部接地，即决定了该模块的地址为0xA0，AT24C02C的外围电路如图3-9 掉电保护模块电路图3.6电源模块单片机要工作,当然须要电源,电源的稳定性直接关系到整个系统的稳定性。因此,此部分的设计也是非常重要的。此电路将220V电压经过电源变压器、二极管全波整流、电容滤波、LM7805，LM7812，LM7912稳压输出稳定的5V和12V直流电压为整个电路提供电源。220V交流电经过电源变压器换成交流低压，在经过四个二极管组成的桥式整流电路整流，电容C1、C2、C3、C4和C5分别用于输入端和输出端的滤波电容，电容C7用于改善负载的

19、瞬态响应和消除输出电压中的高频噪声。如图3-10所示。图3-10 电源模块电路图4软件设计4.1主程序流程图 图4-1 主函数流程图 图4-2 键盘中断流程图 4.2子程序流程图4.2.1波形生成流程图 图4-3 正弦波生成函数流程图 图4-4 组合波流程图4.2.3组合波参数设定流程图以正弦波波形系数设定子函数为例，其流程图如图4-5所示： 图4-5 X参数设定流程图 图4-6掉电保护流程图5软件环境仿真5.1软件仿真平台简介Proteus嵌入式系统仿真与开发平台是由英国Labcenter公司开发的，是目前世界上最先进最完整的嵌入式系统设计与仿真平台。Keil C51是美国Keil Soft

20、ware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。本设计使用protues和keil51联调进行仿真。5.3仿真测试结果将编好的汇编程序通过Keil UV2软件编译，产生HEX文件。在Proteus中绘制好电路图后，把HEX文件加到Proteus中去，就可以对虚拟波形发生器进行软硬件结合调试仿真。5.3.1波形生成仿真图5-1波形生成仿真图5-2波形指示灯仿真图当波形生成模块正常工作时，相应的波形指示灯闪烁指示当前生成波形的类型。5.3.2调频与调幅功能仿真 图5-3调频调幅仿真首先自定义波形时，波形系数自动存入掉电保护存储器中。将单片机复位后，按下掉电保护按键即可恢复之前输入的波形。图

21、5-4掉电保护仿真图说明：当设定好组合波时，以正弦波和方波的叠加波形为例，当系统断电后，重新启动后按下掉电保护按键后，即可恢复之前设定的波形。6实物搭建与调试6.1STC-ISP下载编程步骤 （1）步骤一：选择所使用的单片机型号，如STC89c52。 （2）步骤二：打开（程序文件或EEPROM文件），即要烧录用户程序，必须调入用户的程序代码（即扩展名为*.bin或*.hex的文件）。选择串行口即所使用的电脑串口。（3）步骤三：针对具体单片机在STC-ISP下载控制软件中设置各选项。（4）步骤四：点击“Download/下载”按钮下载用户的程序进单片机部。6.2功能测试如图所示，电路搭建完毕后，

22、使用数字示波器对输出的波形进行测试。 图 6-1 实物输出波形测试 图6-2实物电路图6.5测试结果分析电路焊接好后，将外围电路与单片机最小系统连接，将输出波形送至数字示波器。经测试该系统可以生成稳定的正弦波，方波，三角波以与线性组合波，通过波形切换按键可以进行四种波形值之间的切换。矩阵式键盘可以设定组合波的波形系数，掉电保护按键可以再系统断电后恢复上一次输入的自定义组合波。参考文献1涵芳 徐爱卿.MCS51系列单片机原理.：航空航天大学，20022阎石 数字电子技术基础 高等教育出版3周雪. 模拟电子技术M. : 电子科技大学,2004.4梅笙,玮. 基于AT89C52控制的数控直流电流源的设计J.电子测试,2007 (2) :19223.5毅刚.新编MCS-51单片机应用设计M.：工业的，20086全国大学电子设计竞赛组委会.全国大学电子设计竞赛获奖作品选编(2003)M.:理工学，2005.7黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程M.:电子上业，2005.8Thoma