基于单片机的函数信号发生器的设计与实现

1、姓名：刘作东姓名：刘作东班级：电子班级：电子10711071班班学号：学号：10712051421071205142专业：电子信息工程专业：电子信息工程指导老师：庄立运指导老师：庄立运 信号发生器亦称函数发生器，主要作为实验用信号源，是现今信号发生器亦称函数发生器，主要作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，波形种类多为锯齿、场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，波形种类多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。用分立元件组成的函数发生器，通常是正弦、方波、

2、三角等波形。用分立元件组成的函数发生器，通常是单函数发生器且频率不高单函数发生器且频率不高, ,其工作不很稳定其工作不很稳定, ,不易调试不易调试; ;用集成芯片的用集成芯片的函数发生器，可达到较高的频率和产生多种波形信号函数发生器，可达到较高的频率和产生多种波形信号, ,但电路较为复但电路较为复杂且不易调试。利用单片集成芯片的函数发生器，能产生多种波形杂且不易调试。利用单片集成芯片的函数发生器，能产生多种波形, ,达到较高的频率达到较高的频率, ,且易于调试且易于调试; ;利用专用直接数字合成利用专用直接数字合成DDSDDS芯片的函数芯片的函数发生器，能产生任意波形并达到很高的频率发生器，能

3、产生任意波形并达到很高的频率, ,但成本较高。但成本较高。v 当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会，当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会， 电子技术的进步，给人们带来了根本性的转变。现代电子领域中，单片电子技术的进步，给人们带来了根本性的转变。现代电子领域中，单片机的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统控制与检测技术的日益机的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统控制与检测技术的日益革新。单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格比，在智能仪表系革新。单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格比，在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛的应用，并走入家庭，

4、从洗衣统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛的应用，并走入家庭，从洗衣机、微波炉到音响汽车，处处可见其应用。因此，单片机技术开发和应机、微波炉到音响汽车，处处可见其应用。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。 函数信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的一函数信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的一 般可以完全由硬件电路搭接而成，如采用般可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555555振荡电路发生正弦波、三振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电角波和方波

5、的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RCRC要很大。大电阻，大电要很大。大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证。体积大，

6、漏电，损耗显著容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证。体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。增加。 利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其频率底线很低。利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其频率底线很低。具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。只要对

7、电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。 此设计研究的主要内容和重点则是：此设计研究的主要内容和重点则是： 利用利用AT89C51AT89C51单片机和一片单片机和一片DAC0832DAC0832数模转换器，组成数字式信号发生器。数模转换器，组成数字式信号发生器。 （一）硬件电路的实现原理与构思（一）硬件电路的实现原理与构思 1 1AT89C51AT89C51单片机控制的函数信号发生器主原理图单片机控制的函数信号发生器主原理图单片机AT89C51显示模块波形输出键盘输入DAC0832 图1.1 硬件原理框图 因为因为AT89C5

8、1AT89C51单片机自身便有一个单片机自身便有一个64K64K的程序存储器，所以不用的程序存储器，所以不用 扩展外加程序存储器。由单片机编程即可由单片机输出所需要信号的数扩展外加程序存储器。由单片机编程即可由单片机输出所需要信号的数字量，再由字量，再由D/AD/A转换器将数字量转化为模拟电流输出，通过运放转化为转换器将数字量转化为模拟电流输出，通过运放转化为模拟电压输出。模拟电压输出。 因为因为D/AD/A数模转换器的最大输出电压是由其输入的基准电压来控制的，数模转换器的最大输出电压是由其输入的基准电压来控制的，所以只要能控制所以只要能控制D/AD/A的基准电压便可以控制输出幅度，实现幅度可

9、调。的基准电压便可以控制输出幅度，实现幅度可调。 P10P11P12P13P14S1S2S3S4切换频率升高频率降低占空比升高S5占空比降低 图1.2 键盘输入模块 由于本设计要求控制波形的频率和方波的占空比，所以一共由于本设计要求控制波形的频率和方波的占空比，所以一共 需要需要5 5个按键（如上图个按键（如上图1.21.2），所以设计选用），所以设计选用P1.0P1.4P1.0P1.4口来作为键盘控口来作为键盘控制输入口。制输入口。P1.0P1.0口作为波形切换输入口，口作为波形切换输入口，P1.1P1.1调节频率使频率升高，调节频率使频率升高，P1.2P1.2调节频率使频率降低，调节频率使

10、频率降低，P1.3P1.3增大输出的方波的占空比，增大输出的方波的占空比，P1.4P1.4减小输减小输出方波的占空比。出方波的占空比。 本设计中要求用液晶显示器显示输出信号的频率和波形的性质等信本设计中要求用液晶显示器显示输出信号的频率和波形的性质等信息，而这些信息在信号输出的时候是需要随按键的输入而时刻改变的，息，而这些信息在信号输出的时候是需要随按键的输入而时刻改变的，所以设计中选用液晶显示器所以设计中选用液晶显示器LCD1602LCD1602，它可以显示字母及其他符号，这，它可以显示字母及其他符号，这样保证了波形的性质以及频率能够完全显示出来，由单片机的样保证了波形的性质以及频率能够完全

11、显示出来，由单片机的P0.0P0.7P0.0P0.7口输出显示数据。这样可以节省单片机的端口来做其它的用口输出显示数据。这样可以节省单片机的端口来做其它的用途，给予了装置可优化性。途，给予了装置可优化性。 通过键盘输入模块中的切换按键，可以实现正弦波、方波、锯通过键盘输入模块中的切换按键，可以实现正弦波、方波、锯齿波、三角波的波形切换，通过如图齿波、三角波的波形切换，通过如图1.21.2所示的所示的S2S2和和S3S3频率升高和降频率升高和降低按键实现频率的升降，同样通过图低按键实现频率的升降，同样通过图1.21.2的的S4S4和和S5S5占空比升高和降低占空比升高和降低按键实现方波占空比的变

12、化。按键实现方波占空比的变化。（二）（二） 软件设计的构思软件设计的构思v 开 始初始化 有键按下 ？S1num=1S2按下S3按下S4按下S5按下频率升高频率降低S1num+S1num=2S1num=3S1num=4 S1按下NY占空 比 降低占空 比 升高输出正弦波显示sine输出方波显示 square输出锯齿波显示stw输出三角波显示triangle图2.1 软件设计主流程图 单片机内部数据只有单片机内部数据只有0 0、1 1之分，所产生的信号也都是离散信号。之分，所产生的信号也都是离散信号。为了能够让单片机输出所需的数字信号，我们采用对信号采样、量为了能够让单片机输出所需的数字信号，我

13、们采用对信号采样、量化的方法来实现由单片机产生所需信号。在本设计中，对信号的四化的方法来实现由单片机产生所需信号。在本设计中，对信号的四分之一周期采样分之一周期采样1919个幅度值，通过反复查表来输出幅度值，而整个个幅度值，通过反复查表来输出幅度值，而整个信号是通过正查表和逆向查表来实现的。采样的点越密，信号失真信号是通过正查表和逆向查表来实现的。采样的点越密，信号失真度也就越小。两次采样点的输出时间间隔是由定时、计数器来控制度也就越小。两次采样点的输出时间间隔是由定时、计数器来控制的，因此，通过控制不同的计数初值就可以控制整个信号的频率。的，因此，通过控制不同的计数初值就可以控制整个信号的频

14、率。计数时间计数时间= =信号周期信号周期/72/72。计数次数。计数次数= =计数时间计数时间/ /机器周期。对应的，机器周期。对应的，计数初值计数初值=65536=65536计数次数。单片机只能产生离散频率的信号，所计数次数。单片机只能产生离散频率的信号，所以所得到的信号频率不是连续的，而是离散的频率点。由于以所得到的信号频率不是连续的，而是离散的频率点。由于 这部分计算位数较多，不适合用单片机编程来计算计数初值，这部分计算位数较多，不适合用单片机编程来计算计数初值， 所以本设计中将各频率的计数初值算出，让单片机按控制命令来查所以本设计中将各频率的计数初值算出，让单片机按控制命令来查表控制频率。表控制频率。 正弦波和三角波的频率控制方法都与上述方法相同，而方波的正弦波和三角波的频率控制方法都与上述方法相同，而方波的频率控制是半周期计数，经过半周期只需改变输出为最大或最小电频率控制是半周期计数，经过半周期只需改变输出为最大或最小电平即可。平即可。