張 婷

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，山西 太原 030031)

0 引言

信號(hào)發(fā)生器是一種常見的信號(hào)源，在電子設(shè)計(jì)應(yīng)用和教學(xué)環(huán)境中經(jīng)常會(huì)用到。信號(hào)產(chǎn)生方法有很多種，如基于DDS設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器，模擬電路中可以利用集成運(yùn)算放大器來生產(chǎn)正弦波，方波，三角波等。波形較為穩(wěn)定但是波形頻率幅度值得改變需要外接電路元器件的改變，其電路較為復(fù)雜且成本較高。本文設(shè)計(jì)了一種低頻段的簡(jiǎn)單信號(hào)源可供一般的測(cè)試和教學(xué)環(huán)境使用。鑒于本設(shè)計(jì)應(yīng)用為基本簡(jiǎn)單環(huán)境，所以選擇了8位51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過編程及簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)，成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單[1]。方便學(xué)生設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)。最后可以通過proteus仿真來驗(yàn)證可行性，也可以連接實(shí)物用示波器進(jìn)行測(cè)試。

1 信號(hào)發(fā)生器總體模塊分析

信號(hào)發(fā)生器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該信號(hào)發(fā)生器由單片機(jī)控制模塊，按鍵電路模塊，LCD顯示模塊，DA模塊，放大電路組成。

單片機(jī)控制電路也就是單片機(jī)的最小系統(tǒng)，是控制信號(hào)發(fā)生器工作的核心控制部分。波形信號(hào)通過單片機(jī)輸出為數(shù)字信號(hào)，需要進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換以后才能輸出波形。模數(shù)轉(zhuǎn)換后對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單放大。單片機(jī)控制LCD顯示電路可以顯示波形相關(guān)信息。按鍵電路可以對(duì)波形種類，頻率大小和占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣就形成了信號(hào)發(fā)生器，可以產(chǎn)生不同的波形信號(hào)供使用。

圖1 計(jì)步器結(jié)構(gòu)框圖

2 信號(hào)發(fā)生器硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)模塊

本文采用8位單片機(jī)AT89C51，32個(gè)I/O口，2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)中斷源足夠完成該信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[2]。

由AT89C51芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)、輔助11.059 2 MHz晶振電路、復(fù)位電路構(gòu)成了最小系統(tǒng)。采用外部時(shí)鐘電路，接單片機(jī)的XXTAL1和XTAL2再加兩個(gè)輔助電容構(gòu)成時(shí)鐘電路，復(fù)位電路為手動(dòng)按鍵復(fù)位，為典型的RC電路，接法簡(jiǎn)單。

2.2 按鍵調(diào)節(jié)模塊

按鍵電路與單片機(jī)的P1口連接。共5個(gè)按鍵，一端接到單片機(jī)的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，P1.4和P1.5。另一端接地。開關(guān)處于閉合還是打開狀態(tài)可通過I/O口的高低電平來決定。

P1.0所接按鍵的作用是控制信號(hào)發(fā)生器的各個(gè)波形間的切換。該信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生4種波形，正弦波，三角波，方波和鋸齒波。每次按下按鍵信號(hào)就在4種波形中依次循環(huán)切換。

P1.1所接按鍵的作用是每次按下后信號(hào)的頻率提高1 Hz，當(dāng)然每次提高的步長(zhǎng)可以通過程序設(shè)置。P1.2所接按鍵的作用是每次按下后減低信號(hào)的頻率，每次降低1 Hz，當(dāng)然步長(zhǎng)可以通過程序設(shè)置。P1.3所接的按鍵是為了控制信號(hào)的占空比，如果信號(hào)為方波信號(hào)，每次按下提高信號(hào)的占空比。P1.4所接按鍵可以降低信號(hào)的占空比。

按鍵電路雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但卻是數(shù)字信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)多功能的關(guān)鍵電路。

圖2 按鍵電路

2.3 顯示模塊

本文采用比較常用的1602作為顯示模塊。LCD具有省電、體積小以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，分為字段型、字符型和點(diǎn)陣圖形。單片機(jī)控制模塊中常采用點(diǎn)陣字符型。LCD的工作原理其實(shí)很簡(jiǎn)單就是通過電流誘發(fā)內(nèi)部液晶分子點(diǎn)亮背部的小燈管，這樣就成了我們看見的LCD顯示屏。單片機(jī)只要向LCD顯示模塊寫入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)就可以顯示需要的內(nèi)容。

LCD顯示器，用于顯示信號(hào)的頻率和種類。如果要封裝起來用于實(shí)際開發(fā)可以選擇型號(hào)更加小巧的顯示器。

2.4 DA模塊

在單片機(jī)測(cè)控中，單片機(jī)只能輸出數(shù)字量，但是要想形成波形信號(hào)，需要輸出模擬量。就需要單片機(jī)自帶DA功能或者外接DA模塊。由于AT89C51不帶DA功能，所以需要設(shè)計(jì)外接DAC模塊。集成化的DAC芯片種類很多，本設(shè)計(jì)選用DAC0832具有兩級(jí)輸入數(shù)據(jù)寄存器是8位的DACA。DA位數(shù)越大轉(zhuǎn)換精度越大，對(duì)于本設(shè)計(jì)來說8位夠用。電流輸出建立時(shí)間為1us速度較快，可以實(shí)現(xiàn)雙緩沖輸入，單緩沖輸入或者直通輸入。單一電源供電，低功耗[3]。

AT89C51單片機(jī)控制DAC0832可實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)壓，單片機(jī)只要送給DAC0832不同的數(shù)字量，即可實(shí)現(xiàn)不同的模擬電壓輸出。8位數(shù)字信號(hào)輸入端接單片機(jī)的P2口。CS接單片機(jī)的P3.7口。

DAC0832的輸出電壓VO與輸入數(shù)字量B的關(guān)系為：VO=-(B*VREF)/256。可見，輸出的模擬電壓VO和輸入的B以及基準(zhǔn)電壓VREF成正比，且B為0時(shí)，VO也為0，B為255時(shí)，VO為最大的輸出。

連接電路如圖3所示。輸出端OUT2和OUT1接集成運(yùn)放，即為信號(hào)發(fā)生器輸出。本設(shè)計(jì)為單級(jí)運(yùn)算放大，如果在輸入信號(hào)較為小或者要求輸出較大的場(chǎng)合還可以通過兩級(jí)放大，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。后續(xù)電路中也可以加入濾波電路使輸出波形性能進(jìn)行改善。

圖3 DAC0832電路

3 信號(hào)發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件流程

該信號(hào)發(fā)生器的總體工作流程如圖4所示。設(shè)計(jì)開始，先對(duì)定時(shí)計(jì)數(shù)器，中斷，LCD和參數(shù)值進(jìn)行初始化。單片機(jī)默認(rèn)輸出頻率為50 Hz的正弦波信號(hào)。接下來等待按鍵是否按下，如果波形種類選擇按鈕按下則波形依次在正弦波，方波，三角波和鋸齒波四種波形中進(jìn)行切換，并LCD顯示輸出到DA。如果頻率調(diào)節(jié)波形按鍵按下則頻率隨著按鍵按下而進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果是調(diào)高則每次頻率增加1 Hz，如果頻率超過1 kHz，則每次增加100 Hz。如果是調(diào)低，則依次降低。每次調(diào)節(jié)步長(zhǎng)可以通過程序設(shè)置。如果是方波信號(hào)還可以通過按鍵對(duì)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

波形實(shí)現(xiàn)中，正弦波通過查表法實(shí)現(xiàn)，由于單片機(jī)位數(shù)有限，正弦表最多采樣255點(diǎn)，適用于普通場(chǎng)合。如果對(duì)波形要求較為嚴(yán)格的場(chǎng)合需要增加采樣點(diǎn)數(shù)。三角波的生成通過單片機(jī)程序直接控制，生成原理，設(shè)置一個(gè)變量讓它自增到255然后再自減到0，如此循環(huán)這個(gè)過程就形成三角波。鋸齒波生成原理和三角波類似，設(shè)置變量讓其自加就形成了斜坡，增加到255后降為0就形成了鋸齒波。方波延時(shí)一定時(shí)間的255再延時(shí)一定時(shí)間的0值即可生成，通過控制高電平和低電平的延時(shí)時(shí)間即可控制占空比實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)。通過控制定時(shí)計(jì)數(shù)器時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。

通過程序設(shè)計(jì)要比模擬電路調(diào)節(jié)元器件參數(shù)生成波形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易且擴(kuò)展性較強(qiáng)。核心問題是8位255的分表率較低，可通過增加CPU位數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)三角波，正弦波，方波和鋸齒波4種波形的生成。經(jīng)過protues軟件仿真[4]發(fā)現(xiàn)波形清晰干擾小。Protues軟件是一種混合電路仿真軟件，包括模電、數(shù)電和單片機(jī)及其外圍電路的仿真等。根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路在ptotues中畫出仿真電路圖，并將Keil編程生成的HEX文件下載到仿真圖的單片機(jī)里面，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的仿真。并用虛擬示波器觀察各種波形輸出，測(cè)試頻率。最終發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)基本符合要求。測(cè)試時(shí)LCD顯示正常，可以顯示頻率和波形種類。但是該設(shè)計(jì)仍然存在一些問題，如頻率范圍較小等缺點(diǎn)，希望后期可以采用位數(shù)較高的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)頻率范圍較廣和精度更高的信號(hào)發(fā)生器。該設(shè)計(jì)生成電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活可擴(kuò)展性強(qiáng)，成本低，在較多場(chǎng)合具有一定的實(shí)用價(jià)值。