本文介紹一種用AT89C51單片機構(gòu)成的波形發(fā)生器，可產(chǎn)生方波、三角波、正弦波、鋸齒波等多種波形，波形的周期可用程序改變，并可根據(jù)需要選擇單極性輸出或雙極性輸出，具有線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越等特點。 文章給出了源代碼，通過仿真測試，其性能指標達到了設(shè)計要求。

附錄 3 器件清單

1.1單片機概述

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、(I/O)接口、定時器/計數(shù)器和串行通信接口，以及其他一些計算機外圍電路等均可集成在一塊芯片上構(gòu)成單片微型計算機，簡稱為單片機。 單片機具有體積小、成本低，性能穩(wěn)定、使用壽命長等特點。 其最明顯的優(yōu)勢就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中，這是其他計算機和網(wǎng)絡(luò)都無法做到的[9, 10]。

1.2信號發(fā)生器的分類

信號發(fā)生器應(yīng)用廣泛，種類繁多，性能各異，分類也不盡一致。 按照頻率范圍分類可以分為：超低頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、視頻信號發(fā)生器、高頻波形發(fā)生器、甚高頻波形發(fā)生器和超高頻信號發(fā)生器。 按照輸出波形分類可以分為：正弦信號發(fā)生器和非正弦信號發(fā)生器，非正弦信號發(fā)生器又包括：脈沖信號發(fā)生器，函數(shù)信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、數(shù)字序列波形發(fā)生器、圖形信號發(fā)生器、噪聲信號發(fā)生器等。 按照信號發(fā)生器性能指標可以分為一般信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器。 前者指對輸出信號的頻率、幅度的準確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要求不高的一類信號發(fā)生器。 后者是指其輸出信號的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準確、穩(wěn)定、屏蔽良好的中、高檔信號發(fā)生器。

1.3 研究內(nèi)容

2.1 方案的比較

方案一：采用單片函數(shù)發(fā)生器（如8038），8038可同時產(chǎn)生正弦波、方波等，而且方法簡單易行，用D/A轉(zhuǎn)換器的輸出來改變調(diào)制電壓，也可以實現(xiàn)數(shù)控調(diào)整頻率，但產(chǎn)生信號的頻率穩(wěn)定度不高。

方案二：采用鎖相式頻率合成器，利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在所需頻率上，該方案性能良好，但難以達到輸出頻率覆蓋系數(shù)的要求，且電路復(fù)雜。

方案三：采用單片機編程的方法來實現(xiàn)。 該方法可以通過編程的方法來控制信號波形的頻率和幅度，而且在硬件電路不變的情況下，通過改變程序來實現(xiàn)頻率的變換。 此外，由于通過編程方法產(chǎn)生的是數(shù)字信號，所以信號的精度可以做的很高。

鑒于方案一的信號頻率不夠穩(wěn)定和方案二的電路復(fù)雜，頻率覆蓋系數(shù)難以達標等缺點，所以決定采用方案三的設(shè)計方法。 它不僅采用軟硬件結(jié)合，軟件控制硬件的方法來實現(xiàn)，使得信號頻率的穩(wěn)定性和精度的準確性得以保證，而且它使用的幾種元器件都是常用的元器件，容易得到，且價格便宜，使得硬件的開銷達到最省。

2.2 設(shè)計原理

數(shù)字信號可以通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，因此可通過產(chǎn)生數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成模擬信號的方法來獲得所需要的波形。 89C51單片機本身就是一個完整的微型計算機，具有組成微型計算機的各部分部件：中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接口等，只要將89C51再配置鍵盤及其接口、顯示器及其接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、指示燈及其接口等四部分，即可構(gòu)成所需的波形發(fā)生器，其信號發(fā)生器構(gòu)成原理框圖如圖2.1所示。

圖2.1  信號發(fā)生器原理框圖

89C51是整個波形發(fā)生器的核心部分，通過程序的編寫和執(zhí)行，產(chǎn)生各種各樣的信號，并從鍵盤接收數(shù)據(jù)，進行各種功能的轉(zhuǎn)換和信號幅度的調(diào)節(jié)。 當(dāng)數(shù)字信號經(jīng)過接口電路到達轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號也就是所需要的輸出波形。

2.3 設(shè)計思想

（1）利用單片機產(chǎn)生方波、正弦波、三角波和鋸齒波等信號波形，信號的頻率和幅度可變。

（2）將一個周期的信號分離成256個點（按X軸等分），每兩點之間的時間間隔為T，用單片機的定時器產(chǎn)生，其表示式為：T=T/256。

如果單片機的晶振為12MHz，采用定時器方式0，則定時器的初值為：

                         X=213—T/Tmec                                  (2.1)

定時時間常數(shù)為：

                     TL =（8192—T）/MOD256                           (2.2)

TH=(8192T)/256                                  (2.3)

MOD32表示除32取余數(shù)

（3）正弦波的模擬信號是D/A轉(zhuǎn)換器的模擬量輸出，其計算公式為：

                         Y=（A/2sint）+A/2   (其中A=VREF)                 (2.4)

                        t=NT             (N=1~256)                      (2.5)

那么對應(yīng)著存放在計算機里的這一點的數(shù)據(jù)為：                    

                                                                             （2.6）   （4）一個周期被分離成256個點，對應(yīng)的四種波形的256個數(shù)據(jù)存放在以TAB1--TAB4為起始地址的存儲器中。

2.4 設(shè)計功能

（1）本方案利用8155擴展8個獨立式按鍵，6個LED顯示器。 其中“S0”號鍵代表方波輸出，“S1”號鍵代表正弦波輸出，“S2”號鍵代表三角波輸出，“S3” 號鍵代表鋸齒波輸出。

（2）“S4”號鍵為10Hz的頻率信號，“S5”號鍵為100Hz的頻率信號，“S6”號鍵為500Hz的頻率信號，“S7”號鍵為1KHz的頻率信號，6個LED顯示器輸出信號的頻率值，選用共陽極LED。

（3）利用兩片DAC0832實現(xiàn)幅度可調(diào)的信號源，（其中一片用來調(diào)節(jié)幅度，另外一片用來實現(xiàn)信號源的輸出）。

（4）頻率范圍：10~1000Hz。

（5）輸出波形幅度為0～5V。

第三章 硬件設(shè)計

3.1 硬件原理框圖

硬件原理方框圖如圖3.1所示。

圖3.1 硬件原理框圖

3.2 主控電路

AT89C51單處機內(nèi)部設(shè)置兩個16位可編程的定時器/計數(shù)器T0和T1，它們具有計數(shù)器方式和定時器方式兩種工作方式及4種工作模式。 在波形發(fā)生器中，將其作定時器使用，用它來精確地確定波形的兩個采樣點輸出之間的延遲時間。 模式1采用的是16位計數(shù)器，當(dāng)T0或T1被允許計數(shù)后，從初值開始加計數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時向CPU請求中斷。

中斷系統(tǒng)是使處理器具有對外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。 當(dāng)中央處理器CPU正在處理某件事的時候外界發(fā)生了緊急事件，要求CPU暫停當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個緊急事件。 在波形發(fā)生器中，只用到片內(nèi)定時器／計數(shù)器溢出時產(chǎn)生的中斷請求，即是在AT89C51輸出一個波形采樣點信號后，接著啟動定時器，在定時器未產(chǎn)生中斷之前，AT89C51等待，直到定時器計時結(jié)束，產(chǎn)生中斷請求，AT89C51響應(yīng)中斷，接著輸出下一個采樣點信號，如此循環(huán)產(chǎn)生所需要的信號波形[6]。

如圖3.2所示，AT89C51從P0口接收來自鍵盤的信號，并通過P2口輸出一些控制信號，將其輸入到8155的信號控制端，用于控制其信號的輸入、輸出。 如果有鍵按下，則在讀控制端會產(chǎn)生一個讀信號，使單片機讀入信號。 如果有信號輸出，則在寫控制端產(chǎn)生一個寫信號，并將所要輸出的信號通過8155的PB口輸出，并在數(shù)碼管上顯示出來。

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圖3.2  主控電路圖

3.3 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路

由于單片機產(chǎn)生的是數(shù)字信號，要想得到所需要的波形，就要把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，所以該文選用價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易并具有8位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832。 DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。 但實際上，DAC0832輸出的電量也不是真正能連續(xù)可調(diào)，而是以其絕對分辨率為單位增減，是準模擬量的輸出。 DAC0832是電流型輸出，在應(yīng)用時外接運放使之成為電壓型輸出。

由圖3.3可知，DAC0832的片選地址為7FFFH，當(dāng)P25有效時，若P0口向其送的數(shù)據(jù)為00H， 則U1 的輸出電壓為0V;若P0口向其送的數(shù)據(jù)為0FFH時， 則U1的輸出電壓為-5V. 故當(dāng)U1 輸出電壓為0V時，由公式                  得：Vout = - 5V.當(dāng)輸出電壓為- 5V時，可得：Vout = +5V，所以輸出波形的電壓變化范圍為- 5V～+ 5V. 故可推得，當(dāng)P0所送數(shù)據(jù)為80H時，Vout為0V[4]。

圖3.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

3.4 按鍵接口電路

圖3.4為鍵盤接口電路的原理圖，圖中鍵盤和8155的PA口相連，AT89C51的P0口和8155的D0口相連，AT89C51不斷的掃描鍵盤，看是否有鍵按下，如有，則根據(jù)相應(yīng)按鍵作出反應(yīng)。 其中“S0”號鍵代表方波輸出，“S1”號鍵代表正弦波輸出，“S2”號鍵代表三角波輸出。“S3”號鍵代表鋸齒波輸出，“S4”號鍵為10Hz的頻率信號，“S5”號鍵為100Hz的頻率信號，“S6”號鍵為500Hz的頻率信號，“S7”號鍵為1KHz的頻率信號[3]。

   圖3.4 按鍵接口

3.5 時鐘電路

8051單片機有兩個引腳（XTAL1，XTAL2）用于外接石英晶體和微調(diào)電容，從而構(gòu)成時鐘電路，其電路圖如圖3.5所示。

電容C1、C2對振蕩頻率有穩(wěn)定作用，其容量的選擇為30pf，振蕩器選擇頻率為12MHz的石英晶體。 由于頻率較大時，三角波、正弦波、鋸齒波中每一點的延時時間為幾微秒，故延時時間還要加上指令時間才能獲得較大的頻率波形[9]。

     圖3.5 時鐘電路

3.6 顯示電路

顯示電路是用來顯示波形信號的頻率，使得整個系統(tǒng)更加合理，從經(jīng)濟的角度出發(fā)，所以顯示器件采用LED數(shù)碼管顯示器。 而且LED數(shù)碼管是采用共陽極接法，當(dāng)主控端口輸出一個低電平后，與其相對應(yīng)的數(shù)碼管即變亮，顯示所需數(shù)據(jù)。 其器件模型如圖3.6所示。

圖3.6 LED顯示電路

第四章 軟件設(shè)計

4.1 程序流程圖

本文中子程序的調(diào)用是通過按鍵的選擇來實現(xiàn)，在取得按鍵相應(yīng)的鍵值后，啟動計時器和相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，再直接查詢程序中預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)值，通過轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電壓，從而形成所需的各種波形。

主程序的流程圖如圖4.1所示，在程序開始運行之后，首先是對8155進行初始化，之后判斷信號頻率值，如符合所需的頻率，則重置時間常數(shù)，并通過顯示器顯示出來，不符則返回。 在中斷結(jié)束后，還要來判斷波形是否符合，如符合，則顯示其頻率，不符則返回，重新判斷。

圖4.1  主程序流程圖

圖4.2為各波形子程序的流程圖。 如圖所示，在中斷服務(wù)子程序開始后，通過判斷來確定各種波形的輸出，當(dāng)判斷選擇的不是方波后，則轉(zhuǎn)向?qū)φ�弦波的判斷，如此反�?fù)。 如果選擇的是方波，則用查表的方法求出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過D/A轉(zhuǎn)換

器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，形成所需波形信號。

圖4.2  子程序流程圖

課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識, 發(fā)現(xiàn), 提出, 分析和解決實際問題, 鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié), 是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，單片機已經(jīng)成為當(dāng)今計算機應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說得是無處不在。 因此作為二十一世紀的大學(xué)來說掌握單片機的開發(fā)技術(shù)是十分重要的。

回顧起此次單片機課程設(shè)計，我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在好幾個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。 在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說不懂一些元器件的使用方法，對單片機匯編語言掌握得不好……通過這次課程設(shè)計之后，一定把以前所學(xué)過的知識重新溫故。

這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多編程問題，最后在宋老師的辛勤指導(dǎo)下，終于游逆而解。 同時，在宋老師那里我學(xué)得到很多實用的知識，在次我表示感謝！同時，對給過我?guī)椭�的所有同學(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！