(1)利用設計一個能產生正弦波、方波、三角波、梯形波、鋸齒波的波形發生器。(2)以單片機為核心,利用數模轉換芯片0832 完成數模轉換。

(3)以按鍵來選擇要產生的波形。(4)用示波器觀察波形。

采用單片機和 DAC0832 數模轉換器生成波形。通過編程的方法來控制輸入到數模轉換電路的數字量，從而控制輸出信號的波形和頻率。它的特點是價格低、設計簡單， 在低頻范圍內穩定性好、操作方便、體積小、耗電少。

用 LCD 液晶進行顯示。LCD 由于其顯示清晰，顯示內容豐富，顯示信息量大，使用方便，顯示快速而得到了廣泛的應用。

采用獨立式按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根 I/O 接口線,每個 I/O 口的工作狀態互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。缺點為當按鍵較多時占用單片機的 I/O 口數目較多，優點為電路設計簡單，且編程相對比較容易。

本系統包括主控模塊，顯示模塊，信號發生模塊，鍵盤模塊，運放模塊，綜上各方案所述，確定最終設計方案為：采用AT89C51 作為主控制系統，LCD 液晶顯示作為顯示部分，獨立式按鍵作為鍵盤模塊，數模轉換芯片 DAC0832 作為信號發生模塊，LM324 作為電流/電壓轉換放大模塊。

數模轉換電路是本設計的關鍵電路，它決定著將數字信號轉變為模擬信號，從而得到各種所需要的波形。

數模轉換器可將數字量信號轉換成與此數值成正比的模擬量信號。需要轉換的數字量由一個二進制數字表示，每位二進制數字都有一定的權，在轉換中，應將二進制數的每一位按照權的大小轉換成相應的模擬量輸出分量，然后將各個輸出分量疊加，總和就是與數字量成正比的模擬量數值。

電路設計如圖 5 所示，包括由 R-2R 組成的電阻網絡、模擬電子開關和集成運算放大器。

對于電阻網絡，無論從哪個 R-2R 節點看，等效電阻都是 R，因此，從參考電壓端輸入的電流為： IR=VREF/R

VO = - RF∑Ii= －Rfb VREF/R×28(D7×27 +D6×26 +D5×25+ D4×24+D3×23+D2×22+D1×21+D0×20)

其中 VREF 是進行 D/A 轉換的系統提供的參考電壓，Rfb 為集成運算放大器的反饋電阻，D7 ~ D0 取值為 0 或 1，0 表示切換開關與地相連，1 表示與參考電壓相連。通過上述電路，即完成了二進制數字信號到模擬電壓信號的轉換。

出滿刻度值與 2n 之比（n 為 D/A 轉換器的二進制位數）。二進制位數越多，分辨率越高， 即 D/A 轉換器對輸入量變化的敏感程度越高。使用時，應根據對 D/A 轉換器分辨率的需要來選定 D/A 轉換器的位數。

相對精度是指在滿刻度已經校準的前提下，在整個刻度范圍內，對應于任一數碼的模擬量輸出與它的理論值之差。通常用偏差幾個 LSB 來表示。

建立時間是描述 D/A 轉換器轉換快慢的一個參數，用于表明轉換時間或轉換速度。其值為從輸入數字量到輸出達到總值誤差±(1/2)LSB（最低有效位）時所需的時間。電流輸出的轉換時間較短，而電壓輸出的轉換器，由于要加上完成 I-V 轉換的運算放大器的延遲時間，因此轉換時間要長一些。快速 D/A 轉換器的轉換時間可控制在 1us 以下。

通常用非線性誤差的大小表示 D/A 轉換器的線性度，輸入輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分數表示非線性誤差。一定溫度下的最大非線性誤差一般為 0.01%～0.03%。

半導體公司生產的具有 2 個數據寄存器的 8 位分辨率的D/A 轉換芯片。此芯片與微處理器完全兼容，并且價格低廉，接口簡單，轉換控制容易， 在單片機應用系統中得到了廣泛的應用。

DAC0832 的內部結構框圖如圖 6 所示。它由 8 位輸入鎖存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 轉換器及轉換控制電路構成，通過兩個輸入寄存器構成兩級數據輸入鎖存。

使用時，數據輸入可以采用兩級鎖存（雙鎖存）、單級鎖存（一級鎖存，一級直通方式）或直接輸入（兩級直通）形式。上圖中，2個與門電路組成寄存器輸出控制邏輯電路， 該邏輯電路的功能是進行數據鎖存控制。

Rfb：反饋電阻輸入端。內部接反饋電阻，外部通過該引腳接運放輸出端。為了取得電壓輸出，需要在輸出端接運算放大器，Rfb 即為運算放大器的反饋電阻端。

Vref：基準電壓，其值為-10V～+10V。AGND：模擬信號地。

DGND：數字信號地，為工作電源地和數字邏輯地，可在基準電源處進行單點共地。VCC：電源輸入端，其值為+5V～+15V。

處于直通工作方式，數字量一旦輸入，就直接進入 DAC 寄存器，進行 D/A 轉換，從輸出端得到轉換的模擬量。

DAC0832 輸出信號經運放電路轉變為電壓后有兩種輸出方式。一種為單極性輸出方式。此方式中，DAC0832 通過使用一片LM324 運算放大器將從單片機輸入的數字量 Din 轉換為電壓輸出，其輸出電壓為 Uout=Din/28 *（-VREF）。當 VREF=5V 時，Uout的輸出范圍為-5V~0V。另一種為雙極性輸出方式。本設計中采用雙極性輸出方式，如圖 9 所示。其雙極性輸出原理為：因為 U1為-5V~0V，根據電流環路定理有

U1 + UREF  + Uout   = 0

所以當 VREF=5V,而 U1 為-5V~ 0V 輸出時，Uout 的輸出為-5~+5V，即實現了雙極性輸出。

            

顯示模塊主要是用來顯示輸出信號的波形類型和頻率大小，本設計中以 LM016L 作為顯示器件。LM016L 智能型顯示模塊是一種低功耗、低價值、低損耗的顯示器件，它不但可以顯示各式各樣的字符、漢字和圖形，同時具有可編程能力，且與單片機接口方便。

LCD LM016L 采用標準的14腳接口，各引腳接口說明如下： 第1腳：VSS 為地電源。

第3腳：VEE 為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K 的電位器調整對比度。

第4腳：RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當 RS 和 R/W 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當 RS 為低電平 R/W 為高電平時可以

第6腳：E 端為使能端，當 E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。

016液晶模塊內部的字符發生存儲器（CGROM）已經存儲了160個不同的點陣字符圖形。

該子系統是5 個獨立鍵盤和一個2 輸入與門組成，其中與門輸出端連接單片機的P3.2 口以便形成外部中斷。5 個按鍵分別連接單片機的 P2.0~P2.4 口。2 輸入與門一引腳與K1 按鍵相連，另一引腳接高電平。當 K1 按下時，INT0 為低電平，可知外部中斷到了， 系統執行中斷程序。當 K2~K5 按鍵某一個按下時，對應的 P2.1~P2.4 口中某個為低電平， 系統可以感知此按鍵按下，從而執行相應的程序。每個按鍵的功能如表 2 所示。

                          

系統軟件主要是用來控制信號發生器系統按照設計的邏輯進行運行。在軟件設計上， 根據功能分成了多個模塊編程，主要包括：主程序模塊、四種不同的波形產生模塊、按鍵處理模塊、外部中斷模塊、液晶顯示模塊等。

本系統采用編程的方法，來輸出四種不同的波形即正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波。各種波形的產生方法如下。

正弦波的產生比較特殊，它不能由單片機直接產生，只能由如圖 17 所示的階梯波來向正弦波逼近。很顯然，在一個周期內階梯波的階梯數目越多，單片機輸出的波形也就

先假定正弦波的振幅是 2.56 V，則波谷對應的數字量為最小值 00H，波峰對應的數字量為最大值 FFH。將正弦波的第一個周期的波形按角度均分為若干等份，并計算出各點對應的電壓值，電壓值計算方法：Vx=2.5·(1+sinθ)，因為 00H～FFH 對應的數字量為0～255，所以根據算出的電壓就可直接寫出各點所對應的數字量。單片機將一個周期的數字量存入一定的存儲區域中，然后依次循環取出這些數字量，并送 D/A 電路轉換成階梯波，即近似的正弦波輸出。圖 18 為正弦波產生的流程圖。

如圖 19 所示，矩形波的實現比較簡單。首先定義一個無符號字符型變量 i=0，使自變量 i 不斷的自動加 1，若 i 的值小于squa_num，將 P0 口賦值為 0xFF；若 i 的值大于squa_num，則將 P0 口賦值為 0x00。當 i 自加到 256 后又自動變為 0，以此循環，即可得

到矩形波。當 squa_num=128 時，此時輸出的為方波。調節 squa_num 的大小，即可實現矩形波占空比的調節；調節延時時間的大小，即可實現矩形波頻率的改變。

三角波中的斜線用一個個小臺階來逼近，當臺階間隔很小時，波形基本上近似一直線。首先定義一個無符號字符型變量i=0，使自變量 i 不斷的自動加 1，若 i 的值小于 128， 將 P0 口賦值為 i；若 i 的值大于 128，則將 P0 口賦值為 256-i。當 i 自加到 256 后又自動變為 0，以此循環，從而 P0 口實現了周期性的數字量變換，在經過數模轉換后轉變成模擬信號，經運算放大電路后就得到了周期性的三角波。三角波產生流程圖如圖 20 所示。

鋸齒波的實現過程與三角波類似，也是定義一個變量 i=0，并使 P0=i，自變量 i 不斷的自動加 1，直到加到 255，然后 i 又可以自動歸為 0，再不斷的重復上過程。在此過程中，P0 口的值也隨著 i 一樣變化，經數模轉換 DAC0832 后，周期性逐一變化的數字量就轉換為鋸齒波輸出了。通過調節 P0 口每相鄰兩個值之間的延遲時間，就可以改變鋸齒波的頻率。圖 21 為鋸齒波發生流程圖。

4.4 液晶顯示子程序
LCD LM016L 的顯示函數很簡單，只要嚴格按照其時序圖操作，并結合其相關指令集，寫好 LCD 的初始化程序，清屏程序，寫指令程序，寫數據程序，讀數據程序等一系列驅動程序，即可完成 LCD 的所有顯示需要。在本設計中，由于需要顯示的內容比較多， 且有些需要重復顯示，有些只要顯示一次，故只畫出液晶顯示的基本流程，如圖 23 所示。

中斷子程序是用來控制輸出波形的選擇及將輸出波形的類型在 LCD 液晶顯示屏上顯示出來。當波形選擇按鍵 K1 按下時，進入中斷程序中，此時波形選擇標識 WaveChoice 加 1，LCD 液晶顯示屏上顯示出相應的波形類型。中斷結束后，主程序中根據WaveChoice的值輸出相應的波形。圖 24 為 INT0 中斷流程圖。

打開 Keil 新建工程文件，然后添加源程序文件，保存時把文件后綴名改成“.c”，再直接導入新建的工程中。

把源程序全部錄入后，先粗略的檢查一遍，主要改正明顯的各種錯誤，這樣可以減少之后的修改工作量。接著 Options forTarget “Target 1” ，點擊 Output ，勾選 Create Hex 那個選項，生成可執行的文件。然后點擊 Project 菜單下的 Built Target 命令然后再進行編譯、連接，形成目標文件。編譯、連接用 Project 菜單下的 Built Target 命令（或快捷鍵 F7），也可以直接點擊工具欄中相對應的圖標。

在 Proteus 軟件中先從元件庫中加載要使用的那些元件，然后把元件放在圖紙上一個一個的接線，盡量不讓線交錯，便于查看、分析，有必要時，使用接線標號法。完成所有元器件的接線后，在單片機上右擊選 Edit Properties，在 Program file 那一行右側點擊， 然后選擇前面生成的以“.hex”為后綴名的文件，為單片機 AT89C51 添加可執行文件。然后點擊左下角的相關按鍵，開始進行仿真。

           

           

           

           

           

           

           

（1）      通過查閱大量資料使自己對信號發生器的研究現狀、原理、工作方式等的基本    概念及技術發展有了更好的理解。

（3）      本系統使用了單片機作為主控制器，直接由軟件產生不同波形信號的輸出， 因此在如何編寫程序方面下了很大的功夫，也收獲了很多知識。

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2023-5-18 20:20 上傳

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