基于 51 單片機的數字信號發生器的設計
西安交通大學 姜萌 彭保基 楊東平
摘要：本文介紹了基于 ATMEL 公司的 AT89C51 和 AT89C2051 的數字信
號發生器的硬件設計和軟件編程思想。
關鍵詞：51 單片機，UART 通訊，模擬開關，波形轉換
概述：我們用一塊AT89C51實現鍵盤輸入掃描與LED數碼管顯示控制，
同時通過UART向AT89C2051發送頻率控制與波形轉換檔位選擇信息。
AT89C2051 通過 UART 接收 AT89C51 發送的控制信息，選擇波形轉換
檔位之后通過內部定時器在 I/O 口產生相應頻率的方波信號，至此完
成數字信號發生過程。2051 將產生的方波信號輸入運算放大器組成
的積分電路，得到相同頻率的三角波信號，該三角波信號通過差分放
大電路得到相同頻率的正弦波信號。該信號發生器能準確輸出頻率范
圍為 16HZ—70KHZ 的三種波形信號。
方案論證與比較
信號發生部分：
方案一：使用鎖相環通過分頻運算實現頻率的步進，這種方案頻率穩
定度高，但程控比較困難，而且步進范圍過大，鑒于鎖相環技術比較
復雜，沒有采用這種方案。
方案二：使用專用函數發生電路，如 ICL8038 或 MAX038，通過 D/A
轉換調整函數發生器控制電壓實現頻率的控制，這種方案可以使頻率
連續可調，省卻了波形轉換電路，但控制電壓與頻率的變化不是嚴格
的線性關系，如果不加頻率負反饋則頻率無法穩定準確，加上頻率負
反饋將使電路大大復雜，穩定度也會下降，而且如果要實現比較大的
帶寬，就需要不斷更換振蕩電容，電路復雜程度進一步增加。為避免
調試困難，沒有采用這種方案。
方案三：使用單片機的定時器設置定時時間，每半個周期對 I/O 口取
反一次，從而實現頻率輸出。這種方案雖然在高頻頻段誤差比較大，
但是編程簡單控制容易，權衡以上利弊，我們選擇了方案三。
鍵盤與顯示控制部分：
方案一：使用并行控制器 8279 或 IIC 總線控制器 ZLG7290 構建鍵盤
與顯示部分，編程簡單功能強大，但成本較高而且接口協議比較復雜，
我們沒有采用。
方案二:使用單片機本身的 I/O 口做鍵盤和顯示控制，能夠節省大量
外圍器件，符合硬件軟化的原則，而且本系統對按鍵和顯示部分的要
求并不高，所以我們采用了這種方案。
波形轉換部分：
方案一：使用專用的波形轉換芯片，效果好但成本高，也沒有典型的
器件可以采用，故沒有使用這種方案。
方案二：使用分立元件構建轉換電路，雖然特性不夠好，但是簡單易
用，易于實現，故采用這種方案。
綜上所述，我們選擇了用兩塊 51 單片機實現數字信號發生器的
設計，一塊用于信號發生，一塊用于鍵盤顯示控制，電路簡潔，編程
容易，易于調試。
控制部分
1、 硬件連接與基本功能
AT89C51 的 P0 口通過 330 歐姆上拉電阻驅動 8 位共陰數碼管的
段選，P2 口通過 74LS244 同相緩沖放大后驅動 8 位數碼管位選，P1
口接 4*4 鍵盤，鍵盤列選通過與門接到單片機外部中斷 INT1,UART
口與 AT89C2051 的 UART 口連接實現通訊。系統晶振使用 24M，故一
個機器周期為 0.5US。
當按下數字鍵，則鍵盤顯示相應的數字鍵，再按其他數字鍵則數
碼管發生相應的移位，所有數字輸入之后，按下發送鍵，相應控制信
息通過 UART 發送至 AT89C2051。
2、 鍵盤掃描部分設計
系統復位后，先令鍵盤行選 P1 低四位為低電平，列選高四位為
高電平，當按下任意鍵，列選線被拉為低電平，經過與門后向單片機
提出外部中斷，以此判斷有鍵按下。此后關閉中斷，進入鍵盤掃描程
序。鍵盤掃描的原理是先設定第一行為低電平，同時讀取列選線，經
過程序運算判斷出按鍵位置，若所按鍵不在第一行，則繼續掃描，掃
描順序依次類推。
3、 數碼管顯示部分設計
系統復位后，8 位數碼管均顯示 0，當有鍵按下并經過判斷之后，
將對應鍵值顯示到對應的數碼管上。按發送鍵后頻率顯示依然保持，
直到有新的數字鍵被按下。數碼管動態顯示根據視覺暫留原理設計，
每選中一位后延時 10MS 左右，顯示效果令人滿意。延時時間過長亮
度會提高，但顯示會發生閃爍，時間過短顯示穩定功耗降低，但亮度
下降。由于數碼管為共陰并且 74LS244 為同相總線驅動，故編程時設
置相應的位選為 0 才可以選通該位，這個問題應該注意。
4、 UART 通訊部分設計
因為 51 系列單片機本身就有硬件 UART 功能，所以這部分設計非
常簡單，只需將 AT89C51 與 AT89C2051 的 UART 對應連接起來既可。
UART 工作于模式 0，定時器 0 作為波特率發生器，波特率 9600。
信號發生部分
這部分使用 AT89C2051 最小系統完成。
AT89C2051 通過 UART 接收到 AT89C51 發送來的頻率與波形轉換
的分檔信息之后，經過計算后裝載定時器高低位寄存器，然后允許定
時器中斷，每次定時器溢出后對 P1.0 口取反，從而形成占空比為 50%
的相應頻率的方波信號，定時時間為設定頻率信號周期的一半。因為
AT89C2051 只有一個定時器，所以定時器只能分時復用，即在通訊時
作為波特率發生器，通訊結束之后作為信號發生定時器。因 P1.0 為
AT89C2051 內部比較器輸入端，為開漏輸出，需加 10K 上拉電阻，否
則不能發出標準方波信號。其他三個 I/O 口線連接 CD4051 模擬開關，
用來選擇相應檔位。電路原理圖如下：
波形轉換部分
1、方波三角波轉換部分設計
此電路使用高輸入阻抗高速運放 LF353 構建積分電路，LF353 轉
換速率達到 13V/US，可以保證高頻部分轉換速度。由于在不同頻率
下需要使用不同容量的反饋電容才能保證波形與幅度的準確，故使用
CD4051 模擬開關切換不同的反饋電容�；痉e分電路原理不再贅述，
實驗證明波形與輸出幅度均令人滿意。
2、三角波正弦波轉換部分設計
我們使用兩只高性能差分對管 LM394 構建差分放大電路作為三
角波正弦波轉換電路，一 只 LM394 作為差分放大級，一 只 LM394 作為
恒流源電路。三角波經過差分放大并經過輸出削波電容的波形轉換，
使三角波轉換為圓滑正弦波。由于輸出波形和幅度大小與信號頻率和
輸出削波電容的匹配有關，故此電容的接入也用 CD4051 分為八檔，
這八檔與積分電路的電容選擇聯動，構成雙刀八擲模擬開關。實 驗 證
明 ，正弦波的波形良好，但是在同一檔位內幅度變化比較大，如果分
為 16 個檔位效果會更好。
方波輸出
方波輸出 三角波輸出
R9 20K
三角波輸出
其他電路部分
外部電源輸入接入全橋，可以使用交直流電源，使用直流電源時
可以進行極性轉換，可以防止電源輸入反接。電源穩壓部分由三端穩
壓提供正負 12V 電源供給運算放大器，7805 提供正 5V 電源供給單片
機。單片機復位使用一般的阻容復位，實驗證明復位可靠。
軟件流程
軟件使用 C51 編制，開發環境為 KEIL7.0。2051 部分軟件設計
流程非常簡單，不再贅述，AT89C51 控制部分軟件流程圖如下：
測量結果與誤差分析
測試儀器使用 60M 帶寬數字示波器，方波信號的波形與幅度完
全令人滿意。三角波的波形很好，滿幅度輸出接近正負 12V，頻率改
變以后波形良好，輸出幅度有所變化，在可接受范圍之內。正弦波波
形良好，由于分檔比較少，出現在同一檔位內輸出幅度隨著頻率升高
而降低的問題，若通過減小電容的方法提高輸出幅度，則低頻率下波
形會因為輸出幅度過大而出現一定的失真，這個問題可以通過增加檔
位的方法解決。
由于系統使用 24M 晶振，則 16 位定時器最多 32767.5us 溢出一
次，則信號最低的頻率是 16HZ。同樣道理 16 位定時器最少 0.5US 溢
出一次，則信號最高頻率是 1MHZ，但是頻率升高以后程序本身的運
行要占用大量時間，實 際測量在 70KHZ 之內能夠保證誤差足夠小。在
低頻段頻率相當精確，如果想進一步降低到超低頻的話，可以在軟件
中設置一個計數器，但是頻率上限將會下降。如果使用高速單片機，
如 AVR 或者 DS89C320，頻率上限可以提高很多，同時 AT89C2051 的
程序編制改用匯編的話，代碼量將縮小，也有利于提高頻率上限。
結束語
雖然 51 的時代即將過去，但是作為一個練習，我們還是選擇了
51 單片機作為這次實驗的控制芯片，希望能在實驗過程中加強單片
機的基礎知識和電子技術基本技能的學習，在此之后，我們將進行貼
近時代技術前沿的新器件和新理論的學習，為參與真正的科技工作打
下良好的基礎。感謝院領導對我們這次培訓的重視與支持，尤其感謝
張鵬輝老師準確的指導與無私的幫助，我們將繼續努力，爭取為學院
爭光，為學校爭光，隨時準備投身到火熱的科技工作中去，為科技強
國貢獻微薄之力。
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