1、基于单片机的波形发生器摘 要随着电子技术的发展，电子产品越来越走进人们的生活，在电子产品的生产应用和调试检验中经常需要产生一定频率的仿真信号用于驱动仪表或仪器，同时，在教学实验中也有很多的应用。所以，从实用性、可靠性及经济性上考虑，设计一种基于单片机新型的、性能稳定的波形发生器是十分必要的。本论文详细的阐述了基于单片机的波形发生器的设计，着重就硬件电路以及应用软件的设计进行了研究，对总体设计思路进行了阐述，介绍了芯片的选择，外围电路设计及主要流程图。在熟悉单片机和数模转换芯片工作原理和应用方法的基础上,设计了各个模块的接口电路，并分析了各模块的主要功能。在硬件电路的基础上对个部分对应的软件也进
2、行了设计。本文设计的波形发生器可以产生多种波形，成本低廉且操作简洁方便。波形由软件产生各种数据再经过 D/A 转换后输出,除了能产生所要求的正弦、三角、方波、锯齿等多种波形外，并可根据实际情况的需要在波形存储器中写入不同的波形可以随时添加。并有键盘输入和显示，显示部分采用 LED 设计，主要显示输出频率，此方案产生的最大频率大约 10KHz。可满足精度误差要求达到 5 %的,可满足多种低频信号源的使用场所。在各大专院校及其他行业具有很广泛的应用前景和推广价值。关键词：单片机，波形发生器，数模转换，波形存储，频率THE SCM WAVEFORM GENERATORABSTRACTAlong wi
3、th electronic technologys development,the electronic products enter peoples life more and more,the production of electronic products testing and debugging often need to have a certain frequency signal for the simulation-driven instruments or equipment,simultaneously, also has many applications in th
4、e teaching experiment.Therefore, considered the usability, the reliability and the efficiency , designs a new kind wave generator which is based on the microcontroller and have the stable performance is very necessary. This paper elaborats on the details of the Single Chip Microcontroller waveform g
5、enerators design,focused on hardware and software for the design.And the overall design ideas were expounded.IT introduced the chip choice, the peripheral circuit design and the main flow chart.Based on the understand of microcontroller and D/A converter chip,I design the interface circuit and analy
6、se the main functions of each module.On the hardware circuits on the basis of the corresponding parts of the software have also carried out design. In this paper, the design of the waveform generator can produce a variety of wave, low-cost operation simple and convenient.Waveform data generated by t
7、he software,then through another D / A converter outputs.In addition to produce the required sine, triangle, square and sawtooth waveform,according to actual needs this waveform generator also can produce other waveform.And a keyboard input and display,the display adopt LED, main display output freq
8、uency.The maximum frequency of this design is aboat 10 KHz.To meet the requirements of precision of error of 5 percent,and to meet a variety of sources to use low-frequency signals places.Have the very widespread application prospect and promoted value in various universities, colleges and institute
9、s and other professionsKEY WORDS：Single Chip Microcontroller，Waveform Generator，D/A，Amplitude，Frequency目 录前 言 .1第 1 章 绪论 .31.1 课题的研究目的和意义 .31.2 多种波形发生器国内外现状 .31.3 主要研究内容 .4第 2 章 总体系统方案设计 .62.1 波形发生方案选择 .62.2 波形发生器整体设计 .72.2.1 主要设计思想 .72.2.2 系统组成 .72.2.3 系统功能 .8第 3 章 系统硬件设计 .93.1 中央处理模块 .93.1.1 控制芯片选
10、择 .93.1.2 AT89C51 单片机结构特点 .93.1.3 系统外围电路设计 .143.2 数模转换模块 .163.2.1 芯片选择 .163.2.2 DAC0832 结构 .163.2.3 DAC0832 应用电路 .183.3 波形存储模块 .193.4 键盘模块 .213.5 显示模块 .23第 4 章 软件设计 .244.1 软件调试环境简介 .244.2 程序设计 .244.2.1 主程序设计 .254.2.2 键盘程序设计 .26结 论 .27参考文献 .28致 谢 .30附 录 .31前 言在现代社会，电子产品越来越走进人们的生活，并在社会生活的各个方面得到普遍应用，在电
11、子产品的生产应用和调试检验中经常需要产生一定频率的仿真信号用于驱动仪表或仪器。在电子技术领域中，许多电子系统及元器件的电气性能，只有在一定的电信号作用下才能显露出来，因此信号源在电子测量技术中是极其重要的，它是构建测量系统的重要组成部分。信号源作为现代电子产品中的重要一员，必须满足高精度、高速度、高分辨率等要求。另外，不同的应用系统所要求的信号波形是不同的，因此设计一种通用性较强的频率可调的多种波形信号发生起是十分必要的。所以应运而生的是基于各种不同原理的信号发生器。结构简单，成本低廉但是性能优良的波形发生装置已经越来越广泛地应用在现代化控制领域的各个方面。无论是工业，民用，航空，军事还是商业
12、领域都有信号发生装置的设计应用产品。而且波形发生器也广泛应用于各大专院校实验室以及各科研单位。技术的发展应是面向人性化、智能化、经济化为一体的发展目标。本课题正是以控制信号发生为出发点，对单片机作为中央控制器，直接由软件产生波形信号的输出，并可通过软件的修改，达到输出任意波形,用于测试电路，可以用来给定时器提供波形，使电路能稳定工作的智能化波形发生器模型作较详细的介绍。本设计以单片机为应用核心，通过单片机控制各种外围芯片及电路，重点是51 系列单片机和 DA 转换器、分频器、波形存储器、以及键盘显示等应用。这个波形发生器具有以下一些功能（1） 具有产生正弦波、方波、三角波和锯齿波几种种周期性波
13、形的功能。（3） 具有波形存储的功能。（5） 输出波形幅度范围 05V（峰-峰值） 。（6） 具有显示频率（周期）功能。（7） 用键盘或其他输入装置产生任意波形。由于此种信号源是基于单片机，所以可以在不修改硬件结构的情况下，通过软件的修改来实现信号源功能的扩充，从而节省了成本。具有频率合成精度高，性能稳定可靠，转换速度快，通用性强，兼容性好，使用方便等优点，能够满足各种用户在不同场合的使用要求。第 1 章 绪论1.1 课题的研究目的和意义当今世界在以电子信息技术为前提下推动了社会跨跃式的进步，科学技术的飞速发展日新月异带动了各国生产力的大规模提高。由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子信
14、息技术更显得尤为重要，在国民生产各部门电子信息技术得到了广泛的应用。电子产品也越来越走进人们的生活，并在社会生活的各个方面得到普遍应用，作为一个现代人无时无刻不在与电子产品打交道。那么，在电子产品的生产应用和调试检验中经常需要一种仪器产生一定频率的仿真信号用于驱动仪表或仪器，这就是波形发生器，波形发生器是一种常用的信号源，广泛用于科学研究、生产实践和教学实践等领域。如电子产品的设计和测试、汽车制造、生物医药、传感器仿真、制造模型等。另外，许多电子系统及元器件的电气性能，只有在一定的电信号作用下才能显露出来，由此可以看出信号源在电子信息技术中是极其重要的，它是构建现代电子信息系统的重要组成部分。
15、为了满足科学研究、生产实践和教学实践的需要，我们觉得有必要设计出一种经济、实用的波形发生器，根据要求可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形，波形频率和幅值均可调，可显示波形频率，用键盘可对波形的频率和幅值都可进行步进调节，便于程控，满足波形发生所需的高精度、高熟读、高分辨率的要求。1.2 多种波形发生器国内外现状结构简单，成本低廉但是性能优良的波形发生装置已经越来越广泛地应用在现代化控制领域的各个方面。无论是工业，民用，航空，军事还是商业领域都有信号发生装置的设计应用产品。而且波形发生器也广泛应用于各大专院校实验室以及各科研单位。传统的波形发生器采用模拟电子技术由分离元件构成振荡电路和
16、整形电路，产生波形。他在电子通信、通信、工业等领域曾发挥了很大的作用。但是采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、稳定性和准确度较差而且仅能产生几种简单波形，难易产生较为复杂的波形信号，且可控性不好，如要改变频率和幅值比较困难。目前常用的波形发生器主要是两种：低频正弦波发生器和通用多波形发生器。前者只能产生正弦波调节范围不大，但是信号稳定，失真度低，主要用在对波形有很高要求的地方；后者能产生正弦波、方波和三角波，也有的能产生三种以上的波形。这两种波形发生器都比较昂贵，适用于一些要求较高的产业中，比如，在波形发生领域，常用的波形发生器多数采用分立元件组成，不但电路复杂而且价格昂贵。直接数
17、字合成 （ Direct Digital Synthesis DDS ） 技术虽已出现，并可产生高频纯净的信号，但因价格比较昂贵所以不适合在学校使用，而且仅能产生一种常用的信号波形正弦波，还很少有可调节两路输出波形之间相位差的波形发生器，不能满足实际需要。而在我们的普通应用和日常实验中有的要求产生更多的波形或是对波形的要求不是太高，那么基于这种需求，我们设计的波形发生器,以单片机系统为核心,能够产生正弦波、方波、三角波以及锯齿波,波形频率和幅度可调,正弦波频率可达 10kHz 以上 ,具有波形存储功能,并能够实时地显示输出波形的类型、重复频率和幅度，能满足一般的实验及演示的需要，并且成本很低，
18、操作简洁方便。1.3 主要研究内容 本课题主要研究基于单片机的波形发生器设计，主要研究内容为：(1) 熟 悉 AT89C51 单 片 机 的 应 用 和 接 口 电 路 设 计 要 求 ；(2) 熟悉模数转换芯片 DAC0832 的应用；(3) 根据要求进行系统方案的分析和设计；(4) 熟悉 PROTEL 绘图工具 ,根据单片机和数模转换芯片的特点设计各功能模块的硬件电路；(5) 熟悉软件开发环境并完成各模块的程序调试工作。5第 2 章 总体系统方案设计整个波形发生器系统的设计分为硬件设计和软件设计两个方面。系统硬件的设计是否合理，极大的影响着软件的实现和系统的性能和使用，对整个系统设计来说非
19、常关键。本章主要阐述系统硬件的设计方案。2.1 波形发生方案选择方案一：由硬件产生。由硬件产生的信号没有阶梯，波形光滑。如果采用压控振荡器，就可单片来控制信号的频率，能过电子开关来选择不同的振荡器投入工作，就可以输出不同的波形。不过，不同波形需要用不同的振荡器来实现，电路较复杂，难以输出超低频的信号。方案二：直接数字查表法合成周期信号，结构见图 2-1。波形固化在 EPROM或其他非易失性存储器中，通过查表电路，在晶振时钟控制下不断地从 EPROM中取出数据，通过 DAC 和低通滤波器输出。此结构的特点是能产生较高频率的信号，但不变程控切长生信号类型有限。 查表电路E P R O M D A C L P F外部时钟图 2-1 直接数字查表法方案三：利用单片机查表法合成周期信号，结构见图 2-2 波新数据固化在EPROM 中，单片机不断地从存储器中取出数据，经并行口送出，再经 DAC 输出。此方案由软件产生，将各种波形的数据固定在单片机的程序存储器里，通过改变这些数据的输出速度便可以改变信号的频率，通过改变 D/A 转换器的参考电压便可以改变信号的最大值，硬件电路简单，成本低，便于程控，但不能产生较高频
