1、摘要函数信号发生器是基于单片机 AT89C51 设计而成的，能够产生频率范围在 0Hz535Hz的锯齿波、正弦波、三角波、矩形波四种波形，并且能够通过液晶屏 1602 显示各自的波形类型以及频率数值。首先，单片机 AT89C51 经过程序设计的方法生成各种数字信号，再通过 D/A 转换器 DAC0832 将数字信号转换成模拟信号，滤波放大。接着，通过按键来控制四种波形的类型选择、和频率数值选择，并由液晶屏 1602 显示其频率数值和波形类型 。总的系统包括信号发生部分、数/模转换部分以及液晶显示部分三大部分，其中尤其对数/模转换部分和波形产生和变化部分进行详细论述。关键词：AT89C51 DA
2、C0832 液晶屏 1602I目录摘要 .I1 引言 .11.1 研究背景 .11.2 国内外的研究现状和发展趋势 .21.3 设计要求 .21.4 设计总体方案 .22 硬件电路实现 .32.1 单片机最小系统的设计 .32.1.1 时钟电路 .42.1.2 复位电路 .42.2 D/A 转换电路 .52.3 放大滤波电路 .72.4 键盘模块的设计 .72.5 显示模块的设计 .83 软件程序设计 .94 测试仪器及测试说明 .10结论 .11致谢 .12参考文献 .101 引言信 号 发 生 器 是 一 种 常 用 信 号 源 。 通 常 能 够 产 生 正 弦 波 、 方 波 、 三
3、角 波 、 锯 齿 波 等多 种 波 形 ， 因 其 时 间 波 形 可 用 某 种 时 间 函 数 来 描 述 而 得 名 。 函 数 信 号 发 生 器 在 电 路 实验 和 设 备 检 测 中 具 有 十 分 广 泛 的 应 用 ， 密 切 地 联 系 着 工 业 、 农 业 、 生 物 医 学 等 产 业 ，并 对 它 们 的 发 展 起 到 极 大 的 促 进 作 用 。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电
4、路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪 80 年代，由当时的 4 位、8 位单片机，发展到现在的 300M 的高速单片机。随 着 单 片 机 技 术 的 快 速 发 展 与 普 遍 应 用 ， 函 数 信 号 发 生 器 的 性 能 和 性 价 比 将 会 有更 大 的 提 升 空 间 。 基 于 单 片 机 的 函 数 信 号 发 生 器 将 为 智 能 化 生 活 提 供 实 质 的 帮 助 。设 计 旨 在 通 过 查 找 文 献 资 料 提 高 自 己 独 立 学 习 、 思 考 能 力 。 提
5、高 把 理 论 运 用 到 实践 当 中 的 能 力 ， 提 升 认 识 水 平 。1.1 研究背景随 着 经 济 与 科 技 不 断 发 展 ， 相 应 的 测 试 仪 器 与 手 段 也 有 了 许 多 改 善 与 提 高 ， 但 是对 之 要 求 也 不 断 提 高 。 波 形 发 生 器 的 信 号 已 知 ， 使 用 者 根 据 具 体 的 要 求 ， 将 其 作 为 激励 源 ， 测 得 感 兴 趣 的 参 数 。 信 号 源 仿 真 各 种 测 试 信 号 ， 给 待 测 电 路 ， 从 而 满 足 实 现 需求 。 信 号 发 生 器 在 仿 真 实 验 占 有 重 要 地 位
6、 ， 对 于 测 试 仪 器 来 说 也 同 样 不 可 缺 少 ， 因 此对 相 关 信 号 发 生 器 的 研 究 开 发 有 着 一 定 的 意 义 。传 统 的 信 号 发 生 器 电 路 复 杂 ， 控 制 灵 活 度 不 够 ， 成 本 也 相 对 较 高 。 虽 然 我 国 所 研制 的 波 形 发 生 器 在 一 定 程 度 上 已 有 了 一 些 成 果 ， 但 与 国 外 技 术 确 实 还 存 在 一 定 差 距 ，因 此 很 有 必 要 提 高 相 关 方 面 的 研 究 。利 用 单 片 机 的 控 制 灵 活 性 ， 外 设 处 理 能 力 强 等 特 点 ， 实
7、现 频 率 与 幅 度 可 调 的 多 种波 形 ， 这 就 克 服 了 传 统 的 缺 点 ， 具 有 良 好 的 实 用 性 。 同 时 根 据 程 序 的 易 控 制 性 ， 可 以容 易 实 现 各 种 复 杂 的 调 频 条 幅 功 能 。11.2 国内外的研究现状和发展趋势在 1980 年 以 前 ， 信 号 发 生 器 全 部 属 于 模 拟 方 式 ， 借 助 电 阻 电 容 ， 电 感 电 容 、 谐振 腔 、 同 轴 线 作 为 振 荡 回 路 产 生 正 弦 或 其 它 函 数 波 形 。 频 率 的 变 动 由 机 械 驱 动 可 变 元件 ， 如 电 容 器 或 谐
8、振 腔 来 完 成 ， 往 往 调 节 范 围 受 到 限 制 。 1980 年 以 后 ， 数 字 技 术 日益 成 熟 ， 信 号 发 生 器 绝 大 部 分 不 再 使 用 机 械 驱 动 而 采 用 数 字 电 路 。 数 字 合 成 技 术 使 信号 发 生 器 变 为 非 常 轻 便 、 覆 盖 频 率 范 围 宽 、 输 出 动 态 范 围 大 、 容 易 编 程 、 适 用 性 强 和使 用 方 便 。单 片 机 的 发 展 趋 势 为 ： 低 功 耗 与 高 性 能 、 低 电 压 、 低 噪 声 与 高 可 靠 性 、 采 用CMOS 技 术 、 外 围 电 路 内 装 、
9、 串 行 扩 展 技 术 等 。 同 时 ， 单 片 机 的 快 速 发 展 也 带 动 着 基于 单 片 机 的 信 号 发 生 器 的 快 速 发 展 ， 如 ： 任 意 波 形 发 生 器 、 矢 量 波 形 发 生 器 。 使 得 信号 发 生 器 的 应 用 更 加 广 泛 。1.3 设计要求1、 利 用 AT89C51 单 片 机 设 计 的 函 数 信 号 发 生 器 产 生 正 弦 波 、 方 波 、 三 角 波 、 锯齿 波 四 种 波 形 。2、 四 种 波 形 输 出 类 型 可 通 过 按 键 选 择 。3、 波 形 频 率 可 调 （ 频 率 ： 0535Hz） 。4
10、、 需 显 示 波 形 的 频 率 。1.4 设计总体方案该 函 数 信 号 发 生 器 采 用 单 片 机 AT89C51 作 为 数 据 处 理 及 控 制 核 心 ， 由 单 片机 完 成 人 机 界 面 、 系 统 控 制 、 信 号 的 采 集 分 析 以 及 信 号 的 处 理 和 变 换 。AT89C51 单 片 机 本 身 就 是 一 个 完 整 的 微 型 计 算 机 ， 具 有 组 成 微 型 计 算 机 的 各 部 分部 件 ： 中 央 处 理 器 CPU、 随 机 存 取 存 储 器 RAM、 只 读 存 储 器 ROM、 I/O 接 口电 路 、 定 时 器 /计 数
11、 器 以 及 串 行 通 讯 接 口 等 ， 只 要 将 AT89C51 再 配 置 键 盘 、 数模 转 换 及 波 形 输 出 、 放 大 电 路 等 部 分 ， 即 可 构 成 所 需 的 函 数 信 号 发 生 器 。 首 先 ，单 片 机 AT89C51 经 过 程 序 设 计 的 方 法 生 成 各 种 数 字 信 号 ， 再 通 过 D/A 转 换 器DAC0832 将 数 字 信 号 转 换 成 模 拟 信 号 ， 滤 波 放 大 。 接 着 ， 通 过 按 键 来 控 制 四 种 波形 的 类 型 选 择 、 和 频 率 数 值 选 择 ， 并 由 液 晶 屏 1602 显
12、示 其 频 率 数 值 。 其 信 号 发生 器 总 体 设 计 如 图 3.1 所 示 。2图 3.1 函数信号发生器总体设计2 硬件电路实现 2.1 单片机最小系统的设计本次设计选用的单片机芯片是 AT89C51 单片机。AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和 128 bytes 的随机存取数据存储器 (RAM)。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元。用 A
13、T80C51 单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。如图 4.1 所示。图 4.1 单片机最小系统32.1.1 时钟电路AT89C51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶休或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体(或陶瓷诺振器) 及电容 C1, C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。如图 4.2 所示。图 4.2 时钟电路2.1.2 复位电路当 MCS-5l 系列单片机的复位引脚 RST(全称 RESET)出现 2 个机器周期以上的高电平时，单
14、片机开始复位。单片机复位电路是指单片机的初始化操作。图 4.3 复位电路单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使 CPU 和系统中其他部件处于一个确4定的初始状态，并使这个状态开始工作。如图 4 所示。上电后，由于电容 C1 的充电和反相门的作用，使 RST 持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键 sj1后松开，也能使 RST 为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。如图 4 所示。2.2 D/A 转换电路D/AC0832是双列直插式8位 D/A 转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。DAC0832主要由8位输入寄存器、8位 DAC 寄存器、8位 D
15、/A 转换器以及输入控制电路四部分组成。如图4.4所示。图 4.4 DAC0832 内部结构图D/ACA0832 各引脚的功能如下：D0 D7： 8 位 数 据 输 入 线 ， TTL 电 平 ， 有 效 时 间 应 大 于 90ns(否 则 锁器 的 数 据 会 出 错 )；ILE： 数 据 锁 存 允 许 控 制 信 号 输 入 线 ， 高 电 平 有 效 ；CS： 片 选 信 号 输 入 线 （ 选 通 数 据 锁 存 器 ） ， 低 电 平 有 效 ；WR1： 数 据 锁 存 器 写 选 通 输 入 线 ， 负 脉 冲 （ 脉 宽 应 大 于 500ns） 有 效 。 由ILE、 CS
16、、 WR1 的 逻 辑 组 合 产 生 LE1， 当 LE1 为 高 电 平 时 ， 数 据 锁 存 器 状 态 随 输 入数 据 线 变 换 ， LE1 的 负 跳 变 时 将 输 入 数 据 锁 存 ；XFER： 数 据 传 输 控 制 信 号 输 入 线 ， 低 电 平 有 效 ， 负 脉 冲 （ 脉 宽 应 大 于 500ns）有 效 ；R2： DAC 寄 存 器 选 通 输 入 线 ， 负 脉 冲 （ 脉 宽 应 大 于 500ns） 有 效 。 由WR1、 WXFER 的 逻 辑 组 合 产 生 LE2， 当 LE2 为 高 电 平 时 ， DAC 寄 存 器 的 输 出 随 寄5
17、存 器 的 输 入 而 变 化 ， LE2 的 负 跳 变 时 将 数 据 锁 存 器 的 内 容 打 入 DAC 寄 存 器 并 开 始D/A 转 换 。IOUT1： 电 流 输 出 端 1， 其 值 随 DAC 寄 存 器 的 内 容 线 性 变 化 ；IOUT2： 电 流 输 出 端 2， 其 值 与 IOUT1 值 之 和 为 一 常 数 ；图 4.5 D/ACA0832 引脚图Rfb： 反 馈 信 号 输 入 线 ， 改 变 Rfb 端 外 接 电 阻 值 可 调 整 转 换 满 量 程 精 度 ；Vcc： 电 源 输 入 端 ， Vcc 的 范 围 为 +5V +15V；VREF：
18、 基 准 电 压 输 入 线 ， VREF 的 范 围 为 -10V +10V；AGND： 模 拟 信 号 地DGND： 数 字 信 号 地通常 DAC0832 有三种不同的工作方式，主要依据对数据锁存器和 DAC 锁存器的控制方式划分：直通方式，单缓冲方式和双缓冲方式。图 4.6 单片机与 D/AC0832 直通连接方式本设计采用直通方式，当 ILE 接高电平，CS、WR1 、WR2 和 XFER 都接数字地时，DAC 处于直通方式，8 位数字量一旦到达 DI7DI0 输入端，就立即加到 8 位 D/A 转换器，被转换成模拟量。如6图 7 所示。2.3 放大滤波电路如图 4.7 所示，LM3
19、24 的 5 管脚与 DAC0832 的（IOUT2）12 管脚相连，LM324 的6 管脚与 DAC0832 的（IOUT1）11 管脚相连，LM324 的 7 管脚与 DAC0832 的 REF（9）管脚相连.第一级运算放大器的作用是将 DAC0832 输出的电流信号转化为电压信号 V1，第二级运算放大器的作用是将 V1 通过反向放大电路 -（R2/R1）倍。图 4.7 放大滤波电路图在第二个运算放大器的输出端连了一个低通滤波器。如果不加低通滤波器，也能够生成波形，但是产生的信号中毛刺很多，加一个低通滤波器不仅起到的滤波的作用，还起到了平滑的作用。低通滤波器的截止频率 F=1/(2*pi*
20、R3*C6),这里我们选择 R3 为 100欧姆电阻，C6 为 104 电容，截止频率 F=16KHZ。2.4 键盘模块的设计通常单片机外部扩展键盘的方式有独立式键盘，矩阵键盘以及专门的键盘电路。独立式键盘就是一个 I/O 口扩展一个开关，这种方式程序编写比较容易，只需要检测单片机I/O 某一时刻是否为低电平就能检测出其的按键输入情况，而且按键和 I/O 口一一对应，所以能够轻松识别按键的值，缺点是由于一个 I/O 口能连接一个按键，当按键数量比较多的时候，势必占用了大量的 I/O 口，对系统的扩展造成巨大的困难。7图 9 独立键盘输入由于本设计使用的按键数量并不多。所以采用独立键盘能够减少系
21、统电路的复杂程度，也大大简化了对编程的要求。如图 9 所示。2.5 显示模块的设计LCD1602 液晶显示模块，它可以显示两行，每行 16 个字符，采用单+5V 电源供电，外围电路配置简单。LCD1602 管脚功能如表 4.1 所示。表 4.1 LCD1602 管脚功能引脚号 符号 状态 功能1 Vss 电源地2 Vdd 电源+5V3 V0 对比度控制端4 RS 输入 寄存器选择5 R/W 输入 读、写操作6 E 输入 使能信号7 DB 三态 数据总线8 DB 三态 数据总线9 DB 三态 数据总线10 DB 三态 数据总线11 DB 三态 数据总线12 DB 三态 数据总线13 DB 三态 数据总线14 DB 三态 数据总线15 LEDA 输入 背光+5V16 LEDK 输入 背地光LCD1602 主要管脚介绍：
