基于單片機的波形信號發生器設計與仿真

陳林林，孫 群，高雅楠

（聊城大學機械與汽車工程學院，山東 聊城 252059）

0 引 言

波形信號發生器是一種數據信號發生器，廣泛應用于通信、測控、導航、雷達、醫療等領域，在高校實驗室中應用也十分普遍。基于單片機的簡易波形信號發生器是一種常用的信號源，它廣泛用在電子技術實驗、自動控制系統和其他科研領域。目前，簡易波形發生器的構成方法有很多，例如采用DDS型的任意波發生器[1-4]、采用專用的信號發生芯片MAX038以及傳統的AWG[5-7]。

本文在分析現有信號發生器工作原理的基礎上，通過分析比較后，基于單片機AT89C52和DAC0832設計了一種信號發生器，應用于高校實驗室學生實驗，具有硬件簡單，價格低廉容易對頻率和幅值進行控制等優點。

1 測控需求分析

設計的波形發生器的測控需求如下：

1）利用單片機程序，產生數字式的正弦波、三角波、方波頻率可調的信號。

波形要求：

正弦波：輸出電壓值為-5V～5V，初始頻率為10Hz，頻率最大值為1 000 Hz，頻率調節步進值為10Hz。

三角波：輸出電壓為-5V～5V，初始頻率為50Hz，頻率最大值為500Hz，頻率調節步進值為50Hz。

方波：輸出電壓為-5V～5V，初始頻率為200Hz，頻率最大值為2kHz，頻率調節步進值為200Hz。

2）可通過鍵盤進行波形和頻率的切換。

3）通過LCD顯示波形類型及頻率大小。

4）設計硬件電路，選擇合適的器件，調節好器件的工作狀態，保證能輸出明顯的波形信號，且不失真。

2 系統總體設計

2.1 系統總體設計方案

在系統總體設計時分塊完成，按照波形設定、D/A轉換、51單片機連接、鍵盤控制和顯示5個模塊來設計。最后通過聯調仿真，得出仿真結果。總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2.2 系統模塊設計

2.2.1 控制模塊

用單片AT89C52作為系統的主控核心。具有體積小，使用靈活，易于人機對話，數據處理良好，單指令周期和35M高速運算等優點，且單片機功耗低，價格低廉。

在此系統中，采用單片機作為控制比采用FPGA實現更簡便。基于綜合性價比，確定選擇此方案。

2.2.2 按鍵及其顯示模塊

為了提高單片機的資源利用率和運行效率，按鍵顯示部分直接使用zlg7289擴展鍵盤，鍵盤與單片機連接。zlg7289芯片與單片機之間通信方便，而且由zlg7289對鍵盤進行自動掃描，可以去抖動，充分地提高了單片機的工作效率。

2.2.3 波形產生模塊

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，但是編程簡單易控制，因此，確定選擇此方案。

2.2.4 D/A轉換

單片輸出的是數字信號，必須通過D/A轉換后才能模擬信號，采用DAC0832，這是8位的并行D/A轉換器，轉換速度快。

3 系統硬件設計

3.1 單片機控制DAC0832電路

AT89C52單片機的內部結構與MCS-51系列單片機的構成基本相同。正常情況下DAC0832與單片機的接口應為4條數據線。當DAC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數據信號。在第1個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖下沉之前DI端應輸入2位數據用于選擇通道功能。

3.2 按鍵電路

按鍵原理圖如2所示，對于中斷方式對波形的切換，因為INT0優先于INT1，當按鍵按下時，首先判斷是否有幅值輸出然后判斷出現相應波形，當無中斷0時，即默認第二個DA轉換器的參考電壓為5V，在執行中斷1判斷出相應的波形。第1個按鍵進行波形選擇，選擇各波形的初始頻率；第2個按鍵對頻率進行升高；第3個按鍵對頻率進行降低；第4個按鍵輸出波形。

圖2 按鍵電路圖

3.3 數、模轉換及放大電路

由于單片機輸出的是數字信號，要得到模擬信號的波形就必須對其進行數模轉換，采用DAC0832數模轉換器。由于其輸出為電流輸出，因為外加運算放大器使之裝換為電壓輸出。通過DI7～DI0與單片機P0端口相連接；CS與單片機P2.0端口相連接；WR2與單片機P2.1端口相連接。

3.4 顯示電路

圖3 D/A轉換電路

圖4 顯示電路

通過液晶1602顯示輸出的波形、頻率，其電路圖如圖3～圖6所示。其中D0～D7與單片機P1端口相連接；RS與單片機P2.2端口相連接；RW與單片機P2.3端口相連接；E與單片機P2.4端口相連接。

4 系統軟件設計

4.1 波形程序設計

4.1.1 正弦波設計

假設 Y=128SIN（360X/255/360×2×3.14）+128 的正弦波，DAC0832數據端口給的數據的范圍是0～255一共256個。前0～127表示X軸上方的電壓值，那么128～255是X軸下方的電壓值。那么可以得到value=128×SIN（360X/255/360×2×3.14）+128；抽樣256 個點，則 value=128SIN（360X/255/360×2×3.14）+128，X為0～255。本文采用查表的方法，把一個周期的圓分成 255份，求出每一份的正弦值 i，然后把所求得的正弦值 i×128+128，最后換算成16進制數。

4.1.2 三角波程序設計

當電壓隨時間線性增加，到一定時間又線性降低時，就形成了三角波。單片機可以輸出的數最小為0，最大為255。當輸出的值從00000000B線性增加到11111111B，然后從11111111B減小到00000000B時，就可以產生三角波。本文共采集了65個三角波坐標。

4.1.3 方波程序設計

當單片機輸出從00000000B直接增加到11111111B時，輸出的電壓就從低電平變到高電平了，用延時程序是高低電平保持一段時間在切換。由此，產生方波只需要取2個值，0x00和0XFF。

4.2 頻率改變與波形輸出程序

頻率改變與波形輸出程序框圖如圖5和圖6所示。

圖5 頻率改變程序流程圖

圖6 波形輸出程序流程圖

4.3 頻率程序設計

采用定時器來控制波形頻率，通過輸出的兩點間的延時來實現調頻功能。當晶振頻率為24M時，單片機的機器周期為0.5μs。假設需要10Hz的正弦波，由于正弦波的取點個數為256個，所以每個點所要的時間為1/10/256s，選用定時/計數器T0的方式1實現，設計數器初值為X：

表1 正弦波頻率初值

表2 三角波頻率初值

表3 方波頻率初值

圖7 三角波仿真實驗圖

表1為正弦波頻率初值，表2為三角波頻率初值，表3為方波頻率初值。

4.4 鍵盤程序設計

本文鍵盤部分由4個鍵組成，分別控制波形的選擇、頻率的升、降以及波形輸出。P3.2為中斷入口地址，當P3.2=0時，說明有鍵按下。取P3口的值和0Xf0相遇，取出P3口的高4位，最后使用swatch（），當P3&0xf0=0xe0時，波形選擇鍵按下；當P3&0xf0=0xd0時，頻率升鍵按下；當P3&0xf0=0xb0時，頻率衰減鍵按下。

4.5 鍵盤程序設計

1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線，LCD顯示流程為初始化LCD，設置顯示位置，最后顯示字符。

圖8 方波仿真實驗圖

5 仿真實驗

將各部分的程序及各子程序編好，使用Keil進行編譯，加載到Proteus軟件電路中進行仿真[8]。

5.1 三角波仿真對比圖

圖7為頻率在50，200，400Hz條件下的三角波仿真圖。

5.2 方波仿真對比圖

圖8為頻率在200，600，1 200 Hz條件下的方波仿真圖。

5.3 正弦波仿真對比圖

圖9為頻率在10，40，80Hz條件下的正弦波波仿真圖。

圖9 正弦波仿真實驗圖

表4 測量實驗結果

圖10 示波器測量的波形圖

6 波形實驗

調試好軟硬件后，利用北京普源精工生產的DS1102示波器測量波形質量，方波、三角波和正弦波波形如圖10所示。

在周期T-8T下對頻率的測試結果如表4所示。

誤差指標選用最小均方差（mean squared error，MSE），定義如下：

式中：（i）——理論值；

x（i）——實測值，n=8。

計算得到波形頻率測量誤差的MSE為0.04Hz，符合一般測量的精度要求。

7 結束語

1）針對測控需求，確定了函數發生器的硬件和軟件設計方案。

2）采用單片機作為控制器，直接由軟件產生波形信號的輸出，可通過修改軟件，還可以輸出其他任意波形。

3）基于Proteus實現了波形發生器的仿真測試，并做了典型波形測量實驗，波形頻率測量精度MSE為0.04Hz。

后續工作中，擬采用集成可編程DDS器件實現直接頻率合成，在單片機的控制與協調下輸出頻率和相位可調的信號波形，提高頻率范圍。

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