基于單片機的信號發生器設計

曾素瓊 楊冬濤 曾靜玲 蔡凱達

（嘉應學院電子信息工程學院，廣東 梅州 514015）

基于單片機的信號發生器設計

曾素瓊 楊冬濤 曾靜玲 蔡凱達

（嘉應學院電子信息工程學院，廣東 梅州 514015）

以單片機為核心控制器，結合D/A轉換、LCD1602顯示、程控放大器，設計輸出頻率、幅度可調的正弦波、方波和三角波信號發生器，對系統主要硬件電路和軟件進行設計。經實驗測試，系統實現了各波產生、顯示，信號頻率、幅度可調等功能，頻率和幅度誤差都是5%以內，波形質量較好。系統電路簡單、體積小、成本低、精度較高、工作穩定和使用方便直觀，具有廣泛的應用前景。

信號發生器；單片機；DAC0832；LCD1602；程控放大器

1 引言

信號發生器稱為信號源或振蕩器，在日常生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用，是實驗室的主要運用的信號源，同時是各種電路實驗不可缺少的設備之一。目前大多數的波形信號發生器都是由硬件搭建而成，可以產生正弦波、方波、三角波等波形，調試較麻煩，電路比較復雜，價格較高，體積較大。

單片機具有低功耗、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點[1,2]。本文設計的基于單片機和D/a的信號發生器，用戶可以通過按鍵分別設置輸出正弦波、方波、三角波及其頻率、幅度參數，還直觀顯示波形信息，電路簡單且便于調節、控制，價格較低，應用前景廣闊。

2 系統結構框圖

設計一個基于單片機的信號發生器，要求輸出信號頻率穩定，抗干擾能力強。系統以STC12C5a60S2單片機作為控制中心，控制和協調各個模塊的工作，通過程序的編寫對系統進行初始化，完成對液晶顯示、波形的產生、按鍵響應、增益調節等功能。系統的整體設計結構由圖1所示，由單片機STC12C5a60S2、液晶顯示模塊LCD1602、波形產生模塊、程控放大模塊和負壓產生模塊組成。用戶可以通過按鍵分別設置輸出正弦波、方波、三角波及其頻率、幅度參數，當用戶設置好輸出的參數后，單片機通過查表輸出對應的波形，其中波形是根據DDS的原理來產生，輸出的波形經一級程控放大電路，從而增大、控制輸出信號幅度。

3 硬件電路設計

硬件電路設計包括：主控模塊的選擇及其最小系統、按鍵模塊、LCD1602液晶顯示模塊、DaC0832信號產生模塊（波形產生模塊）、程控放大模塊和負壓產生模塊等主要電路設計。

3.1 主控模塊的選擇

系統采用STC12C5a60S2單片機作為系統的主控制芯片，完成檢測按鍵、波形輸出控制、液晶顯示等相關功能。STC12C5a60S系列單片機是宏晶科技生產的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍，有一個全雙工異步串行口，內部集成MaX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位D/a轉換(250K/S)，I/O口多且可定義，并有四種狀態，2級中斷優先級的中斷系統，2個16位的定時計數器實現定時和計數功能，還有EEPROM功能[1,2]。該單片機具有便于調試、高速、低功耗、廉價、穩定性好等優點。

3.2 STC12C5a60S2單片機最小系統

單片機最小系統包括了單片機、復位電路、時鐘電路。單片機可以通過手動按鍵復位，按下復位鍵S1后使單片機進入上電的初始狀態。系統時鐘電路選用了12MHz的晶振，一個機器周期的時間為1μs。因為P0口是漏極開路的結構，加了10k的排阻作P0口的上拉電阻。排阻接到單片機的P0.0-P0.7和VCC端口，單片機最小系統如圖2所示[3]。

圖2 STC12C5a60S2單片機最小系統

3.3 按鍵模塊的設計

系統中需要按鍵不多，采用簡單的獨立按鍵,按鍵直接到單獨I/O口（按鍵S1、S2、S3、S4、S5分別連接到單片機的9腳（RESET）、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6端），CPU可以通過向此端口發出指令得到按鍵的狀態，按鍵另一端接地。按鍵在初始狀態下時，I/O的狀態為高電平；按鍵處于按下狀態時，I/O口的狀態為低電平，單片機根據I/O口是否為高電平或低電平來判斷哪個按鍵被按下。

按鍵的功能：按鍵S1為復位鍵，實現系統復位切換回初始狀態；按鍵S2為功能鍵，切換到參數設置界面；按鍵S3為切換鍵，可以切換到不同參數進行設置；按鍵S4為遞增按鍵；按鍵S5為遞減按鍵。

3.4 LCD1602顯示模塊與主控芯片的設計

系統選用LCD1602液晶顯示器，方便直觀顯示更多的參數[3]，顯示器顯示波形類型、幅度、頻率。LCD1602與單片機的連接如圖3所示。單片機P0口作為數據端口，液晶顯示接單片機的P0.0-P0.7端口，LCD1602的EN、R/W、RS分別接單片機端口的P1.2、P1.1、P1.0，其中EN是下降沿觸發的片選信號，R/W是讀寫信號，RS是寄存器選擇信號。

圖3 LCD1602與單片機的連接圖

3.5 DaC0832信號產生模塊設計

系統采用2個DaC0832芯片，一個用來產生波形，另一個來改變幅度。DaC0832是一個先進的數模轉換器，可以實現輸出正弦波、三角波和方波，可以通過查詢存儲在單片機的ROM表來實現波形的產生[4-8]。

DaC0832波形發生電路如圖4所示，DaC0832轉換的結果是采用電流形式輸出，為了得到模擬電壓信號，用運放a實現電流電壓轉換并放大。運放a輸出電壓V的范圍為-Vref－0V，為了使輸出信號幅度范圍以0V為中間值，使用了運放B搭建成一個加法器進行信號放大和偏置調整。TL431提供基準電壓2.5V，一方面供DaC0832作基準電壓VREF使用，另一方面作運放B的加法器一路輸入電壓。圖4中的兩個運放TL072需要正負電源來供電，但系統供電只有一個+ 5V電源，為了得到一個-5V電源，系統使用了ICL7660芯片的轉換器工作模式實現產生-5V電源。

3.6 程控放大模塊設計

系統選用了DaC0832與外部電路構成了程控放大器來控制改變幅度，DaC0832中的DI0-DI7端口連接單片機的P2.0-P2.7端口，其基準電壓是接到波形發生電路的輸出，Vout=Vref×Data/256。其中Data的值通過改變單片機連接到數模轉換數據口的電平值就可以改變其放大倍數。程控放大模塊電路如圖5所示。

圖4 波形發生電路

圖5 程控放大模塊電路

4 系統總線路圖

系統總電路如圖6所示，由單片機最小系統、液晶顯示電路、電源電路、程控電路、波形發生電路、負壓產生電路等組成。

圖6 系統總電路圖

5 軟件設計

系統中主要運用Keil和Proteus兩個程序軟件進行程序編譯和仿真。單片機上電后初始化，產生默認設置的波形，對應的幅度和頻率等參數，然后單片機判斷設定按鍵是否按下，如果是則進入相關參數的設置，如果否則返回，系統的主要程序流程圖如圖7所示。

圖7 系統程序流程圖

LCD1602初始化子信號流程圖如圖8所示，首先調用液晶自定義的字庫，設置DDRaM地址，在第一行顯示，然后設置顯示數據的首地址，循環量設置，不斷地取字符代碼，第二行顯示過程也是如此，直到顯示完畢。

圖8 LCD1602初始化子信號流程圖

6 系統測試及數據分析

示波器上測得輸出正弦波、三角波、正弦波圖形如圖9所示。正弦波幅度為2V和頻率為1000Hz的正弦波，信號發生器上液晶顯示的峰峰值為2.08V，頻率為997.0Hz，幅度相對誤差4.0%，頻率相對誤差0.30%；三角波幅度為2V和頻率為1000Hz的三角波，信號發生器上液晶顯示的峰峰值為2.04V，頻率為1002.0Hz，幅度相對誤差2.0%，頻率相對誤差0.20%；輸出方波幅度為2V和頻率為1000Hz的方波，信號發生器液晶顯示上顯示的峰峰值為2.09V，頻率為998.4Hz，幅度相對誤差4.5%，頻率相對誤差0.16%。

圖9 正弦波、三角波、方波圖

對系統生產其它信號的幅度和頻率進行實驗，實驗數據如下表1所示。

表1 實驗數據表

通過比較與分析以上實驗數據，頻率1000～5000Hz和幅度0～2V，兩者的誤差都是≤5%。系統可以實現設定和顯示頻率、波形類型、幅度這些參數，實現了正弦波、三角波、方波的產生、顯示，信號頻率、幅度可調等功能，波形質量較好。

7 總結

設計了基于單片機的信號發生器，對系統硬件電路和軟件作了設計。系統是通過STC12C5a60S2單片機編程的方法，將要輸出的波形預先存在半導體存儲器中，經過數模轉換、放大等處理后，輸出該波形的信號。用按鍵通過單片機程序實現了波形類型、頻率大小、幅度大小的控制，并用液晶直觀顯示各信息。輸出信號頻率、幅度穩定，頻率范圍1000～5000Hz和幅度范圍0～2V，兩者的誤差都是≤5%，系統抗干擾能力強，擴展性強，制作簡易。

[1]陳桂友．增強型8051單片機實用開發技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2010．

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[8]孫勤江，沈彬．基于單片機的信號發生器設計[J]．石油和化工設備，2014，(01)：19-22．

Signal Generator Design Based on SCM

Zeng Suqiong Yang Dongtao Zeng Jingling Cai Kaida
(Jiaying University,Meizhou 514015,Guangdong)

Main hardware and software of the system are designed,using microcontroller as the core controller,and combining with D/a conversion,LCD1602 display,programmable amplifier designed output frequency,amplitude adjustable sine,square and triangular wave signal generator.The experiment shows that the system implements wave generation,display,and adjustment of signal frequency and amplitude.The frequency and amplitude errors are less than 5%,and wave quality is good.This system has the advantages of simple circuit,small size,low cost,high precision,stable work and easy usage,having a wide range of application.

signal generator;single chip microprocessor;DaC0832;LCD1602;programmable gain amplifier

TP3

a

1008-6609(2016)03-0031-04

曾素瓊，女，廣東五華人，碩士，副教授，研究方向：電路與系統、檢測與自動控制及電子技術應用的教學及應用。

2015年嘉應學院質量工程項目：基于應用型人才教育的電子線路課程教學創新實驗區，項目編號：415B0252；2015年嘉應學院教改重點項目：通信電子線路的總項目分環節設計的實驗教學改革與實踐，項目編號：415B0361；2015年廣東省大學生創新訓練項目：電子電路的項目式學習與實踐，項目編號：415B0646。