張機(jī)大連電子學(xué)校

信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)

張機(jī)
大連電子學(xué)校

本文介紹了以單片機(jī)STC89C52為核心，基于數(shù)字頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的信號發(fā)生器。該發(fā)生器有兩路正弦波、一路矩形波、鋸齒波和三角波輸出，信號的波形、幅值、頻率等參數(shù)可以通過按鍵設(shè)置，并在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。

信號發(fā)生器；數(shù)字頻率合成技術(shù)；單片機(jī)

一、設(shè)計(jì)原理

1.數(shù)字頻率合成技術(shù)

數(shù)字頻率合成器由相位累加器、波形存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器、濾波器等組成。它利用采樣定理將理想輸出波形進(jìn)行量化處理，幅值以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在ROM或RAM中，作為波形存儲(chǔ)器的查詢數(shù)據(jù)表。其中，相位累加器由加法器和相位寄存器構(gòu)成，二者位數(shù)相同[1]。由晶體振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號使各部分電路同步工作。假設(shè)相位寄存器的初始值為θ，當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘信號到來時(shí)，相位累加器中的加法器將該初始值與頻率控制字K（設(shè)置）相加，結(jié)果保存在相位寄存器中。該數(shù)據(jù)有兩個(gè)用途，一是作為波形存儲(chǔ)器的查詢地址，得到該相位地址所對應(yīng)波形的幅值數(shù)據(jù)。每當(dāng)時(shí)鐘信號輸入時(shí)，相位寄存器就會(huì)輸出一個(gè)步進(jìn)為Δθ的相位數(shù)據(jù)。二是把結(jié)果反饋到累加器輸入端。當(dāng)輸入下一個(gè)時(shí)鐘信號時(shí)，可以將該結(jié)果與頻率控制字K相加。相位累加器在時(shí)鐘信號的作用下不停地重復(fù)上述步驟，直到存滿相位寄存器存儲(chǔ)空間發(fā)生溢出為止，則溢出頻率為數(shù)字頻率合成輸出信號的頻率。通過相位累加器輸出的波形存儲(chǔ)器的相位地址，可以得到所需波形離散的幅值編碼數(shù)據(jù)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器可以得到所設(shè)置波形對應(yīng)的系列階梯波，再經(jīng)過低通濾波器得到所需波形[2]。

2.基于數(shù)字頻率合成技術(shù)的信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

使用單片機(jī)控制數(shù)字頻率合成電路，輔助濾波、幅值調(diào)節(jié)等外圍電路，即可設(shè)計(jì)滿足要求的信號發(fā)生器，其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的信號頻率分辨率高，精度高，信號質(zhì)量好。

3.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

信號發(fā)生器包括單片機(jī)控制、按鍵模塊、液晶顯示、信號波形產(chǎn)生、程控放大等五部分電路。其中，單片機(jī)控制部分是信號發(fā)生器系統(tǒng)的核心部分，用來控制液晶顯示、按鍵輸入模塊、信號波形產(chǎn)生以及程控放大等模塊。通過對單片機(jī)編程，控制按鍵輸入各種波形參數(shù)來控制其它電路。單片機(jī)可以將按鍵輸入的頻率控制字K寫到頻率合成器中，控制頻率合成器產(chǎn)生1Hz～10MHz頻率范圍的正弦波，然后輸入到程控放大器中獲得頻率和幅值均可調(diào)的正弦波。將正弦波輸入到高速比較器同相輸入端，通過電位器調(diào)節(jié)輸出電壓大小，即可得到占空比可調(diào)的矩形波。

二、硬件電路設(shè)計(jì)

1.單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括STC89C52單片機(jī)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。時(shí)鐘電路選用12MHz的無源晶振，為單片機(jī)提供工作時(shí)間基準(zhǔn)。當(dāng)需要復(fù)位時(shí)，按下S1按鍵，復(fù)位端輸入高電平，并保持兩個(gè)機(jī)器周期，即可完成單片機(jī)的復(fù)位和初始化。

2.單元電路設(shè)計(jì)

（1）正弦波形產(chǎn)生電路

正弦波產(chǎn)生電路要求頻率從1～10MHz可以任意設(shè)定，分辨率為1Hz，并且幅值連續(xù)可調(diào)，選擇頻率合成AD9850 IC即可以實(shí)現(xiàn)。AD9850與STC89C52單片機(jī)接口可以采用串行或并行方式，為了節(jié)省I/O端口，本設(shè)計(jì)采用串行方式。通過單片機(jī)控制頻率合成電路和程控放大電路，即可產(chǎn)生頻率為1Hz～10MHz的可調(diào)正弦波，且幅值在0.5V～3V區(qū)間內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

（2）矩形波產(chǎn)生電路

頻率合成器產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過高速比較器就可以得到矩形波，本設(shè)計(jì)中的AD9850內(nèi)部就含有高速比較器。將正弦波輸入到AD9850的高速比較器同相輸入端，10kΩ電位器的兩端與電源正端和地相連，中心抽頭接至AD9850高速比較器反相輸入端，調(diào)節(jié)電位器輸出電壓，就可以得到占空比可調(diào)的矩形波。

（3）三角波和鋸齒波產(chǎn)生電路

對單片機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換就可以得到三角波和鋸齒波，其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換采用數(shù)字集成電路DAC0832。通過單片機(jī)程序控制，在DAC0832輸出端即可得到三角波和鋸齒波。該電路也可以用來產(chǎn)生占空比可調(diào)的矩形波。

（4）液晶顯示電路

選用LCD液晶顯示屏顯示設(shè)置的參數(shù)。通過單片機(jī)控制，顯示屏可以顯示設(shè)置的波形、頻率、幅值和占空比。本設(shè)計(jì)中選用LCD1602液晶顯示屏，它可以顯示2行16列32個(gè)字符。其中，第一行顯示波形和幅值信息，第二行顯示頻率和占空比。當(dāng)選擇正弦波、三角波或者鋸齒波時(shí)，占空比一欄中顯示“——”。通過按鍵控制，可以切換設(shè)置參數(shù)。每次數(shù)據(jù)顯示時(shí)，要對液晶顯示電路進(jìn)行初始化。

（5）按鍵電路

設(shè)計(jì)中另設(shè)4個(gè)按鍵S2、S3、S4、S5。S2用于控制波形、幅值、頻率和占空比設(shè)置界面；S3用于控制四種波形切換和幅值、頻率、占空比的設(shè)置；S4用于控制幅值、頻率、占空比進(jìn)行數(shù)值加；S5用于控制幅值、頻率、占空比進(jìn)行數(shù)值減。通過以上4個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)正弦波、方波、三角波和鋸齒波切換、正弦波頻率和幅值可調(diào)、方波占空比可調(diào)。

（6）電源電路

電源模塊包含整流、濾波和穩(wěn)壓三個(gè)部分，選擇了三端集成穩(wěn)壓電源LM7805和M7905。其中，LM7905穩(wěn)壓集成電路的極限輸入電壓是-35V，最低輸入電壓-8V，輸出電壓為-5V；LM7805最高輸入極限電壓36V，最低輸入電壓7V，輸出電壓+5V。設(shè)計(jì)中選用220/10V交流變壓器。

三、程序軟件設(shè)計(jì)

采用C語言對單片機(jī)進(jìn)行編程。編程軟件使用Keil uVision4。程序設(shè)計(jì)流程圖和編程代碼略。

1.軟件控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求，在硬件設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，要對軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括對按鍵模塊、LCD1602液晶顯示、AD9850控制程序和DAC0832控制程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)中，首先要對單片機(jī)進(jìn)行程序初始化，對設(shè)計(jì)系統(tǒng)中各控制端口進(jìn)行預(yù)設(shè)值，液晶屏顯示相關(guān)波形、頻率、幅值、占空比等信息。

2.按鍵模塊程序設(shè)計(jì)

為了判斷是否有按鍵按下，單片機(jī)定時(shí)器T0采用循環(huán)掃描按鍵檢測方式。若有按鍵按下時(shí)，就進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)所需的波形、頻率、幅值等參數(shù)設(shè)置。如上所述，不同按鍵對應(yīng)不同的參數(shù)設(shè)置功能。每次檢測到有按鍵按下時(shí)，需要調(diào)用延時(shí)子程序，去抖動(dòng)。

3.液晶顯示模塊程序設(shè)計(jì)

首先，要調(diào)用液晶自定義字庫，并設(shè)置好DDRAM地址。然后，根據(jù)程序中的數(shù)據(jù)設(shè)置，在第一行顯示數(shù)據(jù)首地址并設(shè)置循環(huán)量。在循環(huán)過程中不斷地取字符代碼直到終止；第二行的顯示過程同第一行。兩行顯示完畢后子程序結(jié)束。

[1]吳海超,邢斯瑞.基于AD9850的嵌入式信號源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009,16：47-59.

[2]劉焱坤.基于STC89C52RC單片機(jī)跑步計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)[J].電子世界，2016,5：111.