基于單片機的多功能函數發生器設計

曹旻罡

【摘 要】本次實驗選用AT89C51單片機作為實驗的核心部件，發生器的電路組成以ICL8038函數信號作為發生器的波形產生頻率。通過單片機的輸入輸出口將數字編碼輸入到單片機進行模型轉換，再產生對應編碼的數字電流，最后再實現電流到電壓轉換，從而獲得相應電壓實現運放電壓放大器和濾波電路。單片機系統所產生的各種波形通過頻率來進行調節，頻率的范圍則通過變阻器實現幅度調節。

【關鍵詞】單片機；多功能函數；發生器

信號發生器作為自動化工業生產的重要元件，其在很多領域中均有不同的應用。函數發生器元件由一些基本元件共同組成，如，運放IC、晶體管等元件構成。當然，伴隨著電信技術信息化和智能化發展，基于單片機的多功能函數發生器的使用將更加普及，且多功能函數發生器比傳統的信號發生器的優勢更加明顯[1]。多功能函數發生器的輸出信號頻率更高、波形更加穩定，且對于波形的幅度可以根據實際情況作出修改，使得其能夠滿足其他不同領域的需求。

1 理論支撐

1.1 硬件設計原理

通過編寫程序AT89C51單片機可以發出多種波形，單片機的I/O產生的波形以數字編碼形式呈現，然后通過LED屏連接AT89C51單片機端輸出。AT89C51單片機的連接方式不一樣，可以分為單機緩沖器型、兩級緩沖型以及兩個緩沖器直通型。程序編寫的時候，通過控制單片機的模擬波形實現數字編碼，將在ICL8038單片機內部實現編碼，將數字編碼轉化為不同大小的電流。單片機中產生的電流必須經過電流電壓轉換，通過放大器實現一級運放轉換，但是由于電壓的幅度較小，且各種內部干擾的存在，致使單片機產生的波形經過放大和濾波兩個操作才能夠產生比較完整的波形。函數發生器進行波形的種類和頻率進行控制的時候，設置了相應的按鍵，進而對單片機輸出編碼進行控制。單片機的波形和頻率進行調試的時候，需改變波形的幅度大小，還應采用變阻器進行波形調節[2]。

1.2 濾波實現電路原理

電路放大和濾波部分設計都是設計一個特定的電阻值，采用固定電阻可以節約電路板空間，電路板的尺寸可以適當縮小。但是放大電路和濾波系統在調試的時候比較困難，波形的放大和濾波效果難以控制。電路放大和濾波均采用滑動的變阻器，滑動的變阻器對電路板的電流控制具有一定的局限性，但是由于電阻可變系統在進行調試的時候顯得更加方便。可以通過改變電阻使得波形放大和濾波效果達到最佳的狀態。

2 多功能函數發生器系統設計

2.1 模塊組成

2.1.1 發生器模塊

ICL8038函數的信號發生器可以發出高精度的正弦波、矩形波、鋸齒波以及方波等不同的波形。發生器還可發出不同的頻率來改變外部電阻器和電容來實現快速調整。ICL8038芯片由觸發器、比較器、緩沖器、正弦波等組件組成，共同對波形的幅度和頻率進行控制[3]。

2.1.2 電源供電模塊

電源供電模塊可以說是整個系統可以正常運行的基本保障，也是系統完成運行任務的基本前提。單片機長期以來都面臨著功耗大、抗干擾能力弱以及程序跑飛嚴重等問題。為了避免這些問題就必須從電源下手，保證系統可以正常穩定的運行，因此在單片機多功能發生器電源供應上必須保障系統用電。

2.2 主程序流程

主程序流程如圖1所示，程序開始運行之后，首先初始化，信號頻率進行值判斷，若判斷通過在，則顯示器中顯示出常規設置內容。若整個信號頻率無法得到判斷或者判斷未通過，則程序會自動返回。中斷程序實現之后，確定波形和線路接入是否符合，需要對信號頻率進行匹配，否則將重新判斷或者進行返回操作。

2.3 硬件設計

2.3.1 主控電路設計

AT89C51單片機內部設置包含了T1和T0，二者均可以實現16位可編程，主要通過計數器和定時器來完成兩種操作和四種工作模式來完成運行。主控電路在波形發生器用作計時，可以對輸出波形的每個采樣點延遲時間實現準確計算。T0和T1中均采用16位計數器，只要允許計數開始，則最高可以溢出CPU中斷請求[4]。

2.3.2 數與模的電路轉換

若要獲得固定的波形，必須對把單片機的產生的信號進行轉換，形成模擬信號。DAC0832數模轉換器則可以滿足這一要求，它由八位輸入儲存器、八位DAC儲存器、八位的D/A轉換器等組成。該數模轉換器通過分辨率的增減，實現對模式電力波形輸出，并實現了可連續調動。若DAC0832數模轉換器的單片機選擇地址為7FFFH，P0端口發送的數據為00H，U10V作為當時輸出電壓，若P0口將數據發送至0FFH，U1的輸出電壓值為-5V。此時，電壓為0時，U1作為輸出電壓，其可以得到U1/R1+U2/R2+U3/R3=0。則輸出的電壓為-5V。可以得出函數發生器的產生波形輸出電壓的范圍在-5V～+5V之間，由此可得P0時，發送的數據為80H，輸出電壓為0V。

2.3.3 按鍵接口電路

鍵盤接口電路原理圖是保障整個系統電路運行的基礎，也是鍵盤控制系統運行的關鍵點。P0端口以AT89C51單片機作為核心，通過鍵盤掃描查看各個端口的單片機的連接狀況，若按鍵一旦按下則根據電路設計做出反應。S0屬于方形輸出波、S1為正弦波、S2為三角波、S3為鋸齒波、S4為數字信號頻率為10HZ的波形、S5為100赫茲的頻率信號、S6為臨界500赫茲信號以及S7為1000赫茲頻率信號。從鍵盤接口不同，各個開關閉合之后將會產生不同的波形，因此這樣設計可以根據具體的需求獲得相應的波形。

2.3.4 時鐘電路設計

時鐘電路作為獲取系統時間的重要元件，其組成主要由石英晶體、微調電容等組成。兩個電容元件為時鐘電路提供了振蕩頻率、穩定效應和容量選擇，一般選擇30pf12MHZ作為石英晶體的振蕩器頻率。由于頻率大、鋸齒波、三角波、正弦波等產生的時候會有所延遲，一般的額外指令時間、延遲時間以便于獲取更大的頻率波形。

2.3.5 電路顯示

電路顯示是通過LED屏幕向工作人員展示電路連接情況，顯示電路可以讓工作人員更加了解波形產生情況，以便于系統在合理情況下對波形頻率進行顯示。LED數碼管顯示器利用了共陽極連接，主要從主機端口實現低電平輸出，對應的LED等所需要顯示的數據和選型均應該根據實際情況作出最佳選擇。

3 結束語

單片機在機械自動化和智能化應用中相當廣泛，本文通過對單片機的多功能函數發生器設計進行相關的研究。從基本的理論展開討論，然后同硬件設計、電路設計提出了一些具體的辦法，為打造多功能函數發生器提供重要參考。隨著單片機技術日益成熟，其在很多行業領域中應用相當廣泛，未來開展發生器相關設計研究將成為單片機研究核心。

【參考文獻】

[1]程建輝，陳波，蔣樹剛.基于ICL8038芯片的單片機可控的函數信號發生器的設計[J].科學大眾（科學教育），2012，（03）：180.

[2]史蕊，劉威鵬.基于AD9834的多功能函數信號發生器的設計[J].電腦知識與技術，2013，（33）：7606-7608.

[3]樊鵬，徐順.基于單片機的多功能信號發生器的設計與實現[J].電子技術與軟件工程，2013，（15）：192.

[4]黃立新.基于單片機控制的數字函數信號發生器的設計與實現[J].科學技術與工程，2009，（12）：3278-3282+3287.

[責任編輯：張濤]endprint