基于MCU的低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

王文博

摘 要：信號(hào)發(fā)生器在工業(yè)以及科學(xué)實(shí)踐中，在電子電路設(shè)計(jì)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)建以及測試中發(fā)揮了巨大作用，是最為普遍的電子類儀器設(shè)備之一，為各種實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文詳細(xì)介紹了一個(gè)低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，從信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、到波形顯示做了一個(gè)系統(tǒng)的闡述，利用MCU，對(duì)其實(shí)現(xiàn)給出了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：低頻信號(hào)發(fā)生器；MCU；電子電路

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.140

0 引言

低頻信號(hào)發(fā)生器作為提供信號(hào)激勵(lì)源的儀器，可以在工業(yè)化生產(chǎn)過程中提供頻率較低，波形不同的信號(hào)，其在生產(chǎn)實(shí)踐中有著十分廣闊的應(yīng)用空間，也可以使用低頻信號(hào)發(fā)生器可以更方便地獲取一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便后期研究工作的進(jìn)行。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)總體思路為通過波形生成模塊產(chǎn)生波形信號(hào)，經(jīng)過波形采集得到波形數(shù)據(jù)，利用串行通信技術(shù)把相應(yīng)數(shù)據(jù)送電腦端所編寫好的軟件來進(jìn)行顯示，以及完成波形的繪制。

本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）產(chǎn)生不同種類的波形；（2）波形切換以及頻率調(diào)節(jié)；（3）對(duì)所產(chǎn)生的波形進(jìn)行采集；（4）采集得到的波形數(shù)據(jù)利用串行通信技術(shù)進(jìn)行發(fā)送；（5）電腦端來接受數(shù)據(jù)并顯示波形。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

多種頻率、不同種類信號(hào)波形的產(chǎn)生，以及對(duì)所生成波形的采集是硬件設(shè)計(jì)部分的重點(diǎn)。其中波形的生成主要由STC89C52RC微控制器與外圍模擬電路來完成，而波形的采集則是由MSP430G2553微控制器來完成的。在數(shù)模轉(zhuǎn)換部分采用的是DAC0832，采用的是并行數(shù)模轉(zhuǎn)換方式，需要的元件是電阻網(wǎng)絡(luò)以及電子模擬開關(guān)。設(shè)計(jì)中使用的I/V轉(zhuǎn)換電路應(yīng)與DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相匹配，DAC0832的內(nèi)部有一對(duì)輸出引腳Iout1以及Iout2，，。由于使用了反相I/V轉(zhuǎn)換電路導(dǎo)致輸出的電壓信號(hào)為負(fù)電壓信號(hào)，若直接將該負(fù)電壓信號(hào)引入到波形采集部分來進(jìn)行采集，則會(huì)導(dǎo)致采集出來的數(shù)據(jù)都為0。這是因?yàn)樵贕2553微控制器的ADC10采集部分所設(shè)置的參考電壓范圍是0V至Vcc。當(dāng)輸入電壓小于0V，ADC10所采集得到的數(shù)據(jù)變?yōu)?。為了使波形數(shù)據(jù)采集模塊可以采集到波形數(shù)據(jù)，應(yīng)使用電壓反相電路來實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)極性的反轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)中采用的電壓反相放大電路，選用的運(yùn)算放大器是LM358。LCD1602液晶屏在本設(shè)計(jì)中的作用使用來顯示當(dāng)前顯示的波形種類，通過對(duì)LCD1602液晶屏的數(shù)據(jù)線賦值來顯示相應(yīng)的波形類別。LCD1602液晶屏的第三個(gè)引腳連接一個(gè)10K的電位器來調(diào)節(jié)液晶屏顯示時(shí)的對(duì)比度。當(dāng)該引腳接電源Vcc時(shí)對(duì)比度最弱，接GND時(shí)對(duì)比度最高。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括兩大部分：電腦端軟件編程以及微控制器軟件編程。其中微控制器軟件設(shè)計(jì)主要是波形信號(hào)的產(chǎn)生，采集以及數(shù)據(jù)傳送，其編程主要分為兩個(gè)部分：STC89C52RC微控制器軟件編程以及MSP430G2553微控制器軟件編程。STC89C52RC微控制器的程序主要實(shí)現(xiàn)把內(nèi)存中存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)送至DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)字量輸入端，判斷外部按鍵是否按下并切換生成波形種類或者改變生成波形的頻率，同時(shí)利用外接的LCD1602液晶屏來顯示相關(guān)的提示信息。MSP430G2553微控制器的程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)生成波形的采集，采集之后利用內(nèi)部的ADC10進(jìn)行A＼D轉(zhuǎn)換得到波形數(shù)據(jù)，再利用USCI（通用串行通信接口）中的UART模式向上位機(jī)發(fā)送波形數(shù)據(jù)。

在具體編程過程中設(shè)置產(chǎn)生的正弦波，矩形波，方波，三角波，鋸齒波以及梯形波，波形種類的切換和生成的波形頻率調(diào)整是通過外接按鍵來實(shí)現(xiàn)的。采用中斷方式來識(shí)別按鍵動(dòng)作，當(dāng)STC89C52RC微控制器相應(yīng)外部中斷時(shí)，便轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)當(dāng)中。由于外部中斷資源較少，僅有兩個(gè)，分別對(duì)應(yīng)了切換波形種類的按鍵以及改變輸出波形頻率的按鍵。為了在僅有兩個(gè)按鍵的情況下對(duì)五種輸出波形進(jìn)行切換以及對(duì)輸出波形頻率的改變，在程序中設(shè)置了軟件計(jì)數(shù)器來統(tǒng)計(jì)按鍵次數(shù)，不同的按鍵次數(shù)在switch語句體中對(duì)應(yīng)不同的case語句，從而實(shí)現(xiàn)了波形種類以及頻率的循環(huán)改變。

要對(duì)連續(xù)變化模擬量進(jìn)行采集得到離散的數(shù)字量需要進(jìn)行三個(gè)過程：采樣保持，量化過程以及編碼過程。MSP430G2553微控制器獲取到波形數(shù)據(jù)后，把波形數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)采樣到的數(shù)據(jù)值繪制波形。為了使在上位機(jī)上用采集數(shù)據(jù)所繪制的波形與在示波器上面所觀察到的波形形狀類似，即采集并繪制出來的波形與原信號(hào)波形相比不產(chǎn)生失真，則ADC10的采樣頻率應(yīng)滿足香農(nóng)采樣定理，，為采樣頻率，為原信號(hào)中頻率最高的分量的頻率。上位機(jī)軟件本質(zhì)上是C#中的Windows Form窗體應(yīng)用程序，其一大特點(diǎn)便是可視化圖形編程界面以及控件（也就是類）的使用，用戶可以通過在窗口界面上放置并編寫這些控件所實(shí)現(xiàn)的功能。Windows Form窗體應(yīng)用程序編程在某種意義上相當(dāng)于是編寫事件響應(yīng)函數(shù)。上位機(jī)軟件與微控制器的通信方式為串行通信方式，即在一根數(shù)據(jù)線上將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)一位一位地依次傳送，電腦端通過USB接口與微控制器相連，然后上位機(jī)把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后把波形顯示出來。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)波形產(chǎn)生，波形調(diào)節(jié)，波形采集，波形數(shù)據(jù)傳送以及上位機(jī)顯示波形數(shù)據(jù)以及顯示波形等相關(guān)功能。但該設(shè)計(jì)中仍然存在不少缺陷，比如產(chǎn)生的波形信號(hào)的頻率可調(diào)范圍有限；波形采集時(shí)未加入信號(hào)調(diào)理電路從而導(dǎo)致會(huì)把不少雜波信號(hào)也一并采集；當(dāng)傳輸速率較快時(shí)上位機(jī)顯示畫面不佳；無法對(duì)采集到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析等，但這些缺陷會(huì)隨著學(xué)習(xí)的深入而得到彌補(bǔ)，從而使該設(shè)計(jì)更加完美。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁巧艷，楊會(huì)彩，杜延軍等. 一種基于AT89C51低頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（21）：112-115.

[2]唐敏.程控低頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1996（04）：27-31.endprint