基于STC89C52的信號發生器設計

杜路泉

(阿壩師范學院 電子信息與自動化學院，四川 阿壩州 623002)

信號發生器是電子信息領域一種非常重要的實驗儀器。在電子信息專業中，也是應用最廣泛最重要的信號測試設備之一，它的功能主要是提供被測電路需要的測試信號。隨著通信、電子、網絡行業的發展，需要的頻率段逐漸密集，更加要求有高精度、高可靠性的信號源。信號發生器是一種廣泛地應用于電路測試、通信測試、教學實驗測試和控制系統仿真測試等領域的常用信號源[1]。

在設計中主要是以產生常用的波形(正弦波、方波、三角波、鋸齒波)為目的設計的簡易信號發生器。以STC89C52單片機為核心和DAC0832數/模轉換相結合實現正弦波、方波、三角波和鋸齒波常用波形的產生，以及LCD1602液晶屏顯示波形種類和頻率值。在Keil軟件上對各種波形的產生以及頻率的改變進行程序的編寫，并將程序下載到STC89C52單片機中。當單片機上電時，接收到外界的指令需要輸出波形，調節相應的中斷服務程序在通過數/模轉換以及運算放大器處理后，在示波器上得到輸出的波形，并且可以通過按鍵切換波形的類型，在顯示不同的波形時相應的LED燈點亮，以便于識別當前顯示的是哪種波形，給人更加直觀的觀察[2]。

1 信號發生器不同方案的對比

可以實現信號發生器的方法有多種，下面是一些常用實現信號發生器的方案。如表1所示。

鑒于方案1輸出頻率不夠穩定，操作復雜；方案2編寫程序復雜，成本高；方案3電路復雜，DDS芯片價格高。所以選擇方案4的設計方法。它軟硬件結合，使用的幾種元器件都是常用的元器件，成本較低，電路設計簡單，容易實現，得到的信號頻率的穩定性和準確性能得到保證[3～4]。

2 信號發生器功能設計

當單片機上電后，液晶屏上默認顯示波形為方波，頻率默認為10Hz.當按下波形切換按鍵時，進行波形的切換。按下設置頻率步進值按鍵時，液晶屏上顯示當前頻率。按下對頻率、步進值進行加或減的按鍵時，執行對應的功能。實現的大致功能如下：

1)可實現四種波形的產生：正弦波、方波、三角波和鋸齒波；

2)四種波形的頻率在10～100Hz內可調；

3)頻率的步進值可以改變；

4)有四個指示燈分別指示發出的是哪種波形，方便明了；

5)LCD1602液晶顯示波形種類和頻率值。

表1 信號發生器方案分析

3 信號發生器組成模塊

在設計中采用STC89C52單片機，使用軟件編程的方法實現波形信號的輸出。由以下幾部分組成(如圖1所示)：鍵盤輸入、LCD顯示、單片機、數模轉換、運算放大與輸出[5～6]。

圖1 信號發生器原理框圖

4 硬件原理框圖

采用STC89C52單片機芯片設計信號發生器的中心處理器件，通過C語言編程實現各種波形的產生，最后通過數/模轉換和運算放大電路將波形輸出到示波器，結構簡單，思路清晰[7，8]。根據設計要求，將要實現的功能分為不同的模塊，各個模塊間相互協調，實現最終的功能。整體電路的原理框圖如圖2所示。

圖2 電路的原理框圖

5 軟件設計分析

采用STC89C52單片機實現硬件核心，通過Keil uVision5編程的方法實現軟件的核心功能。通過編程實現四種波形的切換、頻率的改變以及設置頻率步進值的大小。通過Proteus軟件仿真以及Keil聯機調試后，就可以通過編程器將程序下載到STC89C52的芯片中，這樣就可以完成圍繞該芯片的所有控制[9～10]。

軟件系統的總設計思路：初始化時輸出的波形為正弦波，在LCD1602上顯示波形的種類和初始頻率。最后通過按鍵來實現波形改變以及頻率的設置。設計的思路如圖3所示。

圖3 軟件設計思路圖

通過Proteus仿真軟件以及Keil的聯機調試可以看到初步結果，在示波器上觀察。

6 硬件電路仿真分析

正弦波仿真結果如圖4所示：

圖4 仿真圖與PCB電路設計

7 硬件電路測試

按照設計原理圖焊接好電路后，下載程序到單片機中，進行測試。示波器的作用就是用來測試設計的信號發生器輸出的波形是否正常。圖5就是示波器檢測結果。

圖5 信號發生器實物測試

8 結果分析

硬件電路測試完成后，對數據進行整理，用示波器顯示的頻率作為真實值(A0)，信號發生器LCD1602顯示的頻率為測量值(A1)，對兩者數據進行觀察、記錄、統計和分析。下面對兩者顯示的各個頻段的數據比值(a=A1/A0)、絕對誤差(ΔA=A0-A1)和相對誤差(r=ΔA/A0)，數據記錄如表2所示。

表2 測試結果記錄表

由表2統計可得頻率平均相對誤差如式1：

硬件電路實現了以STC89C52單片機為核心，通過C語言編程的方法，按鍵輸入功能，基本上實現正弦波、方波、三角波和鋸齒波四種波形的產生、波形頻率在10～100Hz內可調以及波形頻率的步進值在0.1～10內可調的功能,誤差約為1.2%左右，也可以在液晶頻上顯示出波形的類型和頻率。該硬件電路中仍存在一些不足之處，可以在今后的工作中改進。如產生的波形信號的幅度也可以通過按鍵來改變；可以利用精度更高的D/A轉換芯片來提高輸出波形的質量。