李伟龙

(西北民族大学 电气工程学院，甘肃 兰州 730030)

1 引言

信号发生器分类信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。在通信、广播、电视系统，在工业、农业、生物医学领域内，函数信号发生器在实验室和设备检测中都具有十分广泛的用途[1]。目前市场上大多数函数信号发生器都是非单片机控制的，但是这种电路存在波形质量差，功能简单，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。采用单片函数发生器可产生正弦波、方波等，操作简单易行，用D/A转换器的输出来改变调节电压，可以实现数控调整频率，满足设计要求[2]。

2 系统总体设计

采用的是AT89C51单片机用软件实现信号的输出。该单片机是一个微型计算机，包括中央处理器CPU，RAM，ROM、I/O接口电路、定时计数器、串行通讯等，是波形设计的核心[3]。其信号发生器构成系统框图如下图所示:

图1 系统设计总框图

利用AT89C51单片机采用程序设计方法产生锯齿波、三角波、正弦波、方波四种波形，再通过D/A转换器DAC0832将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来，通过键盘来控制四种波形的类型选择、频率变化，最终通过数码管输出显示其各自的类型以及数值[4]。

3 硬件系统设计

3.1 主控电路

AT89C51是片内4k FlashROM的单片机，因此这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠[5]。用AT89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点:有可供用户使用的大量I/O口线;内部存储器容量有限;应用系统开发具有特殊性。

AT89C51单处机内部设置两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1，它们可以工作在计数器和定时两种模式并且有4种工作方式[6]。在波形发生器中，将其作定时器使用，通过计算来精确地确定波形的两个采样点输出之间所需的延迟时间。其中模式1采用的是16位计数器计数方式，当T0或T1被允许计数后，从设定的初值开始加计数，最高位产生溢出时向发中断CPU请求，从而完成波形的输出与频率调节。

3.2 D/A 转换

DAC0832是采用CMOS工艺制成的8分辨率的D/A转换集成芯片，由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器及转换控制电路四部分构成[7]。根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式:直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。其原理图为:

图2 DAC0832原理图

其中D/A转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。

3.3 放大与低通滤波电路

由单片机采用编程方法产生四种波形、通过DA转换模块DAC0832在进过滤波放大之后输出[8]。其电路图如下:

图3 放大与滤波电路

其中第一级运算放大器的作用是将DAC0832输出的电流信号转化为电压信号V1，第二级运算放大器的作用是将V1通过反向放大电路-(R2/R1)倍，从而通过调节R2的大小来调整输出幅值在0-5V之间变化。

3.4 显示电路设计

显示电路是用来显示波形信号的频率，使得整个系统更加合理，从经济的角度出发，所以显示器件采用LED数码管显示器。而且LED数码管是采用共阳极接法，当主控端口输出一个低电平后，与其相对应的数码管即变亮，显示所需数据。

图4 LED显示电路

4 软件系统设计

根据设计的要求，对各种波形的频率和幅度进行程序的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序运行中，当接收到来自外界的命令，需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序，经电路的数/模转换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端口输出。其中程序应包含以下几个模块:初始化程序;键盘扫描程序与处理程序;定时器0服务程序;正弦波发生程序及其服务程序;三角波发生程序;锯齿波发生程序;方波发生程序。主程序流图如下所示:

图5 主程序流程图

系统值子程序的调用是通过按键的选择来实现，在取得按键相应的键值后，然后对参数值进行计算得到相应的频率值与应当输出的波形，启动计时器和相应的中断服务程序，并同时用数码管显示输出的波形与频率，再直接查询程序中预先设置的数据值，通过转换输出相应的电压与定时器的延时获得不同频率值，从而形成所需的各种波形。其中三角波部分程序:

5 结论

通过程序的控制，可以产生一系列有规律的波形。这样一个信号发生装置在控制领域有相当广泛的应用范围。最终能够满足设计要求，产生锯齿波、三角波、正弦波、方波波形，并且可在一定范围内调节其频率和幅值大小。本设计具有体积小、价格低廉、性能稳定、实现方便、功能齐全的特点，通过不同的程序编程，系统还将得到更多的波形输出。

[1]任为民.电子技术基础课程设计[M].北京:中央广播电视大学出版社，1997

[2]童诗白.模拟电路技术基础[M].北京:高等教育出版社，2000.

[3]韩全立，王建明.单片机控制技术及应用[M].北京:电子工业出版社，2004

[4]高吉祥，全国大学生电子设计竞赛培训系列教程[M].北京:电子工业出版社，2007

[5]李叶紫.MCS-51单片机应用教程[M].北京:清华大学出版社，2004

[6]韩全立，王建明.单片机控制技术及应用[M].北京:电子工业出版社，2004

[7]张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1990

[8]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京:高等教育出版社，2007