数字信号发生器的设计

一、前言

信号发生器在研究和教学中长期处于重要地位, 发挥着重要作用。因此, 对信号发生器的研究非常重要。传统的信号发生器采用价格昂贵但使用存在小误差的专用芯片。针对这一应用背景设计一款可以灵活控制且经济实惠, 处理能力强, 可实现频率、幅值可调节的函数输出波形的数字信号发生器。

二、信号发生器的种类

目前常见的信号发生器按频率的范围分类主要包括低频信号发生器以及高频信号发生器;根据频率变化模式, 它可以分为频率扫描和程序控制信号发生器以及频率合成型信号发生器。按照波形分包括正弦、脉冲等信号发生器。

三、信号发生器设计

(一) 总方案设计

系统使用AT89C52微控制器来控制DAC0832转换器。它可以输出三种波形:正弦波, 锯齿波和矩形波。虽然这种设计产生的波形不稳定, 但抗干扰能力较弱。但造价低, 适合刚入手学习掌握信号发生器的使用相关人员。

(二) 模块设计

本文针对数字信号发生器的设计以AT89C52微控制器作为主控制单元。这种类型的芯片是一种高性能, 低功耗的微型计算机, 可以作为中央处理单元, 存储器, 寄存器等。可实现完整电路的设计, 并且成本低。

由于本次设计不涉及文字显示等较为复杂的信息显示, 所以可采用常见的LCD1602显示器, 该型号显示器功率小, 易于编程且可显示所需信息。

对于输入模块, 系统使用矩阵键盘。因为本次设计不需要过多的按键, 也不需要复杂的编程, 本着成本低、易于新手使用的目的, 选用矩阵式键盘。

四、系统设计

本系统的设计思路是使用AT89S52单片机通过编程的方式产生三角波、正弦波和矩形波的波形, 然后通过DAC0832转换器对数字信号与模拟信号进行转换。滤波器被放大并通过示波器进行显示。三种信号类型的选择由键盘控制, 对频率变化和最终输出显示相应的类型和数值信息。

系统主要包括单片机的最小系统, 并生成波形。液晶显示部分和按键独立键盘部分组成。下文针对各部分进行逐一解析。

最小的硬件系统主要包括电源, 主板, CPU和内存。在本文设计的系统中, 不采用任何的线路连接, 只有主板电源进行连接。使用过程中, 通过声音对核心部件是否可以正常工作进行准确判断。89S52是一个芯片上带有ROM/EPROM的微控制器, 当选用89S52微控制器作为构成最小系统的器件时, 只需将微控制器连接到时钟电路和复位电路即可。由于集成电路所限, 其应用特点主要包括可提供大量I/O接口, 储存器容量有限等。

波形产生模块主要通过单片机控制DAC0832转换器, 对产生的三种波形进行数模转换。系统设定中将单片机的P0口与DAC0832的8位数据输入端连接, 输出端与放大电路连接, 将信号放大后输出需要的波形。

显示模块部分的设计主要是对LCD1602显示屏的连接使用方式进行设计, 波形和频率显示在1602显示屏上。设计电路连接, 1602的8位数据连接到微控制器的P1端口。其三个使能端子RS, RW和E分别连接到微控制器的P3.2-P3.4。可以通过控制LCD屏幕的软件显示波形类型和波形。

由键盘独立键盘连接的8条线分别连接到单片机的P2端口。仅使用第四列, 因此初始化程序时P2.7引脚为低电平, 设置一处开关用于切换输出波形;设置两处开关调节频率的加法和减法, 当按下开关两处中的一处时, 输出波形的频率增加, 当按下另一处时, 输出波形的频率减小。

五、系统软件部分设计

系统使用AT89S52微控制器通过编程生成三个波形。并编程在三个波形和波形频率变化之间切换。与汇编相比, C语言具有功能性和结构性。可读性和可维护性具有明显的优势, 该程序是用C语言编写。开发环境为KEIL。要求: (1) 各个波形的切换; (2) 各种参数的设定; (3) 频率增加和减少等。调整软件后, 它可以通过编程器下载到AT89S52芯片, 然后插入系统独立完成所有控制。

六、结束语

该系统使用单芯片编程设计方法来生成锯齿正弦和矩形三个波形, 然后通过D/A转换器DAC0832可将数字量与模拟量进行转换。滤波器将信号进行放大并最终由示波器进行显示。通过键盘控制三个波形的选择, 并且通过LCD面板1602显示频率变化和相应的值。具有很好的大量推广使用前景。

摘要：本文设计的一款数字信号发生器是基于AT89C52单片机进行程序设计, 生成三种波形:锯齿波, 正弦波和矩形波。选用DAC0832转换器将数字量转换为模拟量, 在通过滤波放大器放大, 最后通过示波器进行波形显示。

关键词：信号发生器,AT89C52单片机,波形

参考文献

[1] 陈伟人.单片微型计算机原理及其应用[M].北京:清华大学出版社, 1989.

[2] 夏继强, 沈德金, 邢春香.单片机实验与实践教程 (二) [M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006.