基于微控制器的数字信号发生器的设计与实现

白苗洁成都理工大学信息科学与技术学院



基于微控制器的数字信号发生器的设计与实现

白苗洁
成都理工大学信息科学与技术学院

摘要：本设计是基于单片机STC89C52的多功能波形发生器。由STC98C52、D/A转换、LM324运放放大器、示波器液晶显示、外围电路构成的数字信号发生器。利用STC89C52单片机产生数字信号波形，再通过D/A转换将数字信号转换成模拟信号，在经过有LM324组成的运放电路放大信号，由示波器输出，之后再经过有LM324组成的反向电路使得模拟信号反向输出，最后，一起显示在示波器里。

关键字：STC89C52单片机 DA转换 数字信号

1　研究背景及前景

不论是在生产还是在科研与教学上，信号发生器都是电子工程师仿真实验的最佳工具。随着我国经济和科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求，信号发生器己成为测试仪器中至关重要的一类，因此开发信号发生器具有重大意义。传统的信号发生器采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活。现在很多设计利用单片机灵活的控制、丰富的外设处理能力，实现频率、幅值可调的函数波形的输出，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。

2　系统设计及方案

经过再三考虑，确定方案如下：利用STC89C52单片机采用程序设计的方法产生方波、矩形波、三角波、正弦波四个波形，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，再通过反向电路，最终由示波器显示出来。通过由STC8C52产生的数字信号通过DAC0832转换为模拟信号，有数字量的大小直接和模拟信号的频率成正比。因为单片机本身的可提供的最大频率并不是很稳定，所以在单片机P2端口处加排阻连接在一起，又此来确定波形的最大频率。本设计用单片机控制所产生信号的幅度，并且充分地利用了单片机强大的程序控制和计算功能，采用查表的方法利用软件生成了各种信号，从而大大地节省了硬件开销，动态地实现了目标信息的模拟。

3　硬件选择及设计

3.1单片机模块

STC89C52单片机是一种低功耗、高性能8位单片微型计算机。它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机、而且其价格便宜。

3.2D/A转换模块

D/A转换是由最常用的DAC0832来完成，主要优点有：分辨率为8位；电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗，20mW。而且相对其他D/A转换设施DAC0832容易入手，可快速掌握。

3.3运放模块

在运放模块中，现实常用的芯片有LM358，TL062，TL072，TL082，LF353，NE5532等等，在这里我选择的是LM324，主要是因为在以前的实训中使用过LM324，所以比较熟悉它的性能。

3.4反向电路模块

因为在运放模块中选择的是LM324，所以为了节约成本，所以反向电路用的也是LM324。使用LM324也可以提高集成度，使得做出的电路板面积减小，易于使用。

3.5键盘模块

矩阵式键盘。矩阵式键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线都断开，行线都呈高电平。当某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线被短路。

4　软件设计

单片机内部数据只能以0，1输出，所产生的信号都是离散的信号。为了能够让单片机实现函数信号输出功能，采用对信号采样，量化的方法。在设计中，对正弦信号进行采样，通过查表来实现输出不团的幅度值。采样点越密集，信号失真度就越小。对于三角波的输出，就是实现两次循环，通过有最小值到最大值和由最大值到最小值的循环来实现三角波的输出。方波的输出时间间隔由软件通过定时、计数器来控制。锯齿波的输出就是三角波的1/2步骤由最小到最大，一直重复这个步骤。

5　波形产生程序的设计

产生指定波形可以通过DAC来实现，不同波形产生实质上是对输出的二进制的数字量进行相应改变来实现的。

（1）方波信号是利用定时器中断产生的，每次中断时，将输出的信号反向即可。

（2）三角波信号是将输出的二进制数字信号依次加1，达到0xff时依次减1，并实时将数字信号经D/A转换得到。

（3）锯齿波信号是将输出的二进制数字信号依次加1，达到0xff时置为0x00并实时将数字信号经D/A转换得到的。

（4）正弦波是利用MATLAB将正弦曲线均匀取样后，得到等间隔时刻的y方向上的二进制数值，然后依次输出后经D/A转换得到。

参考文献

［1］米昶. Protel2004电路设计与仿真（高等学校计算机辅助设计规划教材）［M］.机械工业出版，2006.

［2］何立民.单片机高级教程-应用与设计［M］.北京航空航天大学出版社，2008.

［3］李刚，等.ADUC845单片机原理、开发方法及应用实例［M］.电子工业出版社，2006.

［4］张毅刚单片机原理及应用J高等教育出版社，2003