基于STC89C52的信号发生器设计

杜路泉

(阿坝师范学院 电子信息与自动化学院，四川 阿坝州 623002)

信号发生器是电子信息领域一种非常重要的实验仪器。在电子信息专业中，也是应用最广泛最重要的信号测试设备之一，它的功能主要是提供被测电路需要的测试信号。随着通信、电子、网络行业的发展，需要的频率段逐渐密集，更加要求有高精度、高可靠性的信号源。信号发生器是一种广泛地应用于电路测试、通信测试、教学实验测试和控制系统仿真测试等领域的常用信号源[1]。

在设计中主要是以产生常用的波形(正弦波、方波、三角波、锯齿波)为目的设计的简易信号发生器。以STC89C52单片机为核心和DAC0832数/模转换相结合实现正弦波、方波、三角波和锯齿波常用波形的产生，以及LCD1602液晶屏显示波形种类和频率值。在Keil软件上对各种波形的产生以及频率的改变进行程序的编写，并将程序下载到STC89C52单片机中。当单片机上电时，接收到外界的指令需要输出波形，调节相应的中断服务程序在通过数/模转换以及运算放大器处理后，在示波器上得到输出的波形，并且可以通过按键切换波形的类型，在显示不同的波形时相应的LED灯点亮，以便于识别当前显示的是哪种波形，给人更加直观的观察[2]。

1 信号发生器不同方案的对比

可以实现信号发生器的方法有多种，下面是一些常用实现信号发生器的方案。如表1所示。

鉴于方案1输出频率不够稳定，操作复杂；方案2编写程序复杂，成本高；方案3电路复杂，DDS芯片价格高。所以选择方案4的设计方法。它软硬件结合，使用的几种元器件都是常用的元器件，成本较低，电路设计简单，容易实现，得到的信号频率的稳定性和准确性能得到保证[3～4]。

2 信号发生器功能设计

当单片机上电后，液晶屏上默认显示波形为方波，频率默认为10Hz.当按下波形切换按键时，进行波形的切换。按下设置频率步进值按键时，液晶屏上显示当前频率。按下对频率、步进值进行加或减的按键时，执行对应的功能。实现的大致功能如下：

1)可实现四种波形的产生：正弦波、方波、三角波和锯齿波；

2)四种波形的频率在10～100Hz内可调；

3)频率的步进值可以改变；

4)有四个指示灯分别指示发出的是哪种波形，方便明了；

5)LCD1602液晶显示波形种类和频率值。

表1 信号发生器方案分析

3 信号发生器组成模块

在设计中采用STC89C52单片机，使用软件编程的方法实现波形信号的输出。由以下几部分组成(如图1所示)：键盘输入、LCD显示、单片机、数模转换、运算放大与输出[5～6]。

图1 信号发生器原理框图

4 硬件原理框图

采用STC89C52单片机芯片设计信号发生器的中心处理器件，通过C语言编程实现各种波形的产生，最后通过数/模转换和运算放大电路将波形输出到示波器，结构简单，思路清晰[7，8]。根据设计要求，将要实现的功能分为不同的模块，各个模块间相互协调，实现最终的功能。整体电路的原理框图如图2所示。

图2 电路的原理框图

5 软件设计分析

采用STC89C52单片机实现硬件核心，通过Keil uVision5编程的方法实现软件的核心功能。通过编程实现四种波形的切换、频率的改变以及设置频率步进值的大小。通过Proteus软件仿真以及Keil联机调试后，就可以通过编程器将程序下载到STC89C52的芯片中，这样就可以完成围绕该芯片的所有控制[9～10]。

软件系统的总设计思路：初始化时输出的波形为正弦波，在LCD1602上显示波形的种类和初始频率。最后通过按键来实现波形改变以及频率的设置。设计的思路如图3所示。

图3 软件设计思路图

通过Proteus仿真软件以及Keil的联机调试可以看到初步结果，在示波器上观察。

6 硬件电路仿真分析

正弦波仿真结果如图4所示：

图4 仿真图与PCB电路设计

7 硬件电路测试

按照设计原理图焊接好电路后，下载程序到单片机中，进行测试。示波器的作用就是用来测试设计的信号发生器输出的波形是否正常。图5就是示波器检测结果。

图5 信号发生器实物测试

8 结果分析

硬件电路测试完成后，对数据进行整理，用示波器显示的频率作为真实值(A0)，信号发生器LCD1602显示的频率为测量值(A1)，对两者数据进行观察、记录、统计和分析。下面对两者显示的各个频段的数据比值(a=A1/A0)、绝对误差(ΔA=A0-A1)和相对误差(r=ΔA/A0)，数据记录如表2所示。

表2 测试结果记录表

由表2统计可得频率平均相对误差如式1：

硬件电路实现了以STC89C52单片机为核心，通过C语言编程的方法，按键输入功能，基本上实现正弦波、方波、三角波和锯齿波四种波形的产生、波形频率在10～100Hz内可调以及波形频率的步进值在0.1～10内可调的功能,误差约为1.2%左右，也可以在液晶频上显示出波形的类型和频率。该硬件电路中仍存在一些不足之处，可以在今后的工作中改进。如产生的波形信号的幅度也可以通过按键来改变；可以利用精度更高的D/A转换芯片来提高输出波形的质量。