浅析波形发生器设计方案比较

王凯

摘要：本文所设计的系统设计简单、性能优良、性价比高，可用于多种需要低频信号源的场所，具有一定的实用性。

关键词：单片机;信号发生器;方案选择

一、波形发生器发展现状

波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换和频率稳定性高等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。

当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的进步，给人们带来了根本性的转变，在现代电子领域中，单片机的应用正在不断的走向深入，这必将带来一场仪器设备高度智能化的全面革命。

随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器，而用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高，特别是单片机应用技术的不断成熟，导致传统控制与检测技术的快速革新。单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格比，在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域中得以极为广泛的应用，特别是在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域处处可以看见它的应用。

一块单片机芯片就是一台微型计算机，在某些应用领域中，它能够承担大中型计算机和通用微型计算机无法完成的一些工作。单片机之所以能够在各个领域中都得到如此迅猛的发展，主要是因为它具有很多显著的優点和特点，归纳起来有以下几方面：

1. 具有优异的性能价格比：单片机尽可能地把应用所需的存储器，各种功能的I/O 接口集成在一块芯片内，因而其性能很高，而价格却相对较低廉，即性能价格比很高。

2. 集成度高、体积小、可靠性高：单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因而集成度高，均为大规模或超大规模集成电路。又内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，这大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。同时，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。

3. 控制功能强：单片机体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作指令以及位操作指令。其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

4. 低电压、低功耗：单片机大量用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗尤为重要。目前，许多单片机已可在2.2V电压下运行，有的已能在1.2V或0.9V下工作，功耗降至μA级，一粒钮扣电池就可长期使用。

二、设计思路

利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其下限频率很低。具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。

三、总体方案设计

1、设计的目的

通过综合设计，让学生熟悉单片机以及微机应用系统开发、研制的过程，软硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤。对学生进行基本技能训练，例如：组成系统、编程、调试、查阅资料、焊接电路板等。使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。

2、方案论述

2.1系统方案的选择

方案一：

采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，然后根据需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。

方案二：

采用DDS即直接数字频率合成技术设计信号发生器是一种要运用数字技术来实现产生信号的方法。由于运用了全数字大规模集成技术，具有体积小、频率分辨率高、信号纯度高等特点，但是DDS芯片价格较为昂贵，且设计较为复杂。

方案三：

采用单片机和DAC0832数模转换器生成波形，由于是软件滤波，所以不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较纯净。它的特点是价格低、性能比高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。

方案选择：

方案三较方案一而言，具有频率高，工作稳定，容易调试等特性;较方案二而言，具有结构简单，成本低等特性。因此方案三既可满足毕业设计的基本要求，又能充分发挥其电路简单、易控制、性价比较高的优势，经比较采用方案三。

2.2 控制芯片的选择

方案一：

STC89C51单片机是一种高性能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微型计算机。

方案二：

C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与AT80S52兼容的微控制器的内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准AT80S52的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。

方案选择：

方案二中C8051F005芯片系统内部结构复杂，不易控制，芯片成本高，对于本系统利用率低，STC89C51芯片比较常用，简单易控制，成本低，性能稳定，故采用方案一。

2.3总体方案选择

经过系统方案和控制芯片的选择以及结合所学的知识，笔者最终选择了以At89c51单片机为核心部件通过DAC0832数模转换器生成波形，通过按键控制波形切换，最后用LCD1602液晶显示器显示输出波形。此种方法从可行度和经济层面上较为理想，并且能实现预期要求。4E9C2EE4-BAA7-41B0-B7BA-5D8904D03D60