基于单片机的波形信号发生器设计与仿真

陈林林，孙 群，高雅楠

（聊城大学机械与汽车工程学院，山东 聊城 252059）

0 引 言

波形信号发生器是一种数据信号发生器，广泛应用于通信、测控、导航、雷达、医疗等领域，在高校实验室中应用也十分普遍。基于单片机的简易波形信号发生器是一种常用的信号源，它广泛用在电子技术实验、自动控制系统和其他科研领域。目前，简易波形发生器的构成方法有很多，例如采用DDS型的任意波发生器[1-4]、采用专用的信号发生芯片MAX038以及传统的AWG[5-7]。

本文在分析现有信号发生器工作原理的基础上，通过分析比较后，基于单片机AT89C52和DAC0832设计了一种信号发生器，应用于高校实验室学生实验，具有硬件简单，价格低廉容易对频率和幅值进行控制等优点。

1 测控需求分析

设计的波形发生器的测控需求如下：

1）利用单片机程序，产生数字式的正弦波、三角波、方波频率可调的信号。

波形要求：

正弦波：输出电压值为-5V～5V，初始频率为10Hz，频率最大值为1 000 Hz，频率调节步进值为10Hz。

三角波：输出电压为-5V～5V，初始频率为50Hz，频率最大值为500Hz，频率调节步进值为50Hz。

方波：输出电压为-5V～5V，初始频率为200Hz，频率最大值为2kHz，频率调节步进值为200Hz。

2）可通过键盘进行波形和频率的切换。

3）通过LCD显示波形类型及频率大小。

4）设计硬件电路，选择合适的器件，调节好器件的工作状态，保证能输出明显的波形信号，且不失真。

2 系统总体设计

2.1 系统总体设计方案

在系统总体设计时分块完成，按照波形设定、D/A转换、51单片机连接、键盘控制和显示5个模块来设计。最后通过联调仿真，得出仿真结果。总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2.2 系统模块设计

2.2.1 控制模块

用单片AT89C52作为系统的主控核心。具有体积小，使用灵活，易于人机对话，数据处理良好，单指令周期和35M高速运算等优点，且单片机功耗低，价格低廉。

在此系统中，采用单片机作为控制比采用FPGA实现更简便。基于综合性价比，确定选择此方案。

2.2.2 按键及其显示模块

为了提高单片机的资源利用率和运行效率，按键显示部分直接使用zlg7289扩展键盘，键盘与单片机连接。zlg7289芯片与单片机之间通信方便，而且由zlg7289对键盘进行自动扫描，可以去抖动，充分地提高了单片机的工作效率。

2.2.3 波形产生模块

使用单片机的定时器设置定时时间，每半个周期对I/O口取反一次，从而实现频率输出。这种方案虽然在高频频段误差比较大，但是编程简单易控制，因此，确定选择此方案。

2.2.4 D/A转换

单片输出的是数字信号，必须通过D/A转换后才能模拟信号，采用DAC0832，这是8位的并行D/A转换器，转换速度快。

3 系统硬件设计

3.1 单片机控制DAC0832电路

AT89C52单片机的内部结构与MCS-51系列单片机的构成基本相同。正常情况下DAC0832与单片机的接口应为4条数据线。当DAC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。

3.2 按键电路

按键原理图如2所示，对于中断方式对波形的切换，因为INT0优先于INT1，当按键按下时，首先判断是否有幅值输出然后判断出现相应波形，当无中断0时，即默认第二个DA转换器的参考电压为5V，在执行中断1判断出相应的波形。第1个按键进行波形选择，选择各波形的初始频率；第2个按键对频率进行升高；第3个按键对频率进行降低；第4个按键输出波形。

图2 按键电路图

3.3 数、模转换及放大电路

由于单片机输出的是数字信号，要得到模拟信号的波形就必须对其进行数模转换，采用DAC0832数模转换器。由于其输出为电流输出，因为外加运算放大器使之装换为电压输出。通过DI7～DI0与单片机P0端口相连接；CS与单片机P2.0端口相连接；WR2与单片机P2.1端口相连接。

3.4 显示电路

图3 D/A转换电路

图4 显示电路

通过液晶1602显示输出的波形、频率，其电路图如图3～图6所示。其中D0～D7与单片机P1端口相连接；RS与单片机P2.2端口相连接；RW与单片机P2.3端口相连接；E与单片机P2.4端口相连接。

4 系统软件设计

4.1 波形程序设计

4.1.1 正弦波设计

假设 Y=128SIN（360X/255/360×2×3.14）+128 的正弦波，DAC0832数据端口给的数据的范围是0～255一共256个。前0～127表示X轴上方的电压值，那么128～255是X轴下方的电压值。那么可以得到value=128×SIN（360X/255/360×2×3.14）+128；抽样256 个点，则 value=128SIN（360X/255/360×2×3.14）+128，X为0～255。本文采用查表的方法，把一个周期的圆分成 255份，求出每一份的正弦值 i，然后把所求得的正弦值 i×128+128，最后换算成16进制数。

4.1.2 三角波程序设计

当电压随时间线性增加，到一定时间又线性降低时，就形成了三角波。单片机可以输出的数最小为0，最大为255。当输出的值从00000000B线性增加到11111111B，然后从11111111B减小到00000000B时，就可以产生三角波。本文共采集了65个三角波坐标。

4.1.3 方波程序设计

当单片机输出从00000000B直接增加到11111111B时，输出的电压就从低电平变到高电平了，用延时程序是高低电平保持一段时间在切换。由此，产生方波只需要取2个值，0x00和0XFF。

4.2 频率改变与波形输出程序

频率改变与波形输出程序框图如图5和图6所示。

图5 频率改变程序流程图

图6 波形输出程序流程图

4.3 频率程序设计

采用定时器来控制波形频率，通过输出的两点间的延时来实现调频功能。当晶振频率为24M时，单片机的机器周期为0.5μs。假设需要10Hz的正弦波，由于正弦波的取点个数为256个，所以每个点所要的时间为1/10/256s，选用定时/计数器T0的方式1实现，设计数器初值为X：

表1 正弦波频率初值

表2 三角波频率初值

表3 方波频率初值

图7 三角波仿真实验图

表1为正弦波频率初值，表2为三角波频率初值，表3为方波频率初值。

4.4 键盘程序设计

本文键盘部分由4个键组成，分别控制波形的选择、频率的升、降以及波形输出。P3.2为中断入口地址，当P3.2=0时，说明有键按下。取P3口的值和0Xf0相遇，取出P3口的高4位，最后使用swatch（），当P3&0xf0=0xe0时，波形选择键按下；当P3&0xf0=0xd0时，频率升键按下；当P3&0xf0=0xb0时，频率衰减键按下。

4.5 键盘程序设计

1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线，LCD显示流程为初始化LCD，设置显示位置，最后显示字符。

图8 方波仿真实验图

5 仿真实验

将各部分的程序及各子程序编好，使用Keil进行编译，加载到Proteus软件电路中进行仿真[8]。

5.1 三角波仿真对比图

图7为频率在50，200，400Hz条件下的三角波仿真图。

5.2 方波仿真对比图

图8为频率在200，600，1 200 Hz条件下的方波仿真图。

5.3 正弦波仿真对比图

图9为频率在10，40，80Hz条件下的正弦波波仿真图。

图9 正弦波仿真实验图

表4 测量实验结果

图10 示波器测量的波形图

6 波形实验

调试好软硬件后，利用北京普源精工生产的DS1102示波器测量波形质量，方波、三角波和正弦波波形如图10所示。

在周期T-8T下对频率的测试结果如表4所示。

误差指标选用最小均方差（mean squared error，MSE），定义如下：

式中：（i）——理论值；

x（i）——实测值，n=8。

计算得到波形频率测量误差的MSE为0.04Hz，符合一般测量的精度要求。

7 结束语

1）针对测控需求，确定了函数发生器的硬件和软件设计方案。

2）采用单片机作为控制器，直接由软件产生波形信号的输出，可通过修改软件，还可以输出其他任意波形。

3）基于Proteus实现了波形发生器的仿真测试，并做了典型波形测量实验，波形频率测量精度MSE为0.04Hz。

后续工作中，拟采用集成可编程DDS器件实现直接频率合成，在单片机的控制与协调下输出频率和相位可调的信号波形，提高频率范围。

[1] Tierney J.A digital frequency synthesizer[J].IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics，1971（19）：48-57.

[2] 王丹，李平，文玉梅，等.采用DDS频率合成的虚拟信号发生器研究[J].传感技术学报，2007，20（3）：586-591.

[3] Marcello S， Arianna M， Stefano B， et al.High spectral purity digital direct synthesizer implementation by means of a fuzzy approximator[J].Applied Soft Computing，2004（4）：241-257.

[4] 孙群，宋卿.基于DSS技术的波形发生器设计[J].仪表技术与传感器，2009，45（4）：67-70.

[5] 董亚男，马俊，周泉，等.基于单片机的智能信号发生器设计与仿真[J].电子测量技术，2014，37（1）：62-65.

[6] 孙勤江，沈彬.基于单片机的信号发生器设计[J].石油和化工设备，2014，17（1）：19-22.

[7] 周登荣，周玉荣.一种任意波形信号发生器的实现方法[J].重庆师范大学学报：自然科学版，2014，31（1）：84-88.

[8] 范海绍.零起点学Proteus单片机仿真技术[M].北京：机械工业出版社，2012：51-54.