基于单片机的多功能函数发生器设计

曹旻罡

【摘 要】本次实验选用AT89C51单片机作为实验的核心部件，发生器的电路组成以ICL8038函数信号作为发生器的波形产生频率。通过单片机的输入输出口将数字编码输入到单片机进行模型转换，再产生对应编码的数字电流，最后再实现电流到电压转换，从而获得相应电压实现运放电压放大器和滤波电路。单片机系统所产生的各种波形通过频率来进行调节，频率的范围则通过变阻器实现幅度调节。

【关键词】单片机；多功能函数；发生器

信号发生器作为自动化工业生产的重要元件，其在很多领域中均有不同的应用。函数发生器元件由一些基本元件共同组成，如，运放IC、晶体管等元件构成。当然，伴随着电信技术信息化和智能化发展，基于单片机的多功能函数发生器的使用将更加普及，且多功能函数发生器比传统的信号发生器的优势更加明显[1]。多功能函数发生器的输出信号频率更高、波形更加稳定，且对于波形的幅度可以根据实际情况作出修改，使得其能够满足其他不同领域的需求。

1 理论支撑

1.1 硬件设计原理

通过编写程序AT89C51单片机可以发出多种波形，单片机的I/O产生的波形以数字编码形式呈现，然后通过LED屏连接AT89C51单片机端输出。AT89C51单片机的连接方式不一样，可以分为单机缓冲器型、两级缓冲型以及两个缓冲器直通型。程序编写的时候，通过控制单片机的模拟波形实现数字编码，将在ICL8038单片机内部实现编码，将数字编码转化为不同大小的电流。单片机中产生的电流必须经过电流电压转换，通过放大器实现一级运放转换，但是由于电压的幅度较小，且各种内部干扰的存在，致使单片机产生的波形经过放大和滤波两个操作才能够产生比较完整的波形。函数发生器进行波形的种类和频率进行控制的时候，设置了相应的按键，进而对单片机输出编码进行控制。单片机的波形和频率进行调试的时候，需改变波形的幅度大小，还应采用变阻器进行波形调节[2]。

1.2 滤波实现电路原理

电路放大和滤波部分设计都是设计一个特定的电阻值，采用固定电阻可以节约电路板空间，电路板的尺寸可以适当缩小。但是放大电路和滤波系统在调试的时候比较困难，波形的放大和滤波效果难以控制。电路放大和滤波均采用滑动的变阻器，滑动的变阻器对电路板的电流控制具有一定的局限性，但是由于电阻可变系统在进行调试的时候显得更加方便。可以通过改变电阻使得波形放大和滤波效果达到最佳的状态。

2 多功能函数发生器系统设计

2.1 模块组成

2.1.1 发生器模块

ICL8038函數的信号发生器可以发出高精度的正弦波、矩形波、锯齿波以及方波等不同的波形。发生器还可发出不同的频率来改变外部电阻器和电容来实现快速调整。ICL8038芯片由触发器、比较器、缓冲器、正弦波等组件组成，共同对波形的幅度和频率进行控制[3]。

2.1.2 电源供电模块

电源供电模块可以说是整个系统可以正常运行的基本保障，也是系统完成运行任务的基本前提。单片机长期以来都面临着功耗大、抗干扰能力弱以及程序跑飞严重等问题。为了避免这些问题就必须从电源下手，保证系统可以正常稳定的运行，因此在单片机多功能发生器电源供应上必须保障系统用电。

2.2 主程序流程

主程序流程如图1所示，程序开始运行之后，首先初始化，信号频率进行值判断，若判断通过在，则显示器中显示出常规设置内容。若整个信号频率无法得到判断或者判断未通过，则程序会自动返回。中断程序实现之后，确定波形和线路接入是否符合，需要对信号频率进行匹配，否则将重新判断或者进行返回操作。

2.3 硬件设计

2.3.1 主控电路设计

AT89C51单片机内部设置包含了T1和T0，二者均可以实现16位可编程，主要通过计数器和定时器来完成两种操作和四种工作模式来完成运行。主控电路在波形发生器用作计时，可以对输出波形的每个采样点延迟时间实现准确计算。T0和T1中均采用16位计数器，只要允许计数开始，则最高可以溢出CPU中断请求[4]。

2.3.2 数与模的电路转换

若要获得固定的波形，必须对把单片机的产生的信号进行转换，形成模拟信号。DAC0832数模转换器则可以满足这一要求，它由八位输入储存器、八位DAC储存器、八位的D/A转换器等组成。该数模转换器通过分辨率的增减，实现对模式电力波形输出，并实现了可连续调动。若DAC0832数模转换器的单片机选择地址为7FFFH，P0端口发送的数据为00H，U10V作为当时输出电压，若P0口将数据发送至0FFH，U1的输出电压值为-5V。此时，电压为0时，U1作为输出电压，其可以得到U1/R1+U2/R2+U3/R3=0。则输出的电压为-5V。可以得出函数发生器的产生波形输出电压的范围在-5V～+5V之间，由此可得P0时，发送的数据为80H，输出电压为0V。

2.3.3 按键接口电路

键盘接口电路原理图是保障整个系统电路运行的基础，也是键盘控制系统运行的关键点。P0端口以AT89C51单片机作为核心，通过键盘扫描查看各个端口的单片机的连接状况，若按键一旦按下则根据电路设计做出反应。S0属于方形输出波、S1为正弦波、S2为三角波、S3为锯齿波、S4为数字信号频率为10HZ的波形、S5为100赫兹的频率信号、S6为临界500赫兹信号以及S7为1000赫兹频率信号。从键盘接口不同，各个开关闭合之后将会产生不同的波形，因此这样设计可以根据具体的需求获得相应的波形。

2.3.4 时钟电路设计

时钟电路作为获取系统时间的重要元件，其组成主要由石英晶体、微调电容等组成。两个电容元件为时钟电路提供了振荡频率、稳定效应和容量选择，一般选择30pf12MHZ作为石英晶体的振荡器频率。由于频率大、锯齿波、三角波、正弦波等产生的时候会有所延迟，一般的额外指令时间、延迟时间以便于获取更大的频率波形。

2.3.5 电路显示

电路显示是通过LED屏幕向工作人员展示电路连接情况，显示电路可以让工作人员更加了解波形产生情况，以便于系统在合理情况下对波形频率进行显示。LED数码管显示器利用了共阳极连接，主要从主机端口实现低电平输出，对应的LED等所需要显示的数据和选型均应该根据实际情况作出最佳选择。

3 结束语

单片机在机械自动化和智能化应用中相当广泛，本文通过对单片机的多功能函数发生器设计进行相关的研究。从基本的理论展开讨论，然后同硬件设计、电路设计提出了一些具体的办法，为打造多功能函数发生器提供重要参考。随着单片机技术日益成熟，其在很多行业领域中应用相当广泛，未来开展发生器相关设计研究将成为单片机研究核心。

【参考文献】

[1]程建辉，陈波，蒋树刚.基于ICL8038芯片的单片机可控的函数信号发生器的设计[J].科学大众（科学教育），2012，（03）：180.

[2]史蕊，刘威鹏.基于AD9834的多功能函数信号发生器的设计[J].电脑知识与技术，2013，（33）：7606-7608.

[3]樊鹏，徐顺.基于单片机的多功能信号发生器的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2013，（15）：192.

[4]黄立新.基于单片机控制的数字函数信号发生器的设计与实现[J].科学技术与工程，2009，（12）：3278-3282+3287.

[责任编辑：张涛]endprint