摘 要

信号发生器作为一种信号源，在电子领域是必不可少的测量工具。功能主要是产生各种测试信号，给被测电路提供所需要的信号，以满足测量或者各种实际需求。在科研实验和教学等方面应用十分广泛。

目前我国在信号发生器方面取得了很多成果，但总的来说，还没有形成一个真正的产业，与国外同类产品仍然存在较大的的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。

本系统是基于单片机的数字合成信号发生器，具有输出正弦波、方波、三角波、锯齿波，幅值频率可调的功能，并且可以进行波形识别和频率测量。整体包括数模转换电路(DAC0832和ADC0808)，运放电路，按键和液晶显示屏模块等。通过键盘控制四种波形的产生，改变频率和幅值，并在液晶屏上显示对应信息，实现功能丰富、方便快捷的特点。

关键词：单片机；信号发生器；波形识别；频率测量

Abstract

As a signal source, signal generator is an indispensable measurement tool in the field of electronics. The function is mainly generating various test signals to provide the required signals to the circuit under test to meet the measurement or various practical needs. It is widely used in scientific research experiments and teaching.

At present, China has made many achievements in signal generators. However, in general, it has not yet formed a real industry. There is still a big gap with similar foreign products. Therefore, it is urgent to step up the development of such products.

The system is a digital composite signal generator based on single-chip microcomputer, which has the functions of outputting sine wave, square wave, triangle wave, sawtooth wave, adjustable amplitude and frequency, and can perform waveform recognition and frequency measurement. The whole includes digital-to-analog conversion circuits (DAC0832 and ADC0808), op amp circuits, buttons and LCD modules. Control the generation of four waveforms through the keyboard, change the frequency and amplitude, and display the corresponding information on the LCD screen to achieve the purpose of human-computer interaction.

Key Words：Single chip microcomputer；Signal generator；Waveform recognition；Frequency measurement

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 论文结构和内容 2

第2章 硬件电路设计 3

2.1 仿真调试技术 3

2.2 系统方案和框图 3

2.2.1 总体方案 3

2.2.2 工作原理 3

2.3 信号发生电路 5

2.3.1 单片机最小系统 5

2.3.2 D/A转换原理及其参数指标 7

2.3.3 DAC0832芯片介绍 7

2.3.4 数模转换模块 9

2.3.5 显示模块 10

2.4 波形检测和频率测量 10

2.4.1 方波转换模块 10

2.4.2 A/D转换原理及参数指标 11

2.4.3 ADC0808芯片介绍 11

2.4.4 模数转换模块 12

2.4.5 显示模块 14

2.4.6 LED报警模块 15

第3章 软件 16

3.1 中断 16

3.2 Keil介绍 17

3.3 信号发生电路 17

3.3.1 设计思想 17

3.3.2 流程图 18

3.3.3 参数计算 18

3.4 波形检测和频率测量 21

3.4.1 设计思想 21

3.4.2 流程图 22

3.4.3 参数计算 22

第4章 设计仿真 25

4.1 信号发生器仿真结果 25

4.2 波形检测和频率测量仿真结果 28

第5章 实物制作 30

5.1 信号发生电路 30

5.2 波形识别、频率测量电路 31

第6章 结论 33

6.1 收获与成长 33

6.2 不足与展望 33

参考文献 34

致 谢 35

附录A 原理图 36

附录B 代码 37

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

当今社会随着科技进步，信息技术发展如日中天，为人们的工作和生活带来了非常多的便利。作为信息技术的一方面，单片机技术在生活中的应用也逐渐从萌芽到繁盛。不论是在家里的彩电冰箱，还是在科研教育的授课实验，单片机构成的仪器随处可见，这也正说明了单片机技术的广泛应用。

而另一方面，信号发生器在通信系统的科研实验应用十分广泛。信号发生器不仅可以为科研实验调试时，产生并提供多种不同的波形，还可以调节频率、相位、幅值，使其更符合使用者所需要的信号，是一种非常实用而且便利的仪器。传统的信号发生器，比如使用NE555振荡电路，只由硬件电路连接而成，而不用靠单片机或者其他数字化的元件^[[1]]。但是产生的这种波形不稳定、难以控制，且电路复杂。到了当今数字化时代，那些由模拟电路组成的信号发生器逐渐消失，数字电路则扮演着越来越重要的角色。

在这个背景下，利用单片机做一个信号发生器，并且给它加上丰富多样的功能，比如可调节输出波形幅度、波形类型，同时在信号发生器的基础上加上频率测量、显示所测波形类型、自动检测显示波形、输入波形超限报警等功能，会给科研实验带来很多便利。

1.2 研究现状

信号发生器的几个发展阶段：

1.最初是用硬件电路实现：可以输出连续的模拟信号，但是输出的波形频率难以控制，稳定性低，抗干扰能力差，电路结构复杂。

2.之后，信息技术方面出现了很多新型信号发生器，这方面的技术也得到了进步和优化。电子技术发展迅猛的同时，带来了另一些好处，信号发生器的主要性能指标也得到大幅提高，同时也具有了功能丰富等新特点。

3.第三阶段的计算机技术和信息电子技术相互借鉴和融合，因此现代电子技术不仅有了自己的特点，同时也吸取了计算机方面的优点，成为发展非常快的一项技术。同时也出现了如16位单片机、DSP等高速处理器，他们最突出的优点是速度很快、集成度高，片上资源高，可靠性好。同时智能控制算法也大放异彩，所以现代电子技术也采用了这种算法，使信号产生和变换的精度得到大幅上升。

4.到了当代，人工智能作为非常先进而且热门的技术，开始向各个领域移植应用，测控技术就是其中一方面，可以看到，智能仪器仪表技术亦发展迅猛。与传统的信号发生器相比来说，最新的信号发生器可以通过键盘模块控制，同时由液晶屏LCD显示，所以具有信息量更大、对话能力增强的进步。当代信号发生器采用了DDS技术，可以产生多种函数的波形，在输出能力方面进步了很多。在另一方面，智能函数信号发生器也可以自检和自校，这是它的一个非常强大的功能。它可以及时准确感知仪器故障发生的部位和特征，因此方便了维修，也大大提高了输出的可靠性。

1.3 论文结构和内容

本文整体上从硬件电路设计和软件代码设计两个大角度解释了设计过程，同时对实现不同功能的不同模块进行分别介绍。设计过程结束后也给出了在Proteus上的仿真结果，以及实物测试的结果。具体内容如下：

1.第一章绪论主要说明了数字合成信号发生器的研究背景、研究意义和研究现状

2.第二章介绍了仿真软件，说明了系统方案，以及整体工作原理。

3.第三章介绍了编译代码软件，说明了设计思想，计算了两部分代码的参数设定。

4.第四章主要用图片展示了仿真结果。

5.第五章展示了实物焊接后调试的结果。

6.第六章对本次设计做了总结，有哪些收获、哪些不足之处。

7.最后是参考文献、附录、致谢部分。

第2章 硬件电路设计

2.1 仿真调试技术

目前仿真调试软件有很多，此次毕业设计用到了Proteus。因此介绍一下Proteus的使用方法。

Proteus能完美实现功能并且完成包括但不限于软件设计、硬件设计、仿真和纠错、绘制电路板产品，属于英国Labcenter Electronics公司。它可以把设计和工作效率提高很多倍，大幅缩短产品开发时长。Proteus可以作为计算机上的虚拟软件，实现实物硬件电路的功能，并且可以在电脑上模拟各种情况下的电路状态，给实验带来非常大的便利。因此只要有一台计算机，并且可以熟练运用Proteus软件，就可以随时随地进行仿真调试。

Proteus包括ISIS和ARES两部分。

ISIS可以用于一个电路从设计原理图到仿真调试的所有过程，可以直观方便地实现对教研实验等方面的仿真，并且产生相应的结果，从而观察方案设计是否可行。另一个部分ARES可以用于印制电路板的设计，通过设计输出相应的光绘文件，为科研教育、商业项目等提供了极大的便利。^[2,3]

2.2 系统方案和框图

2.2.1 总体方案

本次设计在最初拟定的几个方案中经过比较，最终采用的方案是：

使用两个单片机，一个单片机通过D/A转换实现波形发生的功能，另一个单片机通过A/D转换实现波形识别和频率测量的功能。其中单片机芯片采用AT89C52，D/A转换芯片DAC0832，A/D转换芯片ADC0809，显示屏用LCD1602和LCD12864.整体设计框图如图2.1所示。

2.2.2 工作原理

系统整体包含两个部分：

第一部分是信号发生电路，主要包括数模转换模块(包含两个DAC0832)，显示模块和独立按键模块。第一个DAC0832输出幅值，接到第二个DAC0832的基准电压端，第二个DAC0832输出对应四种波形类型，同时在LCD1602上显示此时波形的类型、频率和幅值，这几种变化都是通过按键控制的。

第二部分是波形识别和频率测量电路，主要包括模数转换模块(ADC0809)，显示模块和其他外围电路。首先先将信号转换成方波，计算特定时间内下降沿次数来测频率。然后通过对原信号的A/D转换模块把数据经过单片机传到LCD12864，通过判断LCD12864进行波形识别。整体原理图如图2.2和图2.3所示。

图2.1 系统整体框图

图2.2 信号发生电路总体原理图

图2.3 波形识别和频率测量电路总体原理图

2.3 信号发生电路

2.3.1 单片机最小系统

单片机在可以正常工作的条件下，所需要的最少的模块组成单片机最小系统。最少要有晶振电路、复位电路和一个单片机芯片。因此只包含这三个模块电路的系统就称之为单片机最小系统，如图2.4所示。

图2.4 单片机最小系统

复位电路：当系统一接通电源，RST引脚出现高电平，并且，RC的取值可以决定高电平持续的时间。一般51单片机复位需要RST引脚持续高电平两个机器周期以上，所以，可靠的复位首先取决于RC的合适取值。一般情况下，推荐C 取10u，R取8.2K。不过也可以取其他的值，但是最终的原则就是可以在RST脚上产生不少于2个机器周期的高电平。

晶振电路： 单片机工作需要时钟脉冲，可以外部提供，也可以用下面内部方法提供。晶振与单片机的XTAL₀、XTAL₁两端相连接构成振荡电路，为CPU工作提供一个时钟脉冲。会产生不希望存在的谐波，虽然对电路没什么太大的影响，但是会因此而降低时钟振荡频率的稳定性。出于提高稳定性的目的，ATMEL公司建议在这两个引脚出街上两个10pf到50pf的电容来稳定电路。这个整体是单片机能处理指令必不可少的一个电路。晶振一般取值为11.0592MHz或者12MHz，前者可以准确得到便于串口通信波特率，后者可以准确产生1us，方便定时/计数器的赋值。^[4]

单片机芯片：一个51单片机芯片一般有40个引脚，32个I/O口(4个8位数据输入/输出口P0到P4)，包括有2个外部中断口，2个16位定时/计数器，2个串口，5个中断源等。一般在软件上编好程序后烧写进单片机芯片，接入电源工作后可以实现相应功能。

在这里进行一下单片机的资源分配。具体如下。

第一个单片机：

1．P0口连接LCD1602的D0到D7，写入命令或者数据。

2．P1口连接第一个进行幅值控制的DAC0832的D0-D7。

3．P2口连接第二个进行波形类型控制的DAC0832的D0-D7。

4．P3.0-P3.3连接四个按键，P3.0是波形控制，P3.1是频率/幅值调节切换，P3.2是增加键，P3.3是减小键。

5．P3.4连接LCD1602的RS端，P3.5连接LCD1602的RW端，P3.6连接LCD1602的E端，三个控制端。

6．由于单片机的I/O使用完毕，因此DAC0832的CS端和WR端直接接地，表明工作于单缓冲方式。

第二个单片机如下：

1．P0口连接ADC0808的8位数字输出量。

2．P1口连接lcd12864的DB0-DB7。写入命令或者数据。

3．P2.0-P2.4分别连接LCD12864的E,RW,R,CS1,CS2五个个控制端。

4．P2.5-P2.7分别连接ADC0808的EOC,OE,START三个控制端。

5．P3.4接入转换成方波后的信号。用于计算频率。

6．P3.7连接LED灯，用于超限报警提醒。

2.3.2 D/A转换原理及其参数指标

1．D/A转换器的基本原理：

从数字量转换到模拟量，需要把每一位数字量的每一位数字乘上相应的权重，累加起来即可得到相对应的模拟量，这就是数模转换最基本的思路。下图就是D/A转换器的转换示意框图。

2．D/A转换器的主要参数指标

①分辨率②转换误差③建立时间④温度系数等。

2.3.3 DAC0832芯片介绍

数模转换模块的核心元件是DAC0832。引脚图如图2.5所示。

图2.5 DAC0832管脚图

DAC0832作为数模转换芯片，它的使用是非常普遍的。其工作电压为一般不大于15V，不小于5V。基准电压可以改变，但是范围是-10V~ 10V。与微处理器完全兼容。D/A转换器由8位输入锁存器，8位DAC寄存器，8位D/A转换电路以及转换控制电路构成。

管脚功能介绍：

DI0~DI7：8位数字量输入端。

ILE：高电平有效，允许数据锁存。

CS：片选信号，低电平有效。

WR1：输入寄存器的写选通输入线。

XFER：低电平时，允许数据传送。

WR2：DAC寄存器的写选通信号。

Iout1：转换结束后输出的电流。

Iout2：转换结束后输出的电流。其值和Iout1相加固定不变。

Rfb：反馈电阻。

Vcc：电源输入线 ( 5v~ 15v)。

Vref：基准电压输入线 (-10v~ 10v)。

AGND：模拟信号参考地。

DGND：数字信号参考地。

工作方式介绍：

DAC0832有三种不同的工作方式：一是直通方式、二是单缓冲方式、三是双缓冲方式，

单缓冲方式： 在这种方式下，一般DAC寄存器处于直通状态。可以把、端接数字地，或者将两个寄存器的控制信号短接，使它们同时选通。这种方式可以使数字量输入时就立即进行转换。与双缓冲方式相比，这种方式少一次写操作。

输入寄存器的控制信号与DAC寄存器的控制信号并接，输入信号在控制信号作用下，直接通过DAC寄存器并启动转换。也可以加一个电位器用于调整输入的I/V转换系数。

双缓冲方式：这种方式相比单缓冲方式，单片机需要分别控制这两个寄存器，相当于多执行一条写操作：先把8位数字量写入输入寄存器，在写入DAC寄存器，最后开始启动转换。

在双缓冲方式，数据接收、启动转换可以异步进行，在转换的同时接受下一个8位数字量，因而提高了整个转换过程的转换速率。双缓冲工作方式适用于多个输出端需要同时进行数模转换的情况。

直通方式：在这种方式下，、、引脚都需要接地，ILE接高电平，整个芯片就会处于直通状态。在这个状态下，有8位数字量输入时，就会立即进行D/A转换。但是这种方式会造成DAC0832不能直接和单片机的数据总线连接的情况，所以基本不会使用这种方法。

2.3.4 数模转换模块

电路中包含了两个DAC0832，他们的控制端、、都并接在一起，说明他们都工作于单缓冲方式。U1是幅值控制，数据来自P1口，U2是波形控制，数据来自P2口。工作原理是：单片机通过P1口把存储在ROM中的固定电压采样值输出到U1中，U1输出模拟电流，经过一个集成运算放大器之后输出模拟电压。而集成运算放大器的输出器连接到U2的基准电压Vref端，即上一级输出的模拟电压值作为U2所输出波形的基准电压，以此来控制输出波形的幅值。同时单片机通过P2口，把存储在ROM中的四种模拟波形采样值（每个波形有256个采样点）输出到U2中，U2输出模拟电流，经过第一级运算放大器后为单极性输出，输出范围是-5V到0V。此时Vout=-Vref*d/256，d为单片机P2口输出的数字量。由电路图可以看到之后又接了一级集成运放放大器，此时输出为双极性输出，输出范围为-5V到5V，Vout=Vref*d/128-Vref。如图2.6所示。

图2.6 数模转换模块

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