摘 要

信号发生器作为常用的信号源，广泛地应用于自动控制系统、电子电路和教学实验等领域。而目前使用的最广泛的便是函数信号发生器，但特殊波形发生器的价格昂贵。然而本设计采用AT89C51单片机构成发生器，可产生方波、正弦波、三角波等多种特殊波形，并且波形的频率与幅值可用上位机进行控制和显示。然后在单片机的输出端口接两个DAC0832，其中一个是用来保持已调波形的原波形，另一个是通过P2口来调节波形的幅值，最后将输出波形显示在在示波器上。由于硬件电路较少、不限简洁，所以本设计既有功能齐全的特点，成本也相对较低。

关键词：上位机；单片机；串口控制；频率控制；幅值控制；D/A转换

Abstract

The signal generator used as a signal source is widely used in the field of automatic control system, electronic circuit and experimental teaching. At present, the most widely used is the function signal generator, but the price of special waveform generator is very expensive. However this design using AT89C51 micro-controller generator,can generate square wave, sine wave, triangle wave,which contains a variety of special waveform and arbitrary waveform, and waveform of the frequency and amplitude can be controlled and displayed by host machine with the output port of the single chip microcomputer connected two DAC0832. One of which is used to keep the original modulated wave, another one is used to adjust the amplitude of the waveform through the P2 mouth, finally output waveform is then displayed on the oscilloscope. Because the hardware circuit is less, wiring is simple, so this design has the characteristic of complete function and low cost.

Key words: host computer; single chip microcomputer; frequency control; amplitude control; D/A transform

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的来源与技术背景 1

1.2 研究信号发生器的目的及意义 1

1.3 主要研究内容 2

第2章 电路方案的确定 3

2.1 方案的提出和选择 3

2.1.1方案的提出 3

2.1.2方案的选择 3

2.2 电路框图及工作原理 4

第3章 单元电路设计 6

3.1 上位机模块 6

3.1.1 显示部分 6

3.1.2 控制模块 7

3.2 单片机模块 7

3.3 串口控制模块 9

3.3.1 VB串口控制 9

3.3.2 下位机串口控制 10

3.4 频率控制模块 11

3.4.1 单片机的定时器中断控制 11

3.4.2 CD4040计数器的控制 13

3.4.3 EPROM2764的控制 14

3.5 幅值控制模块 15

3.6 D/A转换模块 15

第四章 电路软件设计 20

4.1系统总框图 20

4.2 上位机显示和控制图 21

第五章 设计实现与总结 22

5.1 输出波形的种类与频率的测试 22

5.2 仿真结果的的分析 26

总 结 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1 课题的来源与技术背景

函数信号发生器作为现在最佳仿真的工具之一，在生产和在教学科研上有着很大的应用。随着中国综合实力的不断发展，与之相应的测试工具也迈向了新的台阶，函数信号发生器已成为不可或缺的现代测试工具，因此对函数信号发生器的开发在当今显得尤为重要。相对于现代函数信号发生器，传统的信号发生器具有成本较高、控制方法繁琐的缺点。然而本设计通过利用单片机强大的编程控制能力以及硬件搭载能力，从而实现了函数信号发生器期望波形的调节，于此同时，也可以通过上位机的控制，来实现对波形频率和幅值的调节，这使得本设计具有调节简单以及方便实用的特点。

频率的发生方法有很多，如谐振法、合成法等。所谓谐振法，就是通过产生正弦振荡，来获得期望的频率；合成法就是通过频率合成技术来获得期望的频率。谐振法一般使用于传统的频率发生器中，而合成法一般是作为系统或部分的专用设备。然而合成法具有一定的缺陷，例如没有足够的脉冲宽度以及输出电平的精确调节，再者，由于最小频率的间隔低，工作范围相对较窄，所以在现代函数信号发生器的运用中正逐步被淘汰。

1.2 研究信号发生器的目的及意义

函数信号发生器也可作为信号源使用，在被测电路中经常用作激励信号，而信号源在各实验测试处理中的应用也是尤为广泛的，所以研究信号发生器在当今显得也特别重要。然而函数信号发生器作为测量仪器，兼负着产生激励信号的作用，能为某些电路各种仿真测试提供激励信号，以此来满足实际的需求。

目前函数信号发生器的研制已逐步在进行，也取得了一定的成果。但从客观角度分析，我国现阶段函数信号发生器的制造还没有真正地展开。PC仪器的插卡、独立的台式仪器的生产现在已相对发展成熟，然而对于VXI的系统模块的开发却一直停滞不前，并且我国研制的同类产品在性能上却相对较差，种类也相对较少，所以我们必须要加紧对这类产品的研制。随着科技的发展，函数信号发生器也在飞速的发展，其特征主要表现在以下几点：

（1）信号发生器的波形输出频率随着时间的推进正逐步增大以及软件技术的提升，函数信号发生器的使用越来越变得简单易行，功能也越来越能满足实际测量的需求，而其运用范围也是越来越广泛。其原理通常是通过点、直线或者固定的函数段来采样，从而进行波形的还原，也能利用输入合成的数学方程，例如由几个比较简单的数学公式叠加，从而复合成所需要的波形。这种方法的诞生使得函数信号发生器逐渐发展为任意波形发生器，而现在信息技术的飞速发展对任意波形发生器的发展也产生了巨大的推力。而目前利用可视化编程语言的发展，任意波形发生器控制面板的编写也得以实现，这样使得波形的输入可以在计算机显示屏上来进行。

（2）如今，独立的台式仪器、PC插卡以及VXI系统模块构成了现代的波形发生器。随着VXI总线技术的发展，VXI总线的技术日益成熟。而且由于对测量仪器以及波形的复杂程度的要求逐渐提高，VXI系统的使用也日益迫切。但是总的来说，VIX的开发成本较高，开发周期也相对长很多，所以应用范围仅限于国家级层面中。对于企业和个人的应用，台式仪器相对使用起来更为方便，成本也相对更适合。

（3）随着信息技术和材料技术的蓬勃发展，新的台式仪器的性能得到了很大的提升。现在的台式仪器具有多功能特性。而且其尺寸与原来相比减小了许多，其价格与过去的产品相比，成本也降低了许多。

1.3 主要研究内容

（1）理论分析。了解并分析几种常见波形（如波形，如方波、正弦波、三角波锯齿波等）的波形相关理论，再者就是介绍函数信号发生器的主要方案及原理。

（2）硬件模块。模块的电路如下所示：上位机显示与控制电路；串口电路；单片机系统；DAC芯片和放大电路设计。

（3）软件模块。模块的电路如下所示：上位机控制与显示设计；串口程序设计；单片机程序设计；ROM存储程序设计；DAC控制程序设计。

（4）仿真调试：主要用PC机来对系统进行仿真和调试。

第2章 电路方案的确定

2.1 方案的提出和选择

2.1.1方案的提出

方案一：利用8083来产生信号脉冲，并通过分频器来控制信号波形的频率。而幅值的控制可以通过单片机和D/A来进行。通过增加上当的硬件电路，将调节的幅值信号来给单片机，经过软件的控制来给I/O口，再经过D/A转换，最后得到期望的控制波形。

方案二：通过锁相法合成所需的频率。此频率合成器共包含的几个模块有:晶体振荡器、分频器、锁相环和可编程分频器等单元电路。而其中，1/M分频器通过对晶振的2分频从而可以分别得到1KHZ、2KHZ、4KHZ的基准信号，之后通过锁相环和可编程1/N分频器对该基准信号进行N倍倍频得到输出方波信号。而幅值的控制与方案一相同，需要通过单片机的控制来完成。

方案三：采用单片机编程的方法来实现。当单片机将上位机发送的信号接收以后，单片机通过程序控制以及硬件电路控制，将对应的幅值和频率用数模转换器DAC0832进行数模转换，最后通过示波器观察，便可以得到期望的幅值和频率的波形。该方法是可以通过编程来控制信号波形的幅值和频率，因此成本可以做得很低。此外，由于软件控制法产生的是数字信号，因此信号的精度可以做得很高。

2.1.2方案的选择

对于方案一：采用8038来作为波形产生的信号源，这样可以产生从 0.001HZ~300kHz低失真的方波、正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号，其信号范围满足要求，但是8038的信号源不够稳定，且在高频时会有很大的失真。同时8038没有调幅的功能，必须增加单片机，软件进行幅值的控制。同时，其频率和幅值的控制与显示都必须用硬件搭载，虽然控制相对简单，但成本也会相应地增加。

对于方案二：方案二的电路相对来说比较复杂，其时钟产生信号是由多级二进制计数器和晶体组成，其锁相环电路包括多个相位比较器、射极跟随器以及相应的辅助硬件电路，同时也需要至少两个分频器从而才能实现频率的精准控制。然而这和方案一一样，只是对频率进行了控制，而在硬件如此复杂的情况下，还需要增加对波形幅值的控制，以及幅值和频率的显示。所以这种方案的成本过高，虽然控制的频率精度很高，但在现实运用中却并不多见，而且采用多个频率覆盖系数会有难以达标等缺点。

对于方案三：该方案以软件控制硬件为核心，以精准控制目的，从而实现了波形信号的精度和稳定性的控制。而它此设计方案所需的元器件相对较少，其以单片机的晶振作为信号源的产生，采取软件控制硬件的方式，这样使得硬件的成本相对较低。而且其频率和幅值的控制与显示均可以用上位机进行仿真与调试，而上位机的控制和显示技术现已非常成熟，各种控件使用起来非常方便，其可编程性强，而且采用高级语言编程能在很大的程度上减少编程的语句，从而能增强其程序可阅读性。同时其控制起来非常方便而且界面十分美观，在电脑等虚拟设备上也能对下位机进行仿真和调试。而本设计的下位机只采用了单片机，一个CD4010计数器，一个EPROM2764以及两个DAC0832D/A转换器，所采用的硬件是非常少的，因此成本相对以上两个方案相对较低的，而且采用单片机的额晶振作为信号发生器的时钟源既稳定，又能达到控制的精度。

2.2 电路框图及工作原理

本设计共有两大部分，一是用上位机显示各参数（包括幅值、相位和频率）以及将各参数发送给下位机;二是下位机采用51单片机接受控制信号，通过DA转换从而能实现对各种波形的调节。

函数信号发生器主要由上位机控制模块、通信模块、单片机信号产生模块、DA转换模块以及显示输出模块。其流程图如下：

本设计的串口通信协议如下：

起始位是“：”，结束位是“#”，而数据位共由6个ASSIC码组成。其中头两个ASSIC值代表的是经过计算后幅值的十六进制，后四个ASSIC码值分别代表计算后频率的十六进制。首先上位机的液晶会显示幅值和频率的控制值，其为iSevenSegmentHexadecimalX2.Value和iSevenSegmentHexadecimalX2.Value，由此可以算出下位机应控制幅值的对应输入D/A口的数值以及单片机的频率中断控制应赋予的初值，其计算公式如下：

（1）out1 = hex（(iSevenSegmentHexadecimalX1.Value / 100 1) * 128）

（2）in2 = 1000000 / iSevenSegmentHexadecimalX2.Value / 64 / 1.08507