基于單片機的多功能函數(shù)發(fā)生器設(shè)計

曹旻罡

【摘 要】本次實驗選用AT89C51單片機作為實驗的核心部件，發(fā)生器的電路組成以ICL8038函數(shù)信號作為發(fā)生器的波形產(chǎn)生頻率。通過單片機的輸入輸出口將數(shù)字編碼輸入到單片機進行模型轉(zhuǎn)換，再產(chǎn)生對應(yīng)編碼的數(shù)字電流，最后再實現(xiàn)電流到電壓轉(zhuǎn)換，從而獲得相應(yīng)電壓實現(xiàn)運放電壓放大器和濾波電路。單片機系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種波形通過頻率來進行調(diào)節(jié)，頻率的范圍則通過變阻器實現(xiàn)幅度調(diào)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】單片機；多功能函數(shù)；發(fā)生器

信號發(fā)生器作為自動化工業(yè)生產(chǎn)的重要元件，其在很多領(lǐng)域中均有不同的應(yīng)用。函數(shù)發(fā)生器元件由一些基本元件共同組成，如，運放IC、晶體管等元件構(gòu)成。當(dāng)然，伴隨著電信技術(shù)信息化和智能化發(fā)展，基于單片機的多功能函數(shù)發(fā)生器的使用將更加普及，且多功能函數(shù)發(fā)生器比傳統(tǒng)的信號發(fā)生器的優(yōu)勢更加明顯[1]。多功能函數(shù)發(fā)生器的輸出信號頻率更高、波形更加穩(wěn)定，且對于波形的幅度可以根據(jù)實際情況作出修改，使得其能夠滿足其他不同領(lǐng)域的需求。

1 理論支撐

1.1 硬件設(shè)計原理

通過編寫程序AT89C51單片機可以發(fā)出多種波形，單片機的I/O產(chǎn)生的波形以數(shù)字編碼形式呈現(xiàn)，然后通過LED屏連接AT89C51單片機端輸出。AT89C51單片機的連接方式不一樣，可以分為單機緩沖器型、兩級緩沖型以及兩個緩沖器直通型。程序編寫的時候，通過控制單片機的模擬波形實現(xiàn)數(shù)字編碼，將在ICL8038單片機內(nèi)部實現(xiàn)編碼，將數(shù)字編碼轉(zhuǎn)化為不同大小的電流。單片機中產(chǎn)生的電流必須經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換，通過放大器實現(xiàn)一級運放轉(zhuǎn)換，但是由于電壓的幅度較小，且各種內(nèi)部干擾的存在，致使單片機產(chǎn)生的波形經(jīng)過放大和濾波兩個操作才能夠產(chǎn)生比較完整的波形。函數(shù)發(fā)生器進行波形的種類和頻率進行控制的時候，設(shè)置了相應(yīng)的按鍵，進而對單片機輸出編碼進行控制。單片機的波形和頻率進行調(diào)試的時候，需改變波形的幅度大小，還應(yīng)采用變阻器進行波形調(diào)節(jié)[2]。

1.2 濾波實現(xiàn)電路原理

電路放大和濾波部分設(shè)計都是設(shè)計一個特定的電阻值，采用固定電阻可以節(jié)約電路板空間，電路板的尺寸可以適當(dāng)縮小。但是放大電路和濾波系統(tǒng)在調(diào)試的時候比較困難，波形的放大和濾波效果難以控制。電路放大和濾波均采用滑動的變阻器，滑動的變阻器對電路板的電流控制具有一定的局限性，但是由于電阻可變系統(tǒng)在進行調(diào)試的時候顯得更加方便?？梢酝ㄟ^改變電阻使得波形放大和濾波效果達(dá)到最佳的狀態(tài)。

2 多功能函數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計

2.1 模塊組成

2.1.1 發(fā)生器模塊

ICL8038函數(shù)的信號發(fā)生器可以發(fā)出高精度的正弦波、矩形波、鋸齒波以及方波等不同的波形。發(fā)生器還可發(fā)出不同的頻率來改變外部電阻器和電容來實現(xiàn)快速調(diào)整。ICL8038芯片由觸發(fā)器、比較器、緩沖器、正弦波等組件組成，共同對波形的幅度和頻率進行控制[3]。

2.1.2 電源供電模塊

電源供電模塊可以說是整個系統(tǒng)可以正常運行的基本保障，也是系統(tǒng)完成運行任務(wù)的基本前提。單片機長期以來都面臨著功耗大、抗干擾能力弱以及程序跑飛嚴(yán)重等問題。為了避免這些問題就必須從電源下手，保證系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定的運行，因此在單片機多功能發(fā)生器電源供應(yīng)上必須保障系統(tǒng)用電。

2.2 主程序流程

主程序流程如圖1所示，程序開始運行之后，首先初始化，信號頻率進行值判斷，若判斷通過在，則顯示器中顯示出常規(guī)設(shè)置內(nèi)容。若整個信號頻率無法得到判斷或者判斷未通過，則程序會自動返回。中斷程序?qū)崿F(xiàn)之后，確定波形和線路接入是否符合，需要對信號頻率進行匹配，否則將重新判斷或者進行返回操作。

2.3 硬件設(shè)計

2.3.1 主控電路設(shè)計

AT89C51單片機內(nèi)部設(shè)置包含了T1和T0，二者均可以實現(xiàn)16位可編程，主要通過計數(shù)器和定時器來完成兩種操作和四種工作模式來完成運行。主控電路在波形發(fā)生器用作計時，可以對輸出波形的每個采樣點延遲時間實現(xiàn)準(zhǔn)確計算。T0和T1中均采用16位計數(shù)器，只要允許計數(shù)開始，則最高可以溢出CPU中斷請求[4]。

2.3.2 數(shù)與模的電路轉(zhuǎn)換

若要獲得固定的波形，必須對把單片機的產(chǎn)生的信號進行轉(zhuǎn)換，形成模擬信號。DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器則可以滿足這一要求，它由八位輸入儲存器、八位DAC儲存器、八位的D/A轉(zhuǎn)換器等組成。該數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過分辨率的增減，實現(xiàn)對模式電力波形輸出，并實現(xiàn)了可連續(xù)調(diào)動。若DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器的單片機選擇地址為7FFFH，P0端口發(fā)送的數(shù)據(jù)為00H，U10V作為當(dāng)時輸出電壓，若P0口將數(shù)據(jù)發(fā)送至0FFH，U1的輸出電壓值為-5V。此時，電壓為0時，U1作為輸出電壓，其可以得到U1/R1+U2/R2+U3/R3=0。則輸出的電壓為-5V。可以得出函數(shù)發(fā)生器的產(chǎn)生波形輸出電壓的范圍在-5V～+5V之間，由此可得P0時，發(fā)送的數(shù)據(jù)為80H，輸出電壓為0V。

2.3.3 按鍵接口電路

鍵盤接口電路原理圖是保障整個系統(tǒng)電路運行的基礎(chǔ)，也是鍵盤控制系統(tǒng)運行的關(guān)鍵點。P0端口以AT89C51單片機作為核心，通過鍵盤掃描查看各個端口的單片機的連接狀況，若按鍵一旦按下則根據(jù)電路設(shè)計做出反應(yīng)。S0屬于方形輸出波、S1為正弦波、S2為三角波、S3為鋸齒波、S4為數(shù)字信號頻率為10HZ的波形、S5為100赫茲的頻率信號、S6為臨界500赫茲信號以及S7為1000赫茲頻率信號。從鍵盤接口不同，各個開關(guān)閉合之后將會產(chǎn)生不同的波形，因此這樣設(shè)計可以根據(jù)具體的需求獲得相應(yīng)的波形。

2.3.4 時鐘電路設(shè)計

時鐘電路作為獲取系統(tǒng)時間的重要元件，其組成主要由石英晶體、微調(diào)電容等組成。兩個電容元件為時鐘電路提供了振蕩頻率、穩(wěn)定效應(yīng)和容量選擇，一般選擇30pf12MHZ作為石英晶體的振蕩器頻率。由于頻率大、鋸齒波、三角波、正弦波等產(chǎn)生的時候會有所延遲，一般的額外指令時間、延遲時間以便于獲取更大的頻率波形。

2.3.5 電路顯示

電路顯示是通過LED屏幕向工作人員展示電路連接情況，顯示電路可以讓工作人員更加了解波形產(chǎn)生情況，以便于系統(tǒng)在合理情況下對波形頻率進行顯示。LED數(shù)碼管顯示器利用了共陽極連接，主要從主機端口實現(xiàn)低電平輸出，對應(yīng)的LED等所需要顯示的數(shù)據(jù)和選型均應(yīng)該根據(jù)實際情況作出最佳選擇。

3 結(jié)束語

單片機在機械自動化和智能化應(yīng)用中相當(dāng)廣泛，本文通過對單片機的多功能函數(shù)發(fā)生器設(shè)計進行相關(guān)的研究。從基本的理論展開討論，然后同硬件設(shè)計、電路設(shè)計提出了一些具體的辦法，為打造多功能函數(shù)發(fā)生器提供重要參考。隨著單片機技術(shù)日益成熟，其在很多行業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，未來開展發(fā)生器相關(guān)設(shè)計研究將成為單片機研究核心。

【參考文獻(xiàn)】

[1]程建輝，陳波，蔣樹剛.基于ICL8038芯片的單片機可控的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計[J].科學(xué)大眾（科學(xué)教育），2012，（03）：180.

[2]史蕊，劉威鵬.基于AD9834的多功能函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2013，（33）：7606-7608.

[3]樊鵬，徐順.基于單片機的多功能信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013，（15）：192.

[4]黃立新.基于單片機控制的數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，（12）：3278-3282+3287.

[責(zé)任編輯：張濤]endprint