基于单片机的函数信号发生器设计

基于单片机的函数信号发生器

设计所用元器件：

基于单片机的函数信号发生器1.设计目的

1．学习使用keil编程，使用Altium Designer绘制原理图；

2．使用单片机产生正弦波、方波、三角波、锯齿波并可通过按键对波形切换、幅值和频率的调整；

3．学习使用示波器显示波形；

2.设计原理

基于单片机的函数发生器原理以STC89C51为整个函数发生器的核心部分，通过编写程序和执行程序，运用示波器显示出四种波形，分别是正弦波、三角波、方波和锯齿波。本设计拥有五个按键，分别实现波形的切换，改变波形的频率和幅值的大小。芯片DAC0832将数字信号转换成模拟信号输出并通过外接运算放大器OP07实现电流向电压的转换，最后通过示波器显示出波形。

3.设计内容

3.1基本设计内容

本次设计的主要内容是设计一个基于单片的函数信号发生器实现正弦波、三角波、方波和锯齿波。利用单片机设计程序，使其能够通过按键有效切换四种波形，并且实现波形幅值和频率的调整满足本设计的要求，进行硬件系统和软件系统的设计，最后调试完成本次设计。

LCD1602液晶显示波形种类、幅值以及频率。频率的可调范围在1—10HZ，幅值可调范围在1—5V。显示屏上显示参数，第一行显示波形。第二行左边显示波形频率，右边显示波形幅值。本设计由五个功能按键，分别进行波形切换，加减幅值和加减频率。电压在示波器上显示，硬件原理示意图，如图1.1所示。

图1.1 硬件原理设计图

3.2模块设计

3.2.1单片机最小系统模块

本设计STC89C51为整个函数发生器的核心部分,单片机、时钟电路和复位电路构成单片机的最小系统，如图2.1所示。

图2.1单片机最小系统模块原理图

晶体谐振器是时钟电路的重要组成部分，将晶体谐振器放入电路，上电后它会产生机械振荡，单片机凭借晶体谐振器的频率运行所设计出来的频率，所以说晶体谐振器的频率是单片机操作时间规律，保证单片机平稳的工作。晶体谐振器是控制CPU的时钟频率的。频率控制运行速度。晶体谐振器虽然是振荡电路的一部分，但是它自身不会产生震荡，它会有一个固定的频率，然后与外围电路发生谐振。谐振的产生需要晶体谐振器固定频率和外围电路的频率一致，如果差距大，或者根本对不上则会使电路不在振荡。单片机会根据实际所能承受的晶体谐振器频率来选择自己的运行频率，不会因为晶体谐振器频率快单片机运行就快，频率慢单片机运行速度就会降低。

复位电路包含一个电容、两个电阻包括一个接地电阻和一个复位按键，电容和电阻采用值为10μF和10K。复位电路让单片机回到原始工作状态，RST复位引脚高电平有效，高电平有效的持续时间应为24个时钟周期以上，才能有效复位。根据公式电容的充电时间为t=R*C，则电容的充电时间为100ms，充满使得单片机复位。电容充满，与地相接的的电阻电压、电流都降为零，在开机上电的0.1s钟内，单片机系统会自动复位，在单片机工作期间，按下复位按键，电容放电，接地电阻出现电压，单片机复位松开按键，电容充电，几个毫秒之后单片机开始工作。

3.2.2显示模块

LCD1602能同时显示32个字符。LCD1602采用的是数据并行接法，特点主要是使用方便，需要很多的I/O口，函数发生器设计中I/O口是够用的，所以可以使用这种数据传输方式。八位的数据赋给I/O口。读取数据时也只要读取整个I/O口。LCD1602显示模块，如图2.2所示。

图2.2显示模块原理图

3.2.3 D/A转换电路

DA转换模块由DAC0832、OP07运算放大电路组成，DAC0832作为函数发生器数模转换模块的核心芯片，转换时间为1us，工作电压为+5v~+15v，基准电压为正负10v。它主要由两个8为寄存器和一个8位D/A转换器组成，片内有输入数据寄存器，所以芯片可以直接与单片机相接。DAC0832以电流的形式输出信号，所以需要在Iout后接一个OP07运算放大器，把输出电流信号转换成电压的形式，供示波器显示，在信号输出之前OP07输出口接一个电阻和一个电容组成一个简单的滤波电路，用来抑制其他杂波，得到正常信号。D/A转换模块，如图2.3所示。

图2.3 D/A转换模块原理图

3.2.4提供运放电源电路

DAC0832输出的是电流信号，要将电流转换成电压，OP07运算放大器需要提供正负10v的电压，在单片机与计算机通信时需要加电平转换芯片，MAX232可以完成电平转换功能，因此MAX232芯片上可以找到正、负电压。根据测量，MAX232芯片的2、6引脚分别输出+10v和-10v左右的电压，所以可以作为运算

放大器OP07的电源电压，分别接在运放两端，MAX232芯片，如图2.4所示。

图2.4 MAX232原理图

4.硬件设计调试

4.1测试仪器

为确保硬件和软件的正确性及完善性，需要一些测试仪器进行调试，硬件调试所需仪器如表3.1所示：

硬件调试所需仪器数量

电脑1台

万用表1个

USB线1条

示波器1台

连接板子和示波器的探头线1条

4.2硬件调试过程

硬件调试是设计是否能成功的关键，通过调试可以检查板子是否能正确运行以及检测设计功能是否按要求实现。画原理图很多细节需要注意，原理图的正确性很重要，这关系到板子的焊接和实现，原理图布局划线最好规整，本设计需要焊接的元器件不多，但焊接时还是需要认真检查特别注意的，比如短距离焊点的焊接方法，或是线与线之间很近，线与焊盘之间距离太小，线细易断等。在线密集的地方避免焊接在一起，同时还要避免虚焊、短路、断路等现象。按照原理图有顺序的焊接器件，从低到高焊接，芯片的焊接需要注意，不可将芯片直接焊上。在焊接的时候看见虚断的线路，需要用焊锡补，在拉焊锡时为了避免影响其他的线路，在拉完焊锡的路径上进行检测，检查相关电路的连通和无关电路的隔断，找出问题电路线，并及时改正。

在焊完电路以后检查电路的可实际操作性是一定需要的，因为在焊接的时候