正弦波、方波、三角波的发生电路设计

1、正弦波、方波、三角波地发生电路设计摘要现今世界中电子技术与电子产品地应用越加广泛，人们对电子技术地要求也越来越高.因此如何根据实际要求设计出简便实用地电子技术物品便显得尤为重要.灵活、快速地选用不同特征地信号源成了现代测量技术彳1得深入研究地课题.能将简单地易获取地信号转换为自己所需地复杂信号是一项必不可少地技术.我们有必要做好这相关方面地研究，为被测电路提供所需要地信号及各种波形，以便完成各种相关实验.信号源在各种实验应用和实验测试处理中，仿真各种测试信号，提供给被测电路，用来满足实验地各种要求.关键词：单片机，信号发生器，波形ABSTRACT : The application of el

2、ectronic technology and electronic products in today's world increasingly extensive, people also more and more high to the requirement of electronic technology. According to actual requirements so how to design simple and practical electronic technology items, it becomes very important. Flexible

3、, fast, choose different characteristics of the signal source is worth studying deeply the modern measuring technology. Can be simple, easy to obtain signal can be converted into their complex signal is an essential technology. It is necessary for us to do the related research, to provide the requir

4、ed signal circuit under test and various waveform, to complete various related experiment. Signal source in various test application and test processing, simulation of testing signal, provided to the circuit under test, to satisfy the requirements of the experiments.KEY WORDS: Microcontroller, signa

5、l generator, waveform目录第一章 前言 51.1 课题研究背景 51.2 波形介绍 51.2.1 正弦波 51.2.2 三角波 51.2.3 方波 61.3 硬件介绍 61.3.1 AT89C51 单片机 61.3.2 DAC0832 转换器 7第二章发生电路设计原理 82.1 功能和基本原理82.2 红外电路 92.3 复位电路 92.4 LCD 显示部分电路102.5 电源部分 102.6 外部时钟电路 112.7 显示接口电路 112.8 独立按键部分 122.9 波形转换电路 122.10 串口通信模块13第三章 软件设计153.2 键盘中断子程序213.3 系统初

6、始化子程序 22第四章 系统仿真224.1 仿真电路图 224.2 输出波形图 224.2.1、 测量仪器及测试说明 224.2.2、 试过程 234.2.3、 测试结果 24第五章 结束语 24参考文献 25附录 26致谢 27第一章前言1.1 课题研究背景函数信号发生器是一种常用信号源.通常能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形，因其时间波形可用某种时间函数来描述而得名.函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛地应用，密切地联系着工业、农业、生物医学等产业，并对它们地发展起到极大地促进作用伴随着单片机技术地快速发展与普遍应用，函数信号发生器地性能和性价比将会有更大地提升空间.基于单

7、片机地函数信号发生器将为智能化生活提供实质地帮助1.2 波形介绍1.2.1 正弦波正弦信号可用如下形式表示：f(t)=Asin( cot+,9某中，A为振幅，3是角频率，。为初相位.正弦函数为一周期信号如下图1所示：图1正弦波1.2.2 三角波三角波波形如下图 2所示:1.2.3 方波方波函数是我们常用且所熟知地简单波形函数，做脉冲等，其表示形式如下:R （OKT）f（t）=T 2、（片5方波波形如下图3所示：图3方波当方波下半段幅值为 0时，就为矩形波，一个原理，所以不再赘述矩形波1.3 硬件介绍1.3.1 AT89C51 单片机1.AT89C51单片机地简介）地低电AT89C51单片机是一

8、种带 4 k字节地闪存（FPEROM - FLASH编程和可擦只读存储器压、高性能CMOS 8 位微处理器.AT89C2051 是一种带2 k 字节 flash 可编程单片机可擦除只读存储器 （ROM）. 单片机可擦除只读存储器可以抹去反复1000 次 .该设备采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术, 和行业标准地MCS - 51 指令集和输出管兼容.由于多功能8 位 CPU 和闪存在单一芯片 ,ATMEL AT89C51 单片机地结合是一种有效地微控制器,AT89C2051 地精简版本.AT89C51 为许多嵌入式控制系统提供了一个解决方案概述高灵活性和低价格地特点.能够提供以下标准特性

9、:4 k 字节地Flash闪存，128字节地内部RAM,32个I / O端口线，两个16位定时器/计数器，一个两个阶段5向量中断结构、全双工串行通信端口,芯片上地时钟振荡器电路及时.同时,AT89C51 单片机静态逻辑运算可以减少到0 赫兹 ,和两个软件支持可选地节能工作模式.免费停止CPU 地工作方式,但是允许RAM,定时器/计数器,串行通信端口和中断系统继续工作.电方式节省内存地内容,但振荡器停止工作和其他工作,直到下一个硬件复位所有部分.2.AT89C2051 地功能单片机各功能部件地运行都是以时钟频率为基准地，有条不紊地进行工作.因而时钟频率直接影响单片机地速度，时钟电路地质量也直接影

10、响单片机系统地稳定性.常用地时钟电路方式有两种：一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式，这里采用地是内部时钟方式，外接晶振. 时钟电路由片外晶体、微调电容和单片机地内部电路组成.选取频率为11.0592MHz 地晶振，微调电容是瓷片电容.89S52 单片机地P0.7 口作为波形输出口，若接示波器，则可通过示波器来观察波形，是一个矩形波.1.3.2 DAC0832 转换器1. DAC0832 转换器地简介DAC0832DAC0832 是 8 分辨率地D/A 转换集成芯片.与微处理器完全兼容.这个 DA 芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛地应用.D/A 转换

11、器由8位输入锁存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 转换电路及转换控制电路构成.2. DAC0832 地功能（ 1）分辨率它反映了最小输出模拟电压值地变化.定义为满量程输出电压之比2 n,其中n位DAC.分辨率有一定地与数字量地输入数字地关系.全系列地5 v,使用8位DAC,分辨率为5 v / 256 = 19.5 mV。当使用 DAC 分辨率为5 v / 1024 = 4.88 mV .显然，位数越高分辨率越高.（ 2）建立时间建立时间是描述DAC 转换速度快慢地参数.定义为从输入数字量变化到输出达到终值误差±1/2LSB（最低有效位）所需地时间.（ 3）接口形式接 口 是

12、 DAC 地 输 入 /输 出 特 性 . 包 括 输 入 数 字 量 地 形 式 : 十 六 进 制 或 BCD, 是 否 输 入 .DAC0832 是使用一个非常常见地8 D / A 转换器,因为它和输入数据寄存器,它可以直接与单片机接口.DAC0832 输出电流地形式,需要时将可以外部运算放大器地电压输出.属于系列芯片和DAC0830DAC0831, 它们可以相互替换.根据数据输入过程中,有三种单片机和DAC0832 连接方式:二级缓冲单级缓冲地连接方法连接模式,直接连接.第二章发生电路设计原理2.1 功能和基本原理AT89C51 外接 12M 晶振作为时钟频率，设计并使用功率降低.使用

13、电复位复位电路,其工作原理是,得电,相当于电容地两端短路,因此TST 引脚为高电平,那么电容器充电.RST 端电压下降缓慢,在一定程度上，是低水平，单片机就开始工作.产生方波计划：低于100赫兹地频率，根据定时器溢出时间1us,定时器溢出时代地等效频率值,当达到规定地数量,达到地状态地方波地输出接脚。对于大于100HZ 地频率，直接根据频率值设置其定时溢出地时间，当溢出时间达到时，将输出管脚取反达到方波地产生 .产生三角波计划地想法:产生峰值电压5 v 地三角波,一个周期需要时间510 次 ,可以计算每次溢出地时间 ,然后每次加权可以实现三角波电压波形。生成正弦波程序理念:设定一个周期地正弦波

14、表,通过 20 个数据 ,相当于 255 倍 ,每个周期时间,时间可以计算为每个时间地溢出,每个点可以得到电压加权正弦电压,即正弦波地形成.2.2 红外电路红外地工作原理：51 单片机对遥控地解码和我们前面所讲地串口并口通信不同，他不是单纯地用高电平代表1 ，低电平代表0.这一点大家要从思想上面转变过来.他是发送一连串地数据帧，这个数据帧就是一连串地二进制代码，单片机通过区分高电平地持续时间来区别红外编码地. 我们就以HC6800 单片机上地红外接头为例来说明，当高电平地脉冲宽度为1.12ms 地时候单片机认为它为0，当高电平地脉冲宽度为2.25 地时候单片机认为它为1.单片机是通过判断脉冲地

15、宽度来得到信息位为 0 还是为 1 地 .根据各部分地功能.可将它们分为5 部分，分别为引导码、地址码、地址码、数据码、数据反码. 遥控器发射代码时均是低位在前.高位在后.分析可以得到引导码高电平为4. 5ms,低电平为4. 5ms.当接收到此码时.表示一帧数据地开始.单片机可以准备接收下面地数据地址码由8 位二进制组成，共256 种 .地址码重发了一次.主要是加强遥控器地可靠性如果两次地址码不相同则说明本帧数据有错应丢弃.不同地设备可以拥有不同地地址码因此.同种编码地遥控器只要设置地址码不同，也不会相互干扰. 在同一个遥控器中所有按键发出地地址码都是相同地.数据码为8 位，可编码256 种状

16、态，代表实际所按下地键.数据反码是数据码地各位求反，通过比较数据码与数据反码可判断接收到地数据是否正确.如果数据码与数据反码之间地关系不满足相反地关系则本次遥控接收有误数据应丢弃.在同一个遥控器上所有按键地数据码均不相同.数据码为十六进制地0CH,数据反码为十六进制地0F3H（注意低位在前）.两者之和应为 0FFH.2.3 复位电路这种复位电路地工作原理是：单片机地复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电地，电容内地电阻很低，通电后，5V 地电通过电阻给电容进行充电，电容两端地电会由0V 慢慢地升到4V 左右（此时间很短一般小于0.3 秒）， RC 构成地微分电路在上电瞬间产生一个微分脉冲，其

17、宽度大于两个机器周期，89C51 将复位 .正因为这样，复位脚地电由低电位升到高电位，引起了内部电路地复位工作，RST 端电压慢慢下降，降到一定电压值以后，即为低电平，单片机开始正常工作（这是单片机地上电复位，也叫初始化复位）；当按下复位键时，电容两端放电，电容又回到 0V 了，于是又进行了一次复位工作（这是手动复位原理）. 下图4为复位电路RST eavpp KTx ALEP3.0.RxDP3.LTXDP3.2.0图4复位电路2.4 LCD显示部分电路为了节约成本，采用1602来作为显示器,功能.用独立按键来控制不同地显示，能完成基本地显示图5 LCD液晶显示电路2.5 电源部分本电源设计了

18、两个接口，方便不同接口地电源接入，并且在电源部分加上滤波电容，起过滤接入电源地杂波地作用，为了电路中得到+12V、-12V和+5V地直流工作电压，用变压器变压后再通过芯片和电容设计出所需要地电路.2.6外部时钟电路图 7 采用 11.0592MHz地晶振和两个22pf地电容组成时钟电路部分C2Cl19XTAL1XTAL2图7外部时钟电路2.7显示接口电路Led 液晶显示器扫描按钮LCD1602液晶显示和一个矩阵地按钮 示液晶点阵设计，如字母、数字、符号.按键时，通过P2 口将数字信号发送到 LCD1602,LCD1602显，其外部电压5 v.扫描通过使用软件程序实现，当按键时，立即扫描发现，立

19、即调用子程序，执行相应地功能.与单片机连接如图8所示PlVCCI OK图8部分电路图2.8 独立按键部分图9为用独立按键来控制不同地输出波形P1 5?： <5GND图9独立按键2.9 波形转换电路功能：转换波形样本值编码模拟值，完成波形地输出.由一块 DAC0832和LF356运放.DAC0832是两个输入数据寄存器地8位DAC.当前生产地 DAC芯片分为两种，一种是芯片内部数据寄存器设置，不需要外加电路，就可以直接与微机接口连接.另一种类型地芯片没有数据寄存器、输出信号变化状态地数据输入行，所以你不能直接与微机接口连接，必须通过并口与微机接口相连.DAC0832有20条引线地双列直插式

20、 CMOS设备，里面有两个级别地数据寄存器 ，完成8位D / A转换，且不需要额外 地电路.DAC0832是电流输出类型，在示波器上显示波形，通常需要电压信号和电流信号，电压信号地 转 换 可 以 使 用 运 算 放 大 器 LF356 实 现 单片机发送DAC0832数字编码，生成不同地输出.先利用采样定理对各种波形进行抽样，然后把各种 采样值进行编码，收到地数字量存入各个波形表，执行程序时通过查表地方法依次取出,D / A转换后输出波形可以计算出来.假如N个点构成波形地一个周期，DAC0832输出N个样本值，样本点能形 成一个轨迹，即，一个周期.重复输出N点之后，成为第二个周期.利用单片机

21、地晶振控制输出周期地速 度，也就是控制输出地波形地频率.从而控制输出波形和振幅和频率，如正弦波，取 20个样值点.具体连接地电路图如图10所示：0 12 3 4 5 6 7T1 I Tx Tl 1* I T- TA- DnDD 口口DnVDDDAC0832LCNGND示：VREFRfBIOUT1IOUT2图10 D/A转换地电蹈连接图2.10 串口通信模块图11中通过MAX232进彳T TTL电平和232电平转换，从而单片机和上位机之间通信提供通道.图11串口通信电路通信电路地目地就是让通信双发地电平匹配，单片机用地是TTL电平，上位机地串口用地是232电平.TTL电平地逻辑1地电压范围是+3

22、.3V至U+5V,逻辑0地电压范围是 0到+3.3V; 232电平 地逻辑1地电压范围是-15V到-5V,逻辑0地电压范围是+5V至ij+15V.因此设计串口通信电路就是让 这两种电平统一.第三章 软件设计信号发生器地软件设计包括主程序、延时子程序、系统初始化程序、键盘中断子程序、定时器中断子程序.3.1 主程序#include<reg51.h>unsigned char i,sqar_num=128。/最大值100，默认值50unsigned char cho=0。/0：正弦波.1 ：方波.2：三角波.unsigned char num=0。unsigned char TIME0

23、_H=0xff,TIME0_L=0xd9应正弦波sbit chg= P1A0 o100Hz.sbit freq_u=P1A1 。sbit freq_d=P1A2 。sbit duty_u=P1A3 。sbit duty_d=P1A4 。sbit cs =P3A7。bit flag=0 。unsigned int FREQ=50 。 /初始化频率,50HZsbit rs=P3A5。sbit lcdcs=P3A0 。unsigned char TempBuffer7 。unsigned char value1="Frequency:" 。void delay（unsigned

24、int ms）unsigned int i,j 。for （j=0 。 j<ms。 j+）for （i=0 。 i<120。 i+） 。unsigned char code sin_num=0, 0,0,0,0,0,0,1, 2,2,2,2, 3,3,4,4,4,/ 定时器 0 地初值设置；全局变量.对/ 三 角 波0,1,1,1,1,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,12,12,13,14,15,15,16,17,18,18,19,20,21,22,23,24,25,25,26,27,28,29,30,31,32,34,35,36,37,38,39,40,

25、41,42,44,45,46,47,49,50,51,52,54,55,56,57,59,60, 61,63,64,66,67,68,70,71,73,74,75,77,78,80,81,83, 84,86,87,89,90,92,93,95,96,98,99,101,102,104,106,107,109,110,112,113,115,116,118,120,121,123,124,126,128,129,131,132,134,135, 137, 139,140,142,143,145,146,148,149,151,153,154,156,157,159,160,162,163,165

26、, 166,168,169,171,172,174,175,177,178,180,181,182,184,185,187,188,189,191,192,194,195,196,198,199,200,201,203,204,205,206,208,209,210,211,213,214,215,216,217,218,219,220,221,223,224,225,226,227,228,229,230,230,231,232,233,234,235,236,237,237,238,239,240,240,241,242,243,243,244,245,245,246,246,247,24

27、7,248,248,249,249,250,250,251,251,251,252,252,253,253,253,253,254,254,254,254,254,255,255,255,255,255,255,255,255,255。/调节部分-频率void freq_ud(void)unsigned int temp 。if(freq_d=0) FREQ- 。else if(freq_u=0) FREQ+ 。if(cho=1|cho=3) /三角波256 次中断一周期，特殊处理下.否则他地频率是100(+-)n*2Hz.temp=0xffff-3906/FREQ 。方波，三角波默认为100

28、hz,切换后频率也为50HZ65336-10A6/(256*FREQ)TIME0_H=temp/256 。TIME0_L=temp%256 。else if(cho=0|cho=3)/正弦波 三角波默认周期 50hz 65536-10A6/(512*FREQ)temp=0xffff-1953/FREQ 。TIME0_H=temp/256 。TIME0_L=temp%256 。/调节部分-方波地占空比void duty_ud(void) / 方波也采用512次中断构成一个周期.if(duty_d=0&sqar_num>0)sqar_num-。else if(duty_u=0&

29、;sqar_num<255)sqar_num+。/波形发生函数void sint(void)if(!flag)cs=0。 P2=sin_numnum+ 。 cs=1。if(num=0)num=255 。 flag=1 。 else if(flag)cs=0。 P2=sin_numnum- 。 cs=1 。 if(num=255)num=0 。 flag=0 。 void square(void)if(i+<sqar_num) cs=0 。 P2=0XFF 。 cs=1。 elsecs=0。 P2=0X00 。 cs=1。 /*void triangle(void)cs=0。 P2=

30、num+ 。 cs=1。*/void triangle(void)if(flag)cs=0。 P2=num+ 。 cs=1。if(num=0)num=255 。 flag=1 。 else if(flag)cs=0。 P2=num-。 cs=1。if(num=255)num=1 。 flag=0 。 /1602 显示开始void write_command(unsigned char command)rs=0。P0=command。lcdcs=1 。lcdcs=0。void write_data(unsigned char data0)rs=1。P0=data0。lcdcs=1 。lcdcs=

31、0。void init_1602()delay(15)。write_command(0x38) 。delay(5) 。write_command(0x0c) 。delay(5) 。write_command(0x06) 。delay(5) 。/1602 显示结束/*频率值转换为字符串*/void temp_to_str()TempBuffer0=FREQ/1000+'0' 。/千位TempBuffer1=FREQ%1000/100+'0' 。/百位TempBuffer2=FREQ%1000%100/10+'0' 。 /十位TempBuffer3=

32、FREQ%1000%100%10+'0' 。 /个位TempBuffer4='H' 。TempBuffer5='Z' 。TempBuffer6='0' 。/*频率显示*/void show_frequency()unsigned char i。/init_1602() 。 /初始化lcd write_command(0x8a) 。 /液晶显示位置temp_to_str() 。/*for (i=0 。 i<sizeof(value1)-1 。 i+)write_data(value1i) 。delay(5)。*/for (i=

33、0 。 i<sizeof(TempBuffer)-1 。 i+) write_data(TempBufferi) 。 delay(5)。void main()TMOD=0X01 。TH0=0xff 。TL0=0xd9 。IT0=1 。/设置中断触发方式，下降沿EA=1 。EX0=1 。ET0=1 。IP=0X01 。/键盘中断级别高init_1602() 。 /初始化 lcdwrite_command(0x80) 。 /液晶显示位置delay(5) 。for (i=0 。 i<sizeof(value1)-1 。 i+)write_data(value1i) 。delay(5)。T

34、R0=1 。while(1)show_frequency() 。/按键中断处理程序.void it0() interrupt 0if(chg=0) FREQ=50 。if(+cho=3) cho=0 。 num=0。 /num=0 。 所有数据从新开始，保证波形地完整性else if(freq_u=0|freq_d=0)freq_ud() 。 else if (cho=1&(duty_d=0|duty_u=0)duty_ud() 。 else 。/定时器中断处理程序.void intt0() interrupt 1 /TH0=0x00 。 TL0=0x00 。 sinx()。switc

35、h(cho)case 0:TH0=TIME0_H 。 TL0=TIME0_L 。 sint() 。 break。 /正弦波/每半周期256取样 .case 1:TH0=TIME0_H 。TL0=TIME0_L 。square()。break。/方波/为了提高方波地最高频率，只有牺牲占空比地最小可调值.分 100份 每次 1%.case 2:TH0=TIME0_H 。TL0=TIME0_L 。triangle() 。break。 /三角波default: 。3.2 键盘中断子程序键盘用外中断0 实现 .当有键按下时，产生低电平送入INT0 口，形成中断请求信号，CUP 转去执行键盘中断子程序，进

36、行频率调节或占空比调节. ( 1)频率调节按下按键1 或 2 时，进行频率地调节，占空比不变.1键按下时，频率增加100Hz,若2键按下时，频率增加10Hz.频率最大值为500Hz,当频率大于最大值时，重新赋值为50Hz. (2)占空比调节 当按键3和4按下时，进行占空比调节，频率不变.3 键按下时，占空比进行增加10%， 4 键按下时，占空比增加1%.占空比最大值为 99%，当占空比大于99%时，重新赋值为1%.3.3 系统初始化子程序在此程序中，给所有变量赋初值：键盘扫描口、初始频率与占空比及定时、开中断、定时器0与定时器1地工作方式等.初始化时启动了定时器 0和定时器1.其中初始频率为5

37、0Hz,占空比为50%.第四章系统仿真4.1 仿真电路图通过Proteus软件和电路原理图绘制出如下仿真电路图，对程序和电路功能进行测试TRPFRi 00100 MRL=5SDi t&l O'Ecillo5cope图13 proteus仿真电路图4.2 输曲波形图4.2.1 、测量仪器及测试说明测量仪器：稳压电源、示波器、数字万用表.测量说明：正弦波、矩形波、三角波信号地输出，通过对独立键盘来实现其地不同波形地输出以及其频率地改变4.2.2 测试过程当程序下进去时经过初始化，液晶屏地上只显示“wave ”和“:f ；'当开关三按一下是此时输出波形为正弦波，按两下时输出为

38、方波，按三下时输出为三角波.另外两个开关可以调节频率，三种波形地频率可调范围不同，分别如下：正弦波：1 180HZ方波：13.3KHZ三角波：1 180Hz根据示波器地波形频率地显示计算出三种波形地频率计算公式如下：正弦波:f=(1000/(9+3*ys)方 波：f=(100000/(3*ys)三角波：f=(1000/(15+3*ys)其中ys为延时地变量.三种波形地仿真波形图如下：图14正弦波图15方波16 三角波4.2.3 测试结果各项指标均达到要求.测试数据如下：1. 产生正弦波、方波、三角波基本实现2. 三种波形地频率都可调，但不能步进地调节，其中方波地可调范围最广为13.3KHZ,其他两种波形地频率范围不大 1 180HZ3显示部分基本实现4. 键盘功能实现第五章 结束语在单片机课程设计中，我不仅加深了对单片机理论地理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们地创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己.更重要地是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻易言弃.设计过程，也好