单片机课程设计---信号发生器

1、课程设计信号发生器学生姓名：安小鹏学号：131001201学院：理学院专业：应用物理指导教师：任世伟刘天山2016年06月28日信号发生器摘要：本文以STC89C5件片机为核心设计了一个低频函数信号发生器。信号发生器采用数字波形合成技术，通过硬件电路和软件程序相结合，可输出自定义波形，如正弦波、方波、三角波、锯齿波、波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。波形和频率的改变通过软件控制，幅度的改变通过硬件实现。介绍了波形的生成原理、硬件电路和软件部分的设计原理。关键词：单片机，信号发生器，D/A转换一、设计要求利用单片机的控制及编程能力，采用查询法设计一个函数发生器，要求能够产生方波、正弦波，分

2、析采样点数量与频率之间的关系。二、设计原理向单片机输入所需要的程序并通过扩展D/A转换接口就可以方便地产生正弦信号。正弦波的产生比较特殊，它不是由单片机直接产生波形的，它只能产生连续的阶梯波来向正弦波不断地逼近。很显然，在一个周期内阶梯波的阶梯数目越多，单片机输出的波形也就越接近正弦波。如图所所示一般而言，计算机要形成正弦波信号的最简便办法就是使用D/A转换器，因计算机可以隔一定时间向D/A转换器输出一个数字量，而输出的该数字量为相应时刻的函数值，则在D/A转换器输出端就可以得到一个相应的函数信号。D/A转换器形成的函数信号实际上是一个阶梯状波。所以用D/A转化器形成的正弦波信号除了正弦基频分

3、量（所需要的信号）外，还包含了各种高次谐波与余弦基频分量。因而形成的正弦波信号只能是一逼近的正弦波信号。为了正弦信号的数字量逼近，可以有多种方案。而逼近一个正弦函数的精确程度是和正弦波信号的细分度N和D/A转换器的分辨率直接有关。细分度N越大产生的正弦信号就越精确，但是这要求计算机速度也相应的高；D/A转化器的分辨率越高产生的正弦信号也就越精确，但是D/A转化器的分辨率受其价格和计算速度以及字长的制约，不宜过高，应取一个合理的分辨率。故对正弦信号逼近方案的讨论，是在确定的细分度N和D/A转化器的分辨率基础上比较的。把其结果转换为十六进制，并把计算的十六进制以表格的形式存放于EPROM1存中，然

4、后以查表的方式来形成正弦信号。采用查表的方式单片机正弦波发生器的工作原理如下:对正弦信号进行采样，将正弦波的第一个周期的波形均分为若干等份，设正弦波一个周期采样点数共N个。则有:上式中n取0,1,2,N-1,考虑到正弦函数值的范固层*从-10+1,将它们转化为定点无符号数值存放，例如存放的位数（即M）是8,那么对公式：进行数值迁移，则有：360cXn127sin?n128N这样正弦函数值范围-1->0->+1,因为00HFFH寸应的数字量为0255,存放的8位（即M）二进制数据则相应为0->128->255（十进制表示）。依次对公式采样可得X（n）,n=0,1,2,N-

5、1共N个数据，组成了一张正弦数据表，单片机将这一个周期的数据表存入EPROMP。EPRO附地址线和地址发生器的输出端相连。地址发生器在时钟作用下依次产生选通地址，就会依次选中EPROM0单元、1单元、2单元N-1单元地址，再由D/A转化器输出相应幅值的模拟信号，当地址发生器输出满N个地址时，一个完整的正弦波就产生了。假设从数据表中每取一个数据，并将它从D/A转化器输出至少需要时间为ts,那么输出一个完整的正弦波所需要的时间为Tm,则有Tm=tsNo查表程序周而复始进行下去，便可产生连续的正弦波信号。固定周期Ts是由若干机器周期组成，机器周期Tm一般又是单片机时钟周期ts的若干倍，则有:一旦时钟

6、确定，Tm也就固定了。一个固定周期Tn内的计数脉冲数就可以通过下式计算出来：MintTNts三、程序设计:3.1 、设计流程图：检测有按键按下3.2 程序源代码：（见附录1）3.3 产生波形图：（见附录2）四、正弦波误差分析4.1 计数脉冲数M对正弦波的影响固定周期Ts是由若干机器周期组成，机器周期Tm一般又是单片机时钟周期ts的若干倍，产生的正弦波周期为：TsNTnNMts在一个与周期内相对误差为:Nts_1_tsNMts"M"TM若用16MHz时钟的单片机产生的正弦波，设其定时器输入脉冲周期是时钟脉冲的2倍时，则ts计算如下:ts=-2二20.125(.)sf01610

7、6若要产生2300Hz的正弦波，其周期应为11,Ts=434.783(Ffs2300取N=128则：丁'工4347833.397(N128'MTN=织97=27.174ts0.125因为MintTs,所以M=27则最大相对误差ts为：11=3.7%M27由此可见，要减小误差，只能通过减小ts,就可以是误差接近真实值。4.2采样点N对正弦波的影响正弦波发生器是用Nt顺序的以正弦变化的数值来驱动D/A芯片来产生正弦波的。按前面假设的来说，当每输出一点X(n),需要的最少时间为ts,那么输出一个完整的正弦波(即一个周期)需要的时间为Tm,则TM=tsNo此时正弦波的最高频率为:设编制

8、的子程序ts。约为1s,如NX300则fmax-163333HztsN1300106即如果要求输出正弦波的频率f大于3333Hz,只能使NJ、于300。所以可以得出这样的结论：N!大，正弦波的精确度越高，但正弦波最高频率限fmax也越小。正弦波的波形精度R这一概念，R的定义式为:一？100%min将公式代入公式，可得sin变？1N?100%微机化正弦波是取出正弦波数据表中的数值，由D/A转化器输出产生阶跃状的模拟量正弦波。正弦波表格中的数据值直接影响着阶跃状正弦波的形状。波形精度R是对正弦波表格中的数据优劣的一种描述。对模拟正弦波的描述波形精度等价于失真度。根据理想采样的原则，数据X(n)点与

9、点之间的采样时间的间隔是恒定的，即前面的ts,即X(n)序列在时间上是均匀地分布在正弦波上的N个点的采样值。因为N是有限的，所以这些点不能组成光滑的正弦波波形，而是有落差R的波形，且R=X(n)X(n1),它的大小反映了曲线的不光滑程度。正弦波的斜率变化最大应在n=0处，所以RmaxX1X0。下面分别用公式定量计算N=30QN=200的波形精度R300和R200:,360sin?1300?100%=1.04%2360sin?1200?100%=1.57%显然2R300<R200,可以知道N=30的比N=200W言其阶跃状正弦波更趋向于光滑的理论值。五、总结与体会参考文献：1、胡汉才单片机

10、原理及其接口技术（第2版）北京：清华大学出版社20082、阎石数字电子技术基础（第三版）北京：高等教育出版社19893、郭天祥新概念51单片机C®言教程入门、提高、开发全；北京电子工业出版社4、童诗白模拟电路技术基础M北京：高等教育出版社1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.附录1:设计源程序:（c语言）#includeunsigned255,127,0,2,;unsigned0,128255128;unsigned<reg52.h>char252,102,9,charcodeSinWave176,198,217,

11、245,233,217,78,56,37,21,37,56,codeTriWave21,78,16,32,144,240,112,char0,8,16,64,128,192,48,160,224,96,233,198,9,102/正弦波波表245,252,176,152,2,/三角波波表64,80,96,112,176,192,208,192,80,64,48,208,176,32,224,240,160,144,16codeSawWave24,32,40,72,80,88,136,144,96,152,200,208,216,/锯齿波表48,56,104,112,120,160,168,17

12、6,184,224,232,240,24821.unsignedcharcode*pWave;/波表指针22.unsignedcharT0RH=0;/T0重载值的高字节23.unsignedcharT0RL=0;/T0重载值的低字节24.unsignedcharT1RH=1;/T1重载值的高字节25.unsignedcharT1RL=1;/T1重载值的低字节;20.26.27.voidConfigTimer0(unsignedintms);29.externvoidKeyScan();30.externvoidKeyDriver();31.externvoidI2CStart();32.ext

13、ernvoidI2CStop();33.externbitI2CWrite(unsigned34.35.voidmain()36.EA_=1;/开总中断28.voidchardat);SetWaveFreq(unsignedcharfreq);37.38.39.40.41.42.43.44.45.46.47.48.49.50.51.52.53.54.55.56.57.58.59.60.61.62.63.64.65.66.67.68.69.70.71.72.73.74.75.76.ConfigTimer0(1);/配置T0定时1mspWave=SinWave;/默认正弦波SetWaveFreq(

14、10);/默认频率10Hzwhile(1)KeyDriver();/调用按键驱动/*按键动作函数，根据键码执行相应的操作，keycode-按键键码*/voidKeyAction(unsignedcharkeycode)staticunsignedchari=0;if(keycode=0x26)/向上键，切换波形/在3种波形间循环切换if(i=0)i=1;pWave=TriWave;elseif(i=1)i=2;pWave=SawWave;elsei=0;pWave=SinWave;/*设置DAC输出值，val-设定值*/voidSetDACOut(unsignedcharval)I2CStar

15、t();if(!I2CWrite(0x48<<1)/寻址PCF8591,如未应答，则停止操作并返回I2CStop();return;I2CWrite(0x40);/写入控制字节I2CWrite(val);/写入DA值I2CStop();/*设置输出波形的频率，freq-设定频率*/voidSetWaveFreq(unsignedcharfreq)unsignedlongtmp;77.tmp的32倍=(11059200/12)/(freq*32);/定时器计数频率，是波形频率78.79.80.81.82.83.84.85.86.87.88.89.90.tmp=65536-tmp;/计

16、算定时器重载值tmp=tmp+33;/修正中断响应延时造成的误差T1RH=(unsignedchar)(tmp>>8);/定时器重载值拆分为高低字节T1RL=(unsignedchar)tmp;TMOD&=0x0F;/清零T1的控制位TMOD|=0x10;/配置T1为模式1TH1=T1RH;/加载T1重载值TL1=T1RL;ET1=1;/使能T1中断PT1=1;/设置为高优先级TR1=1;/启动T1/*配置并启动T0,ms-T0定时时间*/91.voidConfigTimer0(unsignedintms)92.unsignedlongtmp;/临时变量93.tmp-110

17、59200/12;/定时器计数频率94.tmp=(tmp*ms)/1000;/计算所需的计数值95.tmp=65536-tmp;/计算定时器重载值96.tmp-tmp+28;/补偿中断响应延时造成的误差97.T0RH=(unsignedchar)(tmp>>8);/te时器重载值拆分为局低子下98.T0RL=(unsignedchar)tmp;99.TMOD&=0xF0;/清零T0的控制位100.TMOD|=0x01;/配置T0为模式1101.TH0-T0RH;/加载T0重载值102.TL0-T0RL;103.ET0-1;/使能T0中断104.TR0-1;/启动T0105.106./*T0中断服务函数，执行按键扫描*/107.voidInterruptTimer0()interrupt1108.T