杜路泉

(阿壩師范學(xué)院 電子信息與自動化學(xué)院，四川 阿壩州 623002)

信號發(fā)生器是電子信息領(lǐng)域一種非常重要的實驗儀器。在電子信息專業(yè)中，也是應(yīng)用最廣泛最重要的信號測試設(shè)備之一，它的功能主要是提供被測電路需要的測試信號。隨著通信、電子、網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的發(fā)展，需要的頻率段逐漸密集，更加要求有高精度、高可靠性的信號源。信號發(fā)生器是一種廣泛地應(yīng)用于電路測試、通信測試、教學(xué)實驗測試和控制系統(tǒng)仿真測試等領(lǐng)域的常用信號源[1]。

在設(shè)計中主要是以產(chǎn)生常用的波形(正弦波、方波、三角波、鋸齒波)為目的設(shè)計的簡易信號發(fā)生器。以STC89C52單片機為核心和DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換相結(jié)合實現(xiàn)正弦波、方波、三角波和鋸齒波常用波形的產(chǎn)生，以及LCD1602液晶屏顯示波形種類和頻率值。在Keil軟件上對各種波形的產(chǎn)生以及頻率的改變進(jìn)行程序的編寫，并將程序下載到STC89C52單片機中。當(dāng)單片機上電時，接收到外界的指令需要輸出波形，調(diào)節(jié)相應(yīng)的中斷服務(wù)程序在通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換以及運算放大器處理后，在示波器上得到輸出的波形，并且可以通過按鍵切換波形的類型，在顯示不同的波形時相應(yīng)的LED燈點亮，以便于識別當(dāng)前顯示的是哪種波形，給人更加直觀的觀察[2]。

1 信號發(fā)生器不同方案的對比

可以實現(xiàn)信號發(fā)生器的方法有多種，下面是一些常用實現(xiàn)信號發(fā)生器的方案。如表1所示。

鑒于方案1輸出頻率不夠穩(wěn)定，操作復(fù)雜；方案2編寫程序復(fù)雜，成本高；方案3電路復(fù)雜，DDS芯片價格高。所以選擇方案4的設(shè)計方法。它軟硬件結(jié)合，使用的幾種元器件都是常用的元器件，成本較低，電路設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)，得到的信號頻率的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性能得到保證[3～4]。

2 信號發(fā)生器功能設(shè)計

當(dāng)單片機上電后，液晶屏上默認(rèn)顯示波形為方波，頻率默認(rèn)為10Hz.當(dāng)按下波形切換按鍵時，進(jìn)行波形的切換。按下設(shè)置頻率步進(jìn)值按鍵時，液晶屏上顯示當(dāng)前頻率。按下對頻率、步進(jìn)值進(jìn)行加或減的按鍵時，執(zhí)行對應(yīng)的功能。實現(xiàn)的大致功能如下：

1)可實現(xiàn)四種波形的產(chǎn)生：正弦波、方波、三角波和鋸齒波；

2)四種波形的頻率在10～100Hz內(nèi)可調(diào)；

3)頻率的步進(jìn)值可以改變；

4)有四個指示燈分別指示發(fā)出的是哪種波形，方便明了；

5)LCD1602液晶顯示波形種類和頻率值。

表1 信號發(fā)生器方案分析

3 信號發(fā)生器組成模塊

在設(shè)計中采用STC89C52單片機，使用軟件編程的方法實現(xiàn)波形信號的輸出。由以下幾部分組成(如圖1所示)：鍵盤輸入、LCD顯示、單片機、數(shù)模轉(zhuǎn)換、運算放大與輸出[5～6]。

圖1 信號發(fā)生器原理框圖

4 硬件原理框圖

采用STC89C52單片機芯片設(shè)計信號發(fā)生器的中心處理器件，通過C語言編程實現(xiàn)各種波形的產(chǎn)生，最后通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換和運算放大電路將波形輸出到示波器，結(jié)構(gòu)簡單，思路清晰[7，8]。根據(jù)設(shè)計要求，將要實現(xiàn)的功能分為不同的模塊，各個模塊間相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)最終的功能。整體電路的原理框圖如圖2所示。

圖2 電路的原理框圖

5 軟件設(shè)計分析

采用STC89C52單片機實現(xiàn)硬件核心，通過Keil uVision5編程的方法實現(xiàn)軟件的核心功能。通過編程實現(xiàn)四種波形的切換、頻率的改變以及設(shè)置頻率步進(jìn)值的大小。通過Proteus軟件仿真以及Keil聯(lián)機調(diào)試后，就可以通過編程器將程序下載到STC89C52的芯片中，這樣就可以完成圍繞該芯片的所有控制[9～10]。

軟件系統(tǒng)的總設(shè)計思路：初始化時輸出的波形為正弦波，在LCD1602上顯示波形的種類和初始頻率。最后通過按鍵來實現(xiàn)波形改變以及頻率的設(shè)置。設(shè)計的思路如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計思路圖

通過Proteus仿真軟件以及Keil的聯(lián)機調(diào)試可以看到初步結(jié)果，在示波器上觀察。

6 硬件電路仿真分析

正弦波仿真結(jié)果如圖4所示：

圖4 仿真圖與PCB電路設(shè)計

7 硬件電路測試

按照設(shè)計原理圖焊接好電路后，下載程序到單片機中，進(jìn)行測試。示波器的作用就是用來測試設(shè)計的信號發(fā)生器輸出的波形是否正常。圖5就是示波器檢測結(jié)果。

圖5 信號發(fā)生器實物測試

8 結(jié)果分析

硬件電路測試完成后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用示波器顯示的頻率作為真實值(A0)，信號發(fā)生器LCD1602顯示的頻率為測量值(A1)，對兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察、記錄、統(tǒng)計和分析。下面對兩者顯示的各個頻段的數(shù)據(jù)比值(a=A1/A0)、絕對誤差(ΔA=A0-A1)和相對誤差(r=ΔA/A0)，數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 測試結(jié)果記錄表

由表2統(tǒng)計可得頻率平均相對誤差如式1：

硬件電路實現(xiàn)了以STC89C52單片機為核心，通過C語言編程的方法，按鍵輸入功能，基本上實現(xiàn)正弦波、方波、三角波和鋸齒波四種波形的產(chǎn)生、波形頻率在10～100Hz內(nèi)可調(diào)以及波形頻率的步進(jìn)值在0.1～10內(nèi)可調(diào)的功能,誤差約為1.2%左右，也可以在液晶頻上顯示出波形的類型和頻率。該硬件電路中仍存在一些不足之處，可以在今后的工作中改進(jìn)。如產(chǎn)生的波形信號的幅度也可以通過按鍵來改變；可以利用精度更高的D/A轉(zhuǎn)換芯片來提高輸出波形的質(zhì)量。