波形发生器的设计与仿真
学生姓名：李芃博 指导老师：朱晓娟
（信息与控制工程学院 电子信息工程专业）
【摘要】：波形发生器是一种应用广泛的信号源。它输出的常规波形经常应用在电子电路的性能测试、参数测量，电子技术实验等科研领域。本文设计一种基于单片机AT89C52的波形发生器。系统根据查表法基本原理，采用单片机查询片内ROM波形函数表，并用DAC0832进行数模转换实现波形生成。双D/A数控电位器实现幅度控制。系统利用软件方式实现直接数字频率合成，并使用LED灯作为波形的输出显示。输出波形包括正弦波、方波、三角波信号以及上述三种波形线性组合波，可以进行波形幅值和频率的调节，并用采用中断式键盘实现人机交互，串行E2PROM（AT24C02）实现了波形数据的掉电保护功能。该波形发生器具有操作简便灵活，性价比高和智能化程度高等特点。
【关键词】：姓名代码转换器百度波形发生器；数字频率合成；单片机AT89C52；D/A转换
【abstract】：The Waveform generator is a widely used source.The conventional waveform
of its output is often used in performance testing of electronic circuit,parameter measurement, electronic technology experiment and other research areas. This paper design a waveform generator based on SCM AT89C52.According to the basic principle of look-up table method,the system use the SCM to query the On-chip ROM waveform function table and use the DAC0832 chip to generate the waveform by digital to analog date conversion.The dual D/A digitally controlled potentiometers realize the waveform amplitude control.The system achieve the Direct Digital Frequency Synthesizer by programing as well as use the LED lamp to show the current waveform.Output waveforms include sine, squae, triangular wave signal and a linear combination wave of the above three kinds of waveforms. The amplitude and frequency of the waveform can be regulated.The user can control the waveform generator by using the interrupt-type keyboard. Serial E2PROM (AT24C02) realizes the waveform data protection against power down.The waveform generator is simple, flexible, cost-effective and high intelligence.
【key words】：Waveform generator; DDS; SCM AT89C52; Digital to analog conversion
1绪论
1.1课题背景
波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路设计应用中必不可少的仪器设备之一。随着电子测量以及很多部门对各种波形信号发生器的广泛需要以及电子技术的快速发展，促使信号发生器性能提高，种类增多。尤其随着70年代微处理器的崭露头角，更促使信号发生器向着智能化、自动化方向发展。信号发生器作为一种通用的电子设备，在科研、测控、通讯生产等领域都得到了非常广泛的运用。
1.2理论分析
直接数字频率合成(DDS，Direct Digital Synthesis)技术是一种先进的频率合成技术，其基本原理是基于奈奎斯特(Nyquist)采样定律，将模拟信号经采样量化后存入存储器的查表中，通过寻址查表的输出波形数据，再经过D/A转换以及滤波便可恢复原波形。基于DDS技术的任意波形信号发生器(AWG，Arbitrary Waveform Generator)具有较高的输出带、宽精细的频率分辨率、频率转换灵活、输出波形灵活等特点。图1-3为DDS模块原理图。
图1-1DDS原理图
1.3方案选择
方案一：采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。
方案二：采用函数信号发生器MAX038集成模拟芯片，它是可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形，并且不能完全滤除掉。
方案三: 采用锁相式频率合成方案。锁相式频率合成是将一个高稳定度和高精度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精度的大量离散频率的技术，它在一定程度上解决既
要频率稳定精确，又要频率在较大范围可变的矛盾。但频率受VCO可变频率范围的影响，高低频比不可能做得很高，而且只能产生方波和正弦波，不能满足任意波形的要求。
方案四：采用单片机和DAC0832数模转换器生成波形，由于是软件滤波，所以不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较纯净。它的特点是价格低、性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。经比较，方案四既可满足毕业设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易控制性价比较高，所以采用该方案。
2系统总体设计
本系统是基C51单片机控制的波形发生器。本系统包括：单片机模块，波形生成模块，调幅模块，键盘模块，波形指示灯模块，掉电保护模块和电源模块。
系统原理图如图2-1所示：
图2-1系统原理图
输出波形为电压范围为0~5V，频率范围为1~1000Hz的方波、三角波、正弦波以及上述三种波形的自定义组合波形，输出波形的频率和幅值以及组合波系数可通过键盘调节。
频率控制由软件延迟实现，通过按键修改程序的延迟参数，改变波形表数据采样点之间插入时间延迟，从而改变输出波形参数。
双D/A数控电位器实现幅度控制，单片机控制P1口给幅度控制DAC0832送幅度控制字，通过调幅按键可以修改幅度控制字的大小。具体电路图如图2-2所示。
图2-2整体电路图
波形指示灯显示当前输出波形种类、中断式键盘实现人机交互。串行EEPROM（AT24C02）实现了波形数据的掉电保护功能。系统具有较高的可靠性，可满足多种低频信号源的使用场所。
3硬件设计
3.1单片机模块
3.1.1单片机AT89C52
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。设计中所用到的引脚：本系统采用12MHz晶振；，接XTAL1和XTAL2引脚；P0口为单片机与波形发生DAC0832的通信数据端口，其中P0口有8个10k的上拉电阻；AT89C52单片机复位靠外部电路来实现，信号由RESET（RST)引脚输入；P2.0~P2.3接键盘译码芯片的输入口；
P2.6~P2.7为串行总线的时钟端和数据端；P3.0、P3.1、P3.4、P3.5外接波形指示灯LED；P3.2和P3.3为外部终端输入端，外接中断键盘中断输入；P1口外接幅度控制数模转换器DAC0832，采用直通工作方式，改变幅度控制字来实现波形幅度控制。
3.1.2晶振电路
   
      图3-1 复位电路图                        图3-2 晶振电路图
本次设计采用的频率是12MHZ。时钟电路主要是由两个容量值小的电容和一个频率很高的晶振构成。主要的参数在图3-2中可以看出。时钟电路主要是对单片机提供工作频率。
3.1.3复位电路
单片机复位电路有两种：上电复位和按键复位，无论是采用哪种都能达到设计的目的。本设
计采用的是按键复位。电路如图3-1所示。                       
3.2波形生成模块
3.2.1DAC0832数模转换芯片
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由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。
3.2.2D/A转换电路
本设计中为了提高波形生成时的数据转换速度，设置DAC0832工作在直通工作方式下，即单片机通过P0口输出的数字量时，直接由DAC0832进行数模转换，注意当P0口作为I/O口使用时应外接10k上拉电阻。具体电路如图3-4所示。
       
          图3-3 波形生成模块电路图                  图3-4 D/A转换电路图
3.2.3 I/V转换电路
本设计由单片机产生波形，由于单片机产生的数字量需转换成模拟量，DAC0832八位的并行D/A转换器，转换速度快。由DAC0832转换得到的模拟量电流信号要转换成电压信号需外加I/V转换电路。第一个低频放大器TL082与DAC0832采取的是电流并联负反馈的方式，其作用是将电流转换成电压，因为本系统输出的是0~5V的波形信号。第二个低频放大器接成电压跟随器，其作用是使输出的正弦波平滑、稳定。其转换电路图如图所示。
3.3幅度控制模块
3.3.1幅度控制原理
如图3-7所示, 在基准电压VREF1的作用下，由单片机送出的幅度控制字AW 由D /A转换器(DAC_ 1) 转换为幅度控制电压，并将此幅度控制电压作为图中D /A 转换器(即DAC_ 2) 的参考电压值，从而实现了输出信号幅度的控制。

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