基于單片機(jī)的信號發(fā)生器設(shè)計方案 信號發(fā)生器的設(shè)計要求有哪些

一、基于單片機(jī)的信號發(fā)生器設(shè)計方案

信號發(fā)生器用于調(diào)節(jié)射頻匹配電路，可以自行設(shè)計，一般普通的信號發(fā)生器需要輸出正弦波、方波、三角波以及鋸齒波等信號，可通過按鍵調(diào)節(jié)信號的頻率以及信號的幅度，其具體的設(shè)計方案如下：

1、總體方案設(shè)計

信號發(fā)生器發(fā)送出去的是模擬信號，而單片機(jī)輸出的是數(shù)字信號，因此在設(shè)計信號發(fā)生器系統(tǒng)時，需要使用到數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，可選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，然后再利用運(yùn)算放大器將DAC0832輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。這樣信號發(fā)生器便輸出了模擬電壓。系統(tǒng)要輸出各種波形信號，則要求DAC0832在運(yùn)放的作用下，在不同時間點輸出不同的電壓值，再將這些電壓值連接起來，便構(gòu)成了相應(yīng)的波形信號。而要得到不同的電壓值，則單片機(jī)需要將8位I/O口接到DAC0832芯片的8位數(shù)據(jù)信號輸入端，單片機(jī)通過改變8位I/O口的數(shù)字信號，便可以在DAC0832以及運(yùn)放的作用下，得到不同的電壓值，再在時間的作用下形成不同的波形信號。波形信號頻率的的變化可通過改變單片機(jī)8位I/O輸出口的數(shù)據(jù)變化率來實現(xiàn)。

波形信號的幅度由DAC0832的參考電壓VREF來決定，為了確保VREF的大小可變，本系統(tǒng)使用到了芯片PCF8591，將PCF8591芯片的模擬電壓輸出端接在DAC0832的VREF上，通過改變PCF8591模擬電壓輸出值便可改變VREF值，從而改變波形信號的幅度值。而PCF8591的模擬電壓輸出值則是尤其I2C總行上的數(shù)據(jù)所決定，利用單片機(jī)的I/O口模擬I2C與PCF8591進(jìn)行通信，那么單片機(jī)便可通過I/O口控制VREF電壓的變化，從而控制波形的幅度變化。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）晶振電路設(shè)計

單片機(jī)穩(wěn)定工作則需要穩(wěn)定的時鐘信號，而時鐘信號則是由晶振電路產(chǎn)生，因此晶振電路設(shè)計的好壞直接影響到最小系統(tǒng)的穩(wěn)定性。單片機(jī)的18腳和19腳為晶振連接輸入腳，將晶振X1的兩端連接到單片機(jī)18和19腳之后便會產(chǎn)生時鐘信號，此時的信號會存在不穩(wěn)定的問題，需要在晶振Y1的兩端分別外接一個22PF電容C1、C2到GND，該電容為晶振的匹配電容，晶振匹配了電容之后，那么產(chǎn)生的時鐘信號就比較穩(wěn)定。出現(xiàn)的頻偏也是在20PPM的范圍內(nèi)。這樣才能確保系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定可靠。

（2）復(fù)位電路設(shè)計

最小系統(tǒng)除了晶振電路之外，還需要具備復(fù)位電路，單片機(jī)上電后，啟動的時候，需要復(fù)位電路先進(jìn)行復(fù)位，確保系統(tǒng)運(yùn)行的起始地址一致 ，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，復(fù)位是利用電容C3與R1來實現(xiàn)的。

（3）波形幅度調(diào)節(jié)電路設(shè)計

為改變系統(tǒng)輸出的波形幅度值，本系統(tǒng)使用到了PCF8591芯片，該芯片是一個8位CMOS數(shù)據(jù)采集器，該芯片可以將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過I2C數(shù)據(jù)總線將該數(shù)字信號發(fā)送給單片機(jī)；也可以反過來，單片機(jī)通過I2C總線將數(shù)字信號發(fā)送給PCF8591芯片，再由該芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，變成模擬電壓再由AOUT腳輸出。利用這一原理，本系統(tǒng)為了調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的幅度值，將單片機(jī)P2.0和P2.1模擬I2C與PCF8591通信，這樣單片機(jī)便可以控制PCF8591的AOUT輸出端模擬電壓的大小，再將其接入到DAC0832的VREF腳上，便可以控制波形的幅度。

（4）數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

信號發(fā)生器產(chǎn)生各種波形信號使用到了DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，該芯片內(nèi)部集成了一個8位D/A轉(zhuǎn)換器，一個8為DAC寄存器，一個8位輸入寄存器以及一個控制電路，其內(nèi)部采用的是倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，將該數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片與運(yùn)算放大器LM358一起使用，便可以使運(yùn)放輸出端有28 =256個電壓值輸出。在不同時間內(nèi)變換輸出不同的電壓值，使其產(chǎn)生周期性的變化便能形成相應(yīng)的波形信號。

（5）按鍵中斷控制電路設(shè)計

基于單片機(jī)的信號發(fā)生器要求輸出方波、三角波、鋸齒波以及正弦波信號，信號的幅度和頻率可調(diào)，用戶可通過系統(tǒng)按鍵來對信號發(fā)生器進(jìn)行設(shè)置。在系統(tǒng)中，設(shè)計了8個按鍵，其功能分別為100HZ頻率加按鍵、1hz頻率加按鍵、-1hz頻率減按鍵、1V電壓幅度加按鍵、0.1V電壓幅度加按鍵、-0.1V電壓幅度減按鍵、波形切換按鍵、掃頻開關(guān)按鍵。為了方便系統(tǒng)設(shè)計，采用獨立按鍵設(shè)計方法，利用單片機(jī)P1口將各按鍵連接，通過軟件將P1口設(shè)置成上拉狀態(tài)。當(dāng)沒有按鍵按下時，單片機(jī)P1口中的所有I/O口檢測的到時高電平；當(dāng)有按鍵按下時，則該按鍵對應(yīng)單片機(jī)的I/O口會被拉低，變成低電平。單片機(jī)便能檢測到，從而調(diào)用該按鍵程序執(zhí)行相應(yīng)的功能。

（6）電源電路設(shè)計

本系統(tǒng)電路設(shè)計是在Proteus仿真軟件上設(shè)計，該仿真軟件有各種電源，可直接調(diào)用。無需使用電壓轉(zhuǎn)換芯片。在本系統(tǒng)單片機(jī)使用5V電壓供電，而為了使輸出波形幅度為10V，則PCF8591采用10V電壓供電，而運(yùn)算放大器采用±15V供電，直接從仿真軟件上取電源即可。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

完成proteus軟件電路圖設(shè)計之后，接下來需要對單片機(jī)編寫驅(qū)動程序，系統(tǒng)驅(qū)動程序的編寫是在keil軟件平臺上完成的，Keil軟件打開后，要先建立工程，然后在工程當(dāng)中建立一個.c文件，在此文件中編寫代碼驅(qū)動程序：

（1）系統(tǒng)主程序設(shè)計

主程序是軟件系統(tǒng)中最為重要的程序，因為系統(tǒng)程序是由各個子程序所構(gòu)成，而子程序的調(diào)用全部是在主程序中來實現(xiàn)的，主程序設(shè)計的好壞直接能影響到系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)，影響到系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)開始運(yùn)行后，先會執(zhí)行主程序，在主程序中對單片機(jī)及其外圍元件進(jìn)行初始化設(shè)置，完成初始化設(shè)置之后，系統(tǒng)就會執(zhí)行正弦波程序，讓信號發(fā)生器輸出正弦波信號，然后再去檢測是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，系統(tǒng)檢測到后，便會執(zhí)行相應(yīng)按鍵的程序，從而改變信號發(fā)生器輸出的波形。如果沒有按鍵產(chǎn)生，則系統(tǒng)繼續(xù)保持當(dāng)前波形輸出，然后再繼續(xù)去訪問是否有按鍵按下，如此循環(huán)下去。

（2）按鍵掃描程序設(shè)計

本系統(tǒng)是通過按鍵來改變信號發(fā)生器的波形，系統(tǒng)一共有八個按鍵，按下不同按鍵時，系統(tǒng)需要輸出不同的波形。定義按鍵6為波形切換按鍵，按鍵0為100HZ頻率增加按鍵，按鍵1為1HZ頻率增加按鍵，按鍵2為1HZ頻率減按鍵，按鍵3位1V幅度增加按鍵，按鍵4為0.1V幅度增加按鍵，按鍵5為0.1V幅度減小按鍵，按鍵7位掃頻按鍵，flang為標(biāo)志位，用于判斷按鍵6按下的次數(shù)當(dāng)flang為1是默認(rèn)輸出正弦波；當(dāng)flang為2時，輸出三角波；當(dāng)flang為3時輸出鋸齒波；當(dāng)flang為4時，輸出方波；當(dāng)flang為5時，則會令flang=1，輸出正弦波。

因此，當(dāng)有按鍵按下時，系統(tǒng)調(diào)用按鍵程序會去判斷是哪個按鍵按下，如果是按鍵6按下，表示需要切換信號發(fā)生器的輸出波形，令flang 1，然后判斷flang的值，再輸出相應(yīng)的波形信號。當(dāng)是0按鍵按下時，則系統(tǒng)會在原有的波形上，改變其輸出頻率，使頻率增加100HZ；當(dāng)按下的是1按鍵，則將頻率增加1HZ；當(dāng)2按鍵按下，則將頻率減小1HZ；當(dāng)按鍵3按下時，表示要在原有波形的基礎(chǔ)上增加1V的波形幅度；當(dāng)4按鍵按下，則幅度增加0.1V；當(dāng)5按鍵按下，則幅度減小0.1V；當(dāng)7按鍵按下，則進(jìn)行掃頻。當(dāng)執(zhí)行完按鍵程序后，返回系統(tǒng)主程序。

二、信號發(fā)生器的設(shè)計要求有哪些

基于單片機(jī)設(shè)計的信號發(fā)生器屬于簡易信號發(fā)生器，主要能產(chǎn)生方波、三角波和正弦波并進(jìn)行仿真，這類信號發(fā)生器設(shè)計好后，應(yīng)滿足以下要求：

1、基本性能指標(biāo)要求

（1）頻率范圍：100Hz~1kHz。

（2）輸出電壓：方波 Up-p≤24V，三角波 Up-p=6V，正弦波 Up-p>1V。

2、擴(kuò)展性能指標(biāo)要求

頻率范圍分段設(shè)置10Hz~100Hz，100Hz~1kHz，1kHz~10kHz；波形特性方波t r<30us（1kHz，最大輸出時），三角波r△<2%，正弦波r～<5%。