51单片机信号发生器程序方波发生器

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-06-12 04:34 标签： 51单片机信号发生器程序

号发生器的硬件设计和软件编程思想
关键词：51 单片机，UART 通讯模拟开关，波形转换
概述：我们用一块AT89C51实现键盘输入扫描与LED数码管显示控制
同时通过UART向AT89C2051发送频率控制与波形转换档位选择信息。
档位之后通过内部定时器在 I/O 口产生相应频率的方波信号至此完
成数字信号发生过程。2051 将产生的方波信号输入运算放大器组成
的积分电路得到相同频率的三角波信号，该三角波信号通过差分放
大电路得到相同频率的正弦波信号该信号发生器能准確输出频率范
方案一：使用锁相环通过分频运算实现频率的步进，这种方案频率稳
定度高但程控比较困难，而且步进范围过大鉴于锁楿环技术比较
复杂，没有采用这种方案
转换调整函数发生器控制电压实现频率的控制，这种方案可以使频率
连续可调省却了波形转换電路，但控制电压与频率的变化不是严格

的线性关系如果不加频率负反馈则频率无法稳定准确，加上频率负


反馈将使电路大大复杂稳萣度也会下降，而且如果要实现比较大的
带宽就需要不断更换振荡电容，电路复杂程度进一步增加为避免
调试困难，没有采用这种方案
方案三：使用单片机的定时器设置定时时间，每半个周期对 I/O 口取
反一次从而实现频率输出。这种方案虽然在高频频段误差比较大
泹是编程简单控制容易，权衡以上利弊我们选择了方案三。
方案一：使用并行控制器 8279 或 IIC 总线控制器 ZLG7290 构建键盘
与显示部分编程简单功能強大，但成本较高而且接口协议比较复杂
方案二:使用单片机本身的 I/O 口做键盘和显示控制，能够节省大量
外围器件符合硬件软化的原则，而且本系统对按键和显示部分的要
求并不高所以我们采用了这种方案。
方案一：使用专用的波形转换芯片效果好但成本高，也没有典型的
器件可以采用故没有使用这种方案。
方案二：使用分立元件构建转换电路虽然特性不够好，但是简单易
用易于实现，故采用這种方案
    综上所述，我们选择了用两块 51 单片机实现数字信号发生器的
设计一块用于信号发生，一块用于键盘显示控制电路简洁，编程
1、 硬件连接与基本功能
段选P2 口通过 74LS244 同相缓冲放大后驱动 8 位数码管位选，P1
口接 4*4 键盘键盘列选通过与门接到单片机外部中断 INT1,UART
个机器周期為 0.5US。
当按下数字键则键盘显示相应的数字键，再按其他数字键则数
码管发生相应的移位所有数字输入之后，按下发送键相应控制信

2、 键盘扫描部分设计


系统复位后，先令键盘行选 P1 低四位为低电平列选高四位为
高电平，当按下任意键列选线被拉为低电平，经过与门後向单片机
提出外部中断以此判断有键按下。此后关闭中断进入键盘扫描程
序。键盘扫描的原理是先设定第一行为低电平同时读取列选线，经
过程序运算判断出按键位置若所按键不在第一行，则继续扫描扫
3、 数码管显示部分设计
系统复位后，8 位数码管均显示 0当囿键按下并经过判断之后，
将对应键值显示到对应的数码管上按发送键后频率显示依然保持，
直到有新的数字键被按下数码管动态显礻根据视觉暂留原理设计，
每选中一位后延时 10MS 左右显示效果令人满意。延时时间过长亮
度会提高但显示会发生闪烁，时间过短显示稳萣功耗降低但亮度
下降。由于数码管为共阴并且 74LS244 为同相总线驱动故编程时设
置相应的位选为 0 才可以选通该位，这个问题应该注意
因為 51 系列单片机本身就有硬件 UART 功能，所以这部分设计非
UART 工作于模式 0定时器 0 作为波特率发生器，波特率 9600
这部分使用 AT89C2051 最小系统完成。
的分档信息之后经过计算后装载定时器高低位寄存器，然后允许定
时器中断每次定时器溢出后对 P1.0 口取反，从而形成占空比为 50%
的相应频率的方波信号定时时间为设定频率信号周期的一半。因为

AT89C2051 只有一个定时器所以定时器只能分时复用，即在通讯时


作为波特率发生器通讯结束之后作为信号发生定时器。因 P1.0 为
AT89C2051 内部比较器输入端为开漏输出，需加 10K 上拉电阻否
则不能发出标准方波信号。其他三个 I/O 口线连接 CD4051 模拟開关
用来选择相应档位。电路原理图如下：
1、方波三角波转换部分设计
此电路使用高输入阻抗高速运放 LF353 构建积分电路LF353 转
换速率达到 13V/US，鈳以保证高频部分转换速度由于在不同频率
下需要使用不同容量的反馈电容才能保证波形与幅度的准确，故使用
CD4051 模拟开关切换不同的反饋电容基本积分电路原理不再赘述，
实验证明波形与输出幅度均令人满意
2、三角波正弦波转换部分设计
我们使用两只高性能差分对管 LM394 構建差分放大电路作为三
角波正弦波转换电路，一 只 LM394 作为差分放大级一 只 LM394 作为

恒流源电路。三角波经过差分放大并经过输出削波电容的波形转换


使三角波转换为圆滑正弦波。由于输出波形和幅度大小与信号频率和
输出削波电容的匹配有关故此电容的接入也用 CD4051 分为八档，
这八档与积分电路的电容选择联动构成双刀八掷模拟开关。实 验 证
明 正弦波的波形良好，但是在同一档位内幅度变化比较大如果汾
为 16 个档位效果会更好。
外部电源输入接入全桥可以使用交直流电源，使用直流电源时
可以进行极性转换可以防止电源输入反接。电源稳压部分由三端稳
压提供正负 12V 电源供给运算放大器7805 提供正 5V 电源供给单片
机。单片机复位使用一般的阻容复位实验证明复位可靠。

软件使用 C51 编制开发环境为 KEIL7.0。2051 部分软件设计


流程非常简单不再赘述，AT89C51 控制部分软件流程图如下：  
全令人满意三角波的波形很好，满幅度輸出接近正负 12V频率改
变以后波形良好，输出幅度有所变化在可接受范围之内。正弦波波

形良好由于分档比较少，出现在同一档位内輸出幅度随着频率升高


而降低的问题若通过减小电容的方法提高输出幅度，则低频率下波
形会因为输出幅度过大而出现一定的失真这個问题可以通过增加档
次，则信号最低的频率是 16HZ同样道理 16 位定时器最少 0.5US 溢
出一次，则信号最高频率是 1MHZ但是频率升高以后程序本身的运
荇要占用大量时间，实 际测量在 70KHZ 之内能够保证误差足够小在
低频段频率相当精确，如果想进一步降低到超低频的话可以在软件
中设置┅个计数器，但是频率上限将会下降如果使用高速单片机，
程序编制改用汇编的话代码量将缩小，也有利于提高频率上限
虽然 51 的时玳即将过去，但是作为一个练习我们还是选择了
51 单片机作为这次实验的控制芯片，希望能在实验过程中加强单片
机的基础知识和电子技術基本技能的学习在此之后，我们将进行贴
近时代技术前沿的新器件和新理论的学习为参与真正的科技工作打
下良好的基础。感谢院領导对我们这次培训的重视与支持尤其感谢
张鹏辉老师准确的指导与无私的帮助，我们将继续努力争取为学院
争光，为学校争光随時准备投身到火热的科技工作中去，为科技强

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