老规矩，先看图：设计报告节选——波形发生器

设计报告摘录如下：

前言

随着电子测量技术与计算机技术的紧密结合，一种新型的信号发生器——波形发生器应运而生。 所谓波形发生器是一种能够产生大量标准信号和用户自定义信号并保证高精度、高稳定性、重复性和操作简便的电子仪器。 单片机作为微型计算机的一个重要分支，有着广泛的应用领域。 本文介绍一种低频信号源，它使用89C51单片机和数模转换器件来产生所需的不同信号。 信号幅度和频率可以根据需要进行控制。 本设计的核心任务是：以核心为核心，结合D/A转换器等器件，利用仿真软件设计硬件电路，利用汇编语言编写驱动程序实现程序控制产生正弦波、三角波波、方波和三种常用的低频信号。 可以通过按键选择波形并输入任意频率值。

关键词：单片机； 信号发生器；

第一章简介

1.1 波形发生器简介

用于产生各种测试信号的仪器称为信号发生器或简称为信号源。 可作为各种模拟信号或激励信号，广泛应用于各种整机、系统、部件、部件的测试。 例如，使用信号源产生一定的调制信号并输入到接收机，测试接收机性能； 我们去给客户演示力科示波器的时候，经常会带一些信号源，比如力科的任意波形发生器，用来产生一些特殊的信号，方便演示示波器的各种功能。

信号源有多种类型。 从产生信号的特性来看，有正弦信号发生器、函数发生器、任意波形发生器等。

正弦信号对于线性系统频域分析的重要性使得正弦信号发生器得到广泛应用。 用户对此类信号源的要求通常包括宽频率范围、高频率精度和稳定性、高频谱纯度和低相位噪声。 例如，通信系统测试中所需的正弦信号发生器一般要求频率可以扩展到射频频段并具有各种调制功能。 正弦信号发生器的实现原理一般是锁相技术和频率合成技术。

函数发生器是能够产生正弦波、方波、三角波等信号的信号源。 传统的函数发生器使用恒流源对电容器进行充电和放电，电容器两端的电压是三角波。 如果将三角波馈送到比较器，则可以生成方波。 三角波还可以通过波形整形电路产生正弦波。 通过改变电流和电容的大小，可以调节信号频率。 此类信号源一般输出频率较低，频率精度较低，稳定性较低。 随着数字技术的发展。 函数发生器的实现也逐渐从模拟演变为数字。 比如后面要介绍的DDS技术用来产生信号，这也使得函数发生器逐渐融合到任意波形发生器中。

正弦信号发生器和函数发生器都只能产生规则信号。 生成不规则信号需要任意波形发生器（AWG）的帮助。 AWG的基本设计思想是截取要再现的信号波形的一个周期，均匀采样，并存储在存储器中。 存储器中的波形数据依次读出，经过DAC转换，然后滤波，得到需要的波形。 AWG和数字存储示波器原则上可以认为是一个相互的过程。 数字存储示波器通过ADC将模拟波形数字化，AWG通过DAC将数字化波形数据转换为模拟波形。 两种类型的仪器都遵循这样的规律：可测量/输出的最高频率分量不超过 ADC/DAC 采样率的一半。 您可以使用力科示波器采集波形并将其保存为文件。 将波形文件导入力科任意波形发生器，恢复模拟波形。 在实际应用中，AWG所使用的波形数据并非都是通过真实采样获得的，通常是通过软件辅助生成的。

以单片机为核心设计了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的结合，可以输出自定义波形，如正弦波、方波、三角波等任意波形。 波形的频率和幅度可以在一定范围内任意改变。 介绍了波形产生原理、硬件电路和软件设计原理。 介绍了单片机控制D/A转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程，D/A转换器的原理和使用方法，以及与设计电路相关的各种芯片，以及产生不同低频信号的信号源。 计划。 该信号发生器具有体积小、价格低、性能稳定、功能齐全的优点。

1.2 微控制器简介

单片机是微型计算机的一个重要分支，也是一种重要的机型。 单片机，简称单片机，特别适用于控制领域，故又称微控制器。

通常，单片机由单个集成电路芯片组成，它包含计算机的基本功能部件：中央处理单元、存储器和I/O接口电路。 因此，单片机只需与适当的软件和外部设备相结合，就成为单片机控制系统。

单片机经过第一代、第二代、第三代的发展，目前正在向高性能、多品种方向发展。 它们的CPU功能越来越多，内部资源越来越多，引脚多功能化，并且低电压、低功耗。 。

1.2.1 D/A转换器

它是双列直插8 位D/A 转换器。 它可以完成数字输入到模拟（电流）输出的转换。 其主要参数如下：分辨率为8位，转换时间为1μs，满量程误差为±1LSB，参考电压（+10/跨度>-10）V，电源为（+5~+15）V，逻辑电压平坦输入与 TTL 兼容。 里面有两层锁存器。 第一级锁存器称为输入寄存器，其锁存允许信号为ILE。 第二级锁存器称为DAC寄存器，其锁存信号也称为通道控制。 信号/XFER。

1.3 设计意义

我国波形发生器的研制虽然起步较晚，但通过几年的努力，已经取得了一些可喜的成果。 国产数字合成信号发生器可通过双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围为1μHz-60MHz。 国产S1000数字合成扫频信号发生器，频率范围为1MHz-，可用于超高频领域。 但总的来说，这些设计的产品价格昂贵，主要应用于航空、军事等高端领域。 他们在日常民用方面还没有形成自己真正的产业。 目前国内成熟产品大多包含一些PC仪器插卡，独立仪器很少。 而且，目前我国任意波形发生器的种类和性能与国外相比还存在较大差距，因此国产产品的研究和设计仍然具有重要意义。

1.4 设计内容

本设计的任务是利用新一代高性能数字芯片设计一款使用方便、性能良好的独立波形发生器。 波形发生器系统由51单片机控制，芯片进行D/A转换。 本设计实现的基本功能如下：

(1) 可产生正弦波、三角波、锯齿波、方波四种波形。

(2) 扩展键盘模块用于设置波形类型、频率和峰峰值。

(3)扩展显示输出模块显示当前输出波形的类型、频率和峰值信息。 本文主要讨论波形发生器设计方案的选择、系统硬件电路设计问题、单片机软件和常用波形发生软件编写问题以及本设计中主要芯片的介绍。 此外，本文还对本设计中使用的两种设计方案（可编程波形发生器设计和基于硬件的波形发生器设计）的特点进行了比较和说明，并阐述了两种设计的应用前景。

第二章方案比较、设计与论证

2.1 单片机解决方案

采用标准微控制器作为控制器； 波形选择通过按钮选择，波形通过。 根据上述系统框架设计，占用单片机端口资源较少。 该系统具有电路简单、设计方便、显示亮度高、可靠性高等特点。

2.2 D/A转换器接线方法

采用直通接线； 这种接线方式接线简单，易于编程。

第三章系统设计

3.1 系统总体设计

3.1.1 系统流程图

3.1.2 系统框图

本系统采用单片机作为数据处理和控制的核心。 单片机完成人机界面、系统控制、信号采集与分析、信号处理与转换。 它使用按键输入并使用虚拟示波器来显示波形。 将设计任务分解为按钮电路、输出转换电路等模块。 图3-2是系统总体框图。

图3-2 整体框图

3.2 硬件实现及单元电路设计

3.2.1 最小单片机系统设计

主要硬件电路及器件介绍

1.80C51单片机

图3：8051引脚图 80C51单片机按功能划分，由8个部分组成：微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、四个I/O口（P0口）、 P1端口、P2端口、P3端口）、串行端口、定时器/计数器、中断系统和特殊功能寄存器（SFR）[1]。 各功能部件介绍： （1）数据存储器（RAM）：片内为128字节单元，片外可扩展至64K字节。 用于存储数据的，我们称之为片内数据存储器。

(2) 程序存储器(ROM/EPROM)：片内ROM为4K，片外可扩展至64K字节。 (3)中断系统：具有5级中断、2级中断优先级的中断系统。 (4) 定时器/计数器：2个16位定时器/计数器，四种工作模式。 (5)串口：全双工串行通信接口，有四种工作模式。 (6) 共有21个特殊功能寄存器(SFR)，每个寄存器占用1个存储单元。 (7)微处理器：8位CPU。 它内部有一个8位CPU（位处理器），不仅可以处理字节数据，还可以处理位变量。 还有四个 8 位双向并行输入/输出 (I/O) 端口，每个端口有 8 个引线、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。 这四个端口的功能并不相同。 P0口既可用作通用I/O口，又可用作地址/数据总线； P1口为准双向并行口，用作通用并行I/O口； 端口 P2 除了用作通用 I/O 外，还可以使用。 ，也可作为CPU访问外部存储器时的高八位地址线； P3口是一个多功能口，不仅具有准双向I/O功能，还具有第二功能。 控制引脚介绍： （1）电源：单片机采用5V电源，其中40脚接电源正极，20脚接地。 (2) 时钟引脚XTAL1和XTAL2连接外部晶振和片内反相放大器组成振荡器，产生片内CPU时钟控制信号。

该引脚还可以连接到外部晶体振荡器。 (3)RST：时钟电路开始工作时，该引脚高电平持续24个时钟周期以上，可以使单片机复位。 另外，我们在该引脚与VCC之间连接了一个24兆欧的下拉电阻，在外部电路之间连接了两个36微法的电容，以保证有效的复位。 当单片机正常工作时，该引脚应为≤0.5V低电平。 （4）ALE：访问外部程序存储器时，ALE（地址锁存使能）输出脉冲用于16位地址低8位的锁存信号，使P0口实现地址/数据复用。 当外部锁存器未被访问时，ALE端子将输出时钟频率为1/6的正脉冲信号，大约是时钟振荡器的1/6。 但每当访问外部数据存储器时，ALE在两个机器周期内只出现一次，即ALE跳过一个脉冲。 因此，严格来说，用户不能使用ALE作为时钟源或定时。 ALE端可驱动8个TTL负载（5）/PSEN（引脚29）：该引脚是微控制器访问片外ROM存储器的读选通信号。 在执行访问片外ROM的MOVC指令期间，每个机器周期在PSEN上产生一个负脉冲，用于选通片外ROM数据存储器。 两个有效的/PSEN 信号不出现。 在其他情况下，/PSEN线处于高电平阻塞状态。 （6）/EA/VPP（引脚31）：当EA端保持高电平且程序地址小于4KB时，读取内部存储器指令，但当PC值超过4KB程序地址时，则读取外部存储器中的程序。内存被执行； 当/EA保持低电平时，无论地址大小如何，都只访问外部程序存储器，并且总是读取外部程序存储器指令[2]。

2. 89C51 系统设计 89C51 单片机是波形发生器的核心，具有2 个定时器、32 个并行I/O 端口、1 个串行I/O 端口和5 个中断源[4]。 由于本设计功能简单、数据处理方便、数据存储空间充足，因此控制端产生写入信号并通过示波器和显示器显示相应的信息。 单片机的引脚分布如下： RST：用于复位电路； XTAL1、XTAL2：外部晶振，产生时钟信号； 3、时钟电路 单片机的时钟信号通常有两种电路形式获得：内部振荡和外部振荡。 XTAL1 和 XTAL2 引脚连接外部晶振，形成内部振荡模式。 由于单片机内部有高增益反相放大器，当外接晶振时，形成自激振荡，产生振荡时钟脉冲。 晶体振荡器通常使用6MHZ、12MHZ或24MHZ。 我们选择12MHZ，晶振连接到引脚XTAL1和秒，因此命令时间必须加上延迟时间才能获得较大的频率波形。

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