摘要：本设计是基于单片机at89s52和dac0832数模转换器组成的波形发生器。正弦波，三角波，方波的产生是通过单片机编程实现。通过按键选择波形的输出以及控制波形的频率和幅值输出，同时采用液晶lcd1602实时显示波形频率和幅值。输出电压幅值范围为0-5v。以单片机核心控制电路，键盘电路，数模转换电路，液晶显示电路，倍频电路等来实现多个教学用波形发生器的设计。
关键字：单片机；波发生器；数模转换；频率；幅值
波形发生器是一种常用的信号源，常包括有音频信号发生器，函数发生器，脉冲发生器，射频信号发生器，任意波形发生器等，在科学研究，生产实践中都有重大的应用[1]。传统设计波形发生器主要是通过硬件电路搭接形成的，这种设计存在波形不稳定，控制比较难而且电路比较复杂，体积大，功耗大等缺点。随着信息技术的发展，科学技术的研究以及仪器的智能化，都给我们带来方便。本设计是采用单片机来产生几种不同的波形，集成度高，体积小，低功耗，性价比高[2]。在一些设计研究中通常需要一种有特殊要求的信号来作为测试的信号源，比如能产生正弦波，三角波，方波等信号的波形，并能实现幅值和频率的可调[3]。这样的设计更接近智能化，也是市场的需求所在，主要运用于教学用的多个波形发生器，具体见图1。
图1 多个教学用波形发生器
1、总体设计思路
本设计主要以at89s52单片机为控制核心，由单片机编程产生三种波形的程序，p0口向dac0832送信号值， lm324运放实现了把dac0832的输出电流值转换成对应的电压值，这样可以输出不同的波形。通过p1口的按键来选择三种波形的输出，以及频率和幅值的增加与减少，同时在lcd上实时显示波形幅值和频率。为了实现信号的高频率输出，采用倍频电路来提高频率。
硬件需求：
（1）万用表：主要用来检测制作的pcb板有没有断路，短路，电子元件是否连接完好。
（2）所选元件：at89s52单片机，液晶显示屏。
（3）烧写器：主要用来把完成的软件程序烧写到89s52单片机上。
（4）pc机：用来安装keilc51编译器，protel 99 se，proteus 7 professional软件和连接烧写器系统运行需求：
本系统需要+5v和+12v，-12v稳压电源。其中单片机工作的电压在+5v，而运放lm324芯片的工作电压为+12v，-12v。所以需要设计的直流稳压电源板能产生5v，+12v，-12v的电压。
设计功能要求：
以单片机at89s52单片机为控制核心，通过dac0832把数字量转换成模拟量， lm324运放实现了把dac0832的输出电流转换成电压，这样产生不同的波形。通过p1口所接的按键来选择三种波形的输出，以及频率和幅值的增加与减少，同时在lcd上实时显示波形幅值和频率，通过倍频电路提高频率。
设计应解决的问题：
在设计的过程必须解决的几个问题：软件仿真实现功能，程序编写能正常运行和实现，如何提高频率的硬件设计，硬件pcb板的制图，pcb板的制作，电路板的焊接，元器件的连线，液晶显示屏的正确显示，最终实现波形的产生以及频率和幅值的可调。
2、硬件电路各个模块设计
2.1电源电路设计
本设计的电源电路需要稳定的直流电源供电。电源电路的设计思路是电压输入------电源变压器------整流电路------滤波电路-------稳压电路-----稳压电压输出。稳压电路采用了7805，7812，7905和7912稳压器件，通过稳压器件分别把输入进来的电压稳定在5v左右和12v左右，再将其输出。
2.2晶振电路设计
单片机的时钟产生方法有内部时钟方式和外部时钟方式两种。本设计是采用内部时钟方式，利用芯片内部振荡电路，在xtal1，xtal2的引脚上外接定时元件，内部振荡器能产生自激振荡。定时元件采用石英晶体和电容组成的关联谐振电路。
注意的地方：在设计印制板时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，保证振荡器可靠工作，单片机能正常工作。
2.3键盘电路设计
本课题设计的键盘电路采用独立式按键接口。独立式按键是指直接采用一根i/o口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占用有一根i/o接线，每一根i/o接口线上的按键的工作方式不会影响其他i/o接口线的工作状态。采用查询方式的按键接口电路，通常按键输入都采用低电平有效，上拉电阻保证按键断开时，i/o接口线上有确定的高电平。独立式按键电路。需要接非门芯片74ls04和或门芯片cd4078主要的作用是实现外部中断扩展。
2.4数/模转换电路设计
数/模转换器的类型很多，目前在集成化的数模转换器中经常使用的是r-2r试t型解码网络和mos或ttl型电流开关结构。
d/a转换器能够将数字量转换成模拟量。每一个数字量都是二进制的代码按位的组合，每一位数字代码都有一定的“权”，对应一定大小的模拟量。为了将数字量转换成模拟量，应将其每一位都转换成相应的模拟量，然后求和即得到与数字量成正比的模拟量。
d/a转换器的输出方式有两种：单极性，双极性。本设计采用的是单极性输出方式。只有一路的模拟量输出，输入数据在控制信号的作用下直接打入dac寄存器，并由d/a转换成输出电压。工作原理：dac0832与反相比例放大器相连，实现电流到电压的转换，模拟信号极性与参考电压的极性相反，数字量与模拟量的转换关系为：vout1=-vref x
本设计单片机与dac032是单缓冲直通型的连接方式。p0口送给dac0832数量值，通过运放lm324将电流转换成电压，最后实现数字量转换成模拟量，波形的输出。
3、硬件功能调试
最难的软硬件结合调试。当第一次调试液晶的时候，并不能显示数据，后来发现控制液晶的三个使能端接反。当调试按键时候，发现按键并没有反应，通过一步一步检测，判断电压，终于找出问题所在，是线路影响造成无法进入中断，也就无法执行中断程序。
3.1数模转换电路调试
单片机输出的数据i/o口是p0，接上dac0832的8位数据口。判断da模块是否完好，首先判断单片机的数据口是否有电压值送出，接着从da的输出口用电压表检测是否有电压值的变化。如果没有，先检查da模块的使能端引脚是否连接的正确。
3.2按键电路调试
按键的设计之前采用的方案是接p1口只通过一级反相器，接到外部中断的p3.2通过两级反相器。解决的方案是在通过一级反相器后加一个或门
进行判断是哪一路输出，p3.2只确定是哪一路的输出，这样就可用正常执行程序。
3.3液晶显示调试
液晶调试的过程中，当程序烧写进去，发现并没有显示程序中设定的数值和字符。先查看是否rs，rw，e 这三个引脚定义与实际电路连接是否对应，通过线路的检查发现接反。碰到的问题还有发现显示的字符看的不是很清晰，需要用滑动变阻器修改液晶的电阻值，从而能让液晶正常显示。
3.4频率和幅度的调试
由于单片机的处理速度有限，采用定时来改变频率，会造成频率无法达到预期的频率。所以刚开始调试频率时，发现液晶显示的频率与实际波形输出的频率有存在差距。找出最基本的原因是由于单片机本身局限。所以后面采用倍频电路，适当的提高的频率。波形的幅值基本上是按照原先设定好的值进行改变。
4、结束语
通过以上硬件和软件设计基本上可以实现功能，但是由于单片机的处理速度有限，并不能完全实现高频率，这也是本设计的一个缺陷。唯一可以弥补的是采用倍频电路来提高频率。本设计设计简单，容易实现，性价比比较高，已经可以完美适用于教学用的相关波形发生装置，满足论文设计要求。
参考文献
[1]褶皱管束流能量稳定器(英文)[J].张猛,李烜,邓海啸,顾强.强激光与粒子束. 2014(01) .
[2]用飞行时间法测定回旋加速器束流能量[J].肖根来,归寿造,田家祺,刘静怡,石双惠.核技术. 2015(09).
[3]低能加速器质子束流性质的测量[J].王硕,李阔昂,许世伟,马少波,唐晓东,何建军,张宁涛,苏俊,谌阳平,陈涵,陈治均,裴常进,朱昊,张子睿,张乃波,王守宇. 原子核物理评论. 2017(03).
论文作者:高茜,张宇,王静
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：波形论文; 电路论文; 单片机论文; 频率论文; 电压论文; 按键论文; 发生器论文; 《基层建设》2019年第2期论文;