基于单片机的信号发生器设计方案 信号发生器的设计要求有哪些

一、基于单片机的信号发生器设计方案

信号发生器用于调节射频匹配电路，可以自行设计，一般普通的信号发生器需要输出正弦波、方波、三角波以及锯齿波等信号，可通过按键调节信号的频率以及信号的幅度，其具体的设计方案如下：

1、总体方案设计

信号发生器发送出去的是模拟信号，而单片机输出的是数字信号，因此在设计信号发生器系统时，需要使用到数模转换芯片，可选择数模转换芯片DAC0832，然后再利用运算放大器将DAC0832输出的电流信号转换成电压信号。这样信号发生器便输出了模拟电压。系统要输出各种波形信号，则要求DAC0832在运放的作用下，在不同时间点输出不同的电压值，再将这些电压值连接起来，便构成了相应的波形信号。而要得到不同的电压值，则单片机需要将8位I/O口接到DAC0832芯片的8位数据信号输入端，单片机通过改变8位I/O口的数字信号，便可以在DAC0832以及运放的作用下，得到不同的电压值，再在时间的作用下形成不同的波形信号。波形信号频率的的变化可通过改变单片机8位I/O输出口的数据变化率来实现。

波形信号的幅度由DAC0832的参考电压VREF来决定，为了确保VREF的大小可变，本系统使用到了芯片PCF8591，将PCF8591芯片的模拟电压输出端接在DAC0832的VREF上，通过改变PCF8591模拟电压输出值便可改变VREF值，从而改变波形信号的幅度值。而PCF8591的模拟电压输出值则是尤其I2C总行上的数据所决定，利用单片机的I/O口模拟I2C与PCF8591进行通信，那么单片机便可通过I/O口控制VREF电压的变化，从而控制波形的幅度变化。

2、系统硬件设计

（1）晶振电路设计

单片机稳定工作则需要稳定的时钟信号，而时钟信号则是由晶振电路产生，因此晶振电路设计的好坏直接影响到最小系统的稳定性。单片机的18脚和19脚为晶振连接输入脚，将晶振X1的两端连接到单片机18和19脚之后便会产生时钟信号，此时的信号会存在不稳定的问题，需要在晶振Y1的两端分别外接一个22PF电容C1、C2到GND，该电容为晶振的匹配电容，晶振匹配了电容之后，那么产生的时钟信号就比较稳定。出现的频偏也是在20PPM的范围内。这样才能确保系统时钟稳定可靠。

（2）复位电路设计

最小系统除了晶振电路之外，还需要具备复位电路，单片机上电后，启动的时候，需要复位电路先进行复位，确保系统运行的起始地址一致 ，保证系统工作的稳定性，复位是利用电容C3与R1来实现的。

（3）波形幅度调节电路设计

为改变系统输出的波形幅度值，本系统使用到了PCF8591芯片，该芯片是一个8位CMOS数据采集器，该芯片可以将模拟信号转换成数字信号，再通过I2C数据总线将该数字信号发送给单片机；也可以反过来，单片机通过I2C总线将数字信号发送给PCF8591芯片，再由该芯片进行数模转换后，变成模拟电压再由AOUT脚输出。利用这一原理，本系统为了调节信号发生器的幅度值，将单片机P2.0和P2.1模拟I2C与PCF8591通信，这样单片机便可以控制PCF8591的AOUT输出端模拟电压的大小，再将其接入到DAC0832的VREF脚上，便可以控制波形的幅度。

（4）数模转换电路设计

信号发生器产生各种波形信号使用到了DAC0832数模转换芯片，该芯片内部集成了一个8位D/A转换器，一个8为DAC寄存器，一个8位输入寄存器以及一个控制电路，其内部采用的是倒T型R-2R电阻网络，将该数模转换芯片与运算放大器LM358一起使用，便可以使运放输出端有28 =256个电压值输出。在不同时间内变换输出不同的电压值，使其产生周期性的变化便能形成相应的波形信号。

（5）按键中断控制电路设计

基于单片机的信号发生器要求输出方波、三角波、锯齿波以及正弦波信号，信号的幅度和频率可调，用户可通过系统按键来对信号发生器进行设置。在系统中，设计了8个按键，其功能分别为100HZ频率加按键、1hz频率加按键、-1hz频率减按键、1V电压幅度加按键、0.1V电压幅度加按键、-0.1V电压幅度减按键、波形切换按键、扫频开关按键。为了方便系统设计，采用独立按键设计方法，利用单片机P1口将各按键连接，通过软件将P1口设置成上拉状态。当没有按键按下时，单片机P1口中的所有I/O口检测的到时高电平；当有按键按下时，则该按键对应单片机的I/O口会被拉低，变成低电平。单片机便能检测到，从而调用该按键程序执行相应的功能。

（6）电源电路设计

本系统电路设计是在Proteus仿真软件上设计，该仿真软件有各种电源，可直接调用。无需使用电压转换芯片。在本系统单片机使用5V电压供电，而为了使输出波形幅度为10V，则PCF8591采用10V电压供电，而运算放大器采用±15V供电，直接从仿真软件上取电源即可。

3、系统软件设计

完成proteus软件电路图设计之后，接下来需要对单片机编写驱动程序，系统驱动程序的编写是在keil软件平台上完成的，Keil软件打开后，要先建立工程，然后在工程当中建立一个.c文件，在此文件中编写代码驱动程序：

（1）系统主程序设计

主程序是软件系统中最为重要的程序，因为系统程序是由各个子程序所构成，而子程序的调用全部是在主程序中来实现的，主程序设计的好坏直接能影响到系统的逻辑结构，影响到系统工作的稳定性。在本系统中，系统开始运行后，先会执行主程序，在主程序中对单片机及其外围元件进行初始化设置，完成初始化设置之后，系统就会执行正弦波程序，让信号发生器输出正弦波信号，然后再去检测是否有按键按下，如果有按键按下，系统检测到后，便会执行相应按键的程序，从而改变信号发生器输出的波形。如果没有按键产生，则系统继续保持当前波形输出，然后再继续去访问是否有按键按下，如此循环下去。

（2）按键扫描程序设计

本系统是通过按键来改变信号发生器的波形，系统一共有八个按键，按下不同按键时，系统需要输出不同的波形。定义按键6为波形切换按键，按键0为100HZ频率增加按键，按键1为1HZ频率增加按键，按键2为1HZ频率减按键，按键3位1V幅度增加按键，按键4为0.1V幅度增加按键，按键5为0.1V幅度减小按键，按键7位扫频按键，flang为标志位，用于判断按键6按下的次数当flang为1是默认输出正弦波；当flang为2时，输出三角波；当flang为3时输出锯齿波；当flang为4时，输出方波；当flang为5时，则会令flang=1，输出正弦波。

因此，当有按键按下时，系统调用按键程序会去判断是哪个按键按下，如果是按键6按下，表示需要切换信号发生器的输出波形，令flang+1，然后判断flang的值，再输出相应的波形信号。当是0按键按下时，则系统会在原有的波形上，改变其输出频率，使频率增加100HZ；当按下的是1按键，则将频率增加1HZ；当2按键按下，则将频率减小1HZ；当按键3按下时，表示要在原有波形的基础上增加1V的波形幅度；当4按键按下，则幅度增加0.1V；当5按键按下，则幅度减小0.1V；当7按键按下，则进行扫频。当执行完按键程序后，返回系统主程序。

二、信号发生器的设计要求有哪些

基于单片机设计的信号发生器属于简易信号发生器，主要能产生方波、三角波和正弦波并进行仿真，这类信号发生器设计好后，应满足以下要求：

1、基本性能指标要求

（1）频率范围：100Hz~1kHz。

（2）输出电压：方波 Up-p≤24V，三角波 Up-p=6V，正弦波 Up-p>1V。

2、扩展性能指标要求

频率范围分段设置10Hz~100Hz，100Hz~1kHz，1kHz~10kHz；波形特性方波t r<30us（1kHz，最大输出时），三角波r△<2%，正弦波r～<5%。