基于w78e58b的任意信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于W78E58B的任意信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在電子、通信等相關(guān)領(lǐng)域，經(jīng)常要用到各種各樣的信號(hào)發(fā)生器，因其功能單一、精度有限，已不能滿足現(xiàn)在多樣化、高精度的要求。本系統(tǒng)以單片機(jī)W78E58B為核心，輔以必要的模擬電路及上位機(jī)波形設(shè)計(jì)軟件，來設(shè)計(jì)一款任意低頻信號(hào)發(fā)生器。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)；W78E58B；

2、信號(hào)發(fā)生器 </p><p>　　電子科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得各種儀器對數(shù)據(jù)的采集功能要求更加嚴(yán)格，測量精度的要求越來越高，以往的單一功能、低精度的信號(hào)發(fā)生器已不能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的需要，本文以W78E58B單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一款任意低頻信號(hào)發(fā)生器。 </p><p>　　1 設(shè)計(jì)思想和技術(shù)指標(biāo) </p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)思想 </b>

3、</p><p>　　以W78E58B單片機(jī)為核心，輔以必要的模擬電路及上位機(jī)波形設(shè)計(jì)軟件，構(gòu)成一個(gè)任意信號(hào)發(fā)生器。下位機(jī)模塊能通過按鍵控制輸出產(chǎn)生預(yù)設(shè)正弦波，方波，三角波，矩齒波四種波形，并能顯示相應(yīng)的參數(shù)。在Visual C++語言編寫的上位機(jī)界面用戶拖動(dòng)鼠標(biāo)左鍵在圖片框繪制波形時(shí)，同時(shí)將各點(diǎn)值存儲(chǔ)下來，按波形產(chǎn)生鍵生成波形。并通過自制的示波器顯示出波形。 </p><p>　　1.2

4、 主要技術(shù)指標(biāo) </p><p>　　1) 具有多個(gè)頻道的存儲(chǔ)、掉電存儲(chǔ)斷電記憶功能；可產(chǎn)生預(yù)設(shè)正弦波，方波，三角波，矩齒波；還可產(chǎn)生用戶自己通過電腦編輯的任意波形，能存儲(chǔ)10余個(gè)手繪波形。 </p><p>　　2) 軟件上采用查表式，全部鍵盤控制方式；操作環(huán)境為屏幕英文菜單，直接點(diǎn)選。 </p><p>　　3) 參數(shù)顯示：數(shù)字化液晶屏顯示波形名，頻率，幅度，周

5、期以及倍頻值。 </p><p>　　① 設(shè)計(jì)產(chǎn)生頻率范圍：1-4000Hz。 </p><p>　?、?設(shè)計(jì)頻率輸出幅度：0.0-10.2V。 </p><p>　?、?帶100歐電阻負(fù)載輸出誤差：﹤2%。 </p><p>　　4) 能通過NH12864J-1液晶顯示器顯示實(shí)時(shí)波形。 </p><p>　　2 方案

6、設(shè)計(jì)與論證 </p><p>　　方案1：采用模擬分立元件或單片機(jī)控制函數(shù)發(fā)生器MAX8038，可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波,通過外部元件可改變輸出頻率，但產(chǎn)生的信號(hào)頻率穩(wěn)定度較差、精度低、抗干擾能力低、成本高而且靈活性較差，不能實(shí)現(xiàn)任意波形及波形運(yùn)算輸出等智能化的功能。 </p><p>　　方案2：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成器。這種方法能快速實(shí)現(xiàn)頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工

7、作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本高，難以達(dá)到較高的頻譜純度。更重要的是，這種方法只能實(shí)現(xiàn)正弦波，或者進(jìn)行積分，微分等方法實(shí)現(xiàn)方波、三角波等標(biāo)準(zhǔn)波形，而對于我們所要求的任意波形卻無法實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　方案3：用W78E58B單片機(jī)控制系統(tǒng)的波形表、頻率、幅度，通過更換波形數(shù)據(jù)可以輕松地實(shí)現(xiàn)任意波形功能，采用Flash ROM將用戶輸入波形進(jìn)

8、行硬盤式的存儲(chǔ)防止掉電，后級采用二階切比雪夫?yàn)V波電路對后階輸出波形進(jìn)行高頻濾除，輸出穩(wěn)定光滑的波形。 </p><p>　　綜合考慮各種因素，選擇方案3來進(jìn)行任意信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。 </p><p><b>　　3 整機(jī)工作原理 </b></p><p>　　電路總體方框圖（如圖1所示）。 </p><p>　　下位機(jī)模

9、塊主要完成的功能：處理鍵盤數(shù)據(jù)，生成波形表存儲(chǔ)與RAM中；控制LCD顯示；控制DAC0832進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換。能產(chǎn)生預(yù)設(shè)正弦波、方波、三角波、矩齒波四種波形，并能顯示相應(yīng)的參數(shù)。在Visual C++編寫的上位機(jī)界面用戶拖動(dòng)鼠標(biāo)左鍵在圖片框繪制波形時(shí)，同時(shí)將各點(diǎn)值存儲(chǔ)下來，按波形產(chǎn)生鍵生成波形，然后按確定通過串口傳送給單片機(jī)系統(tǒng)，通過單片機(jī)將生成的數(shù)據(jù)寫入波形存儲(chǔ)器(RAM)中，再由D/A模塊將波形合成出來，這樣就可以產(chǎn)生出所需的任意波形，

10、接到示波器上可以得到平滑穩(wěn)定的波形，同時(shí)在液晶屏OCM19264-2上顯示相應(yīng)的波形名、頻率、幅度、周期以及倍頻值。從信號(hào)發(fā)生器輸出端送入到STC12C5412AD單片機(jī)，根據(jù)奈氏抽樣原理，將連續(xù)模擬信號(hào)用沖擊信號(hào)抽樣，10位量化得到離散的數(shù)字量，存儲(chǔ)在RAM中分析，通過NH12864J-1液晶顯示器顯示出來。 </p><p>　　4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) </p><p>　　4.1 波形

11、產(chǎn)生模塊 </p><p>　　要產(chǎn)生任意波形，就不可能像普通直接數(shù)字頻率合成器那樣將要產(chǎn)生的波形預(yù)先固化在ROM中，所以波形存儲(chǔ)雙口RAM實(shí)現(xiàn)的，需存儲(chǔ)在RAM中的波形數(shù)據(jù)是由單片機(jī)采集外部數(shù)據(jù)，對E2PROM中存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行各種相應(yīng)的運(yùn)算而得到的。 </p><p>　　1) 根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，我們設(shè)計(jì)如下方案：將歸一化的正弦波、方波、三角波的5次諧波以下的波形存儲(chǔ)在8kby

12、E2PROM中，每種波形存儲(chǔ)128個(gè)字節(jié)的點(diǎn)。然后由單片機(jī)根據(jù)鍵盤輸入的不同要求，對各點(diǎn)數(shù)據(jù)乘相應(yīng)系數(shù)并疊加，再將所得到的新的128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在E2PROM中，此時(shí)我們便得到了所需要的波形數(shù)據(jù)表。 </p><p>　　2) 我們使用鍵盤輸入所需波形的一個(gè)周期內(nèi)16個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)值，單片機(jī)采集數(shù)據(jù)后，進(jìn)行線性插值，得到128個(gè)點(diǎn)的數(shù)值，送雙口RAM，產(chǎn)生所需波形數(shù)據(jù)表，其余同上述實(shí)現(xiàn)部分。 </p>

13、;<p>　　4.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換及幅度控制模塊 </p><p>　　1) 數(shù)模轉(zhuǎn)換：采用轉(zhuǎn)換速度為1us,帶寬為1MHz的八位高速乘法器DAC0832，DAC0832具有快速的穩(wěn)定時(shí)間，可滿足波形發(fā)生器的要求。輸出級接一級運(yùn)放作為電流電壓轉(zhuǎn)換器，可得到-5V到+4.9V雙極性電壓輸出。 </p><p>　　2) 幅度控制：利用DAC0832內(nèi)部的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，將經(jīng)前一級DA

14、C0832產(chǎn)生的波形作為后一級DAC0832的基準(zhǔn)電壓，由單片機(jī)控制輸入數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)0.1V到峰值的調(diào)整。 </p><p>　　4.3 鍵盤控制模塊 </p><p>　　信號(hào)發(fā)生器模塊鍵盤由六個(gè)微觸開關(guān)構(gòu)成，控制液晶屏的輸出信息，六個(gè)微觸開關(guān)分別控制對液晶屏進(jìn)行初始化，選定確定，波形選擇，幅度步進(jìn)，頻率步進(jìn)和周期值。 </p><p>　　示波器模塊鍵盤

15、由三個(gè)獨(dú)立按鍵組成，獨(dú)立按鍵便于控制。分別為向下鍵、向上鍵、回車鍵。 </p><p>　　4.4 液晶顯示模塊 </p><p>　　現(xiàn)在市面上流行的點(diǎn)陣式液晶顯示器，它具有功耗低、接口方便、能顯示圖形和文字、讀數(shù)清晰、價(jià)格便宜等特點(diǎn)?？紤]到實(shí)用性和通用型的結(jié)合，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用字符型液晶模塊，信號(hào)發(fā)生器選用的是4行48個(gè)字的OCM19264-2液晶模塊，該液晶屏自帶雙控制芯片，自動(dòng)完成液

16、晶控制，該液晶含192×64dot,8bit并口傳輸，藍(lán)光背景顯示白字，采用全英文顯示。 </p><p>　　4.5 示波器模塊 </p><p>　　根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，將連續(xù)模擬信號(hào)用脈沖信號(hào)抽樣，10位量化得到離散的數(shù)字量，存儲(chǔ)在RAM中以便分析。這種方法的基礎(chǔ)是高速ADC，而STC12C5412AD系列單片機(jī)內(nèi)部就集成有8通道10bit的高速ADC，本設(shè)計(jì)采用120K

17、Hz采樣率，根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，大于兩倍于信號(hào)頻率的抽樣速度就能從數(shù)字量中還原出模擬信號(hào)，但為保證還原后的高保真度，本設(shè)計(jì)采用8倍抽樣速率，因此進(jìn)行波形分析的輸入信號(hào)的頻率不能大于15KHz。 </p><p>　　4.6 上位機(jī)和單片機(jī)通信的硬件電路 </p><p>　　由于上位計(jì)算機(jī)串口通信所使用的電平與單片機(jī)信號(hào)電平并不兼容，解決兩者通信的關(guān)鍵問題就在于將通信接口電平相互兼容，從

18、而達(dá)到良好通信。本設(shè)計(jì)使用了目前廣泛使用的MAX232實(shí)現(xiàn)該功能。 </p><p>　　5 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) </p><p>　　該系統(tǒng)程序中，74LS595及液晶等采用匯編語言編寫，整體構(gòu)成以C語言編寫，上位機(jī)軟件采用Visual C++開發(fā)。 </p><p>　　5.1 下位機(jī)的軟件流程圖 </p><p>　　信號(hào)發(fā)生器的工作流程

19、圖如圖2所示。 </p><p>　　5.2 上位機(jī)程序功能和界面 </p><p>　　上位機(jī)部分采用Visual C++編寫程序完成界面設(shè)計(jì)，界面內(nèi)有以下幾個(gè)功能區(qū)域可供操作者點(diǎn)擊：坐標(biāo)區(qū)、坐標(biāo)指針實(shí)時(shí)區(qū)、station區(qū)（LINE、SINE、FREE功能鍵）、頻率振幅顯示區(qū)、編輯提示區(qū)。上位機(jī)Visual C++編寫界面中使用了文本控件、命令按紐控件、標(biāo)題控件、SSTAB控件、MSC

20、om控件等，對其屬性進(jìn)行了相關(guān)設(shè)置。 使用了Visual C++中的對話*.Show、*.Hide和MSComm1_OnComm等系統(tǒng)函數(shù)，開發(fā)的上位機(jī)界面如圖3所示。 </p><p>　　6 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析 </p><p>　　6.1 波形存儲(chǔ)測試 </p><p>　　該部分測試包括波形在線存儲(chǔ)和掉電測試。 </p><p>　　

21、在線存儲(chǔ)測試：先輸出波形A，再輸出波形B，按鍵恢復(fù)波形A，經(jīng)檢測可實(shí)現(xiàn)此功能。 </p><p>　　掉電存儲(chǔ)測試：輸出任一波形C，關(guān)閉電源后上電，按鍵恢復(fù)輸出波形C，經(jīng)檢測該功能也能實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　6.2 波形頻率測試 </p><p>　　該部分測試先設(shè)定任一波形的頻率值，然后測試其頻率值 ，以三種基本波形為例，測試數(shù)據(jù)如表1。 </p>

22、;<p>　　6.3 周期性波形測試 </p><p>　　周期性波形包括頻率和幅值可調(diào)的正弦波，方波和三角波及其線性組合波形，用數(shù)字示波器來測試波形頻率和幅值，測試數(shù)據(jù)如表2、表3。 </p><p>　　由以上數(shù)據(jù)分析可知，本文設(shè)計(jì)的任意信號(hào)發(fā)生器滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求，符合規(guī)范。 </p><p><b>　　7 結(jié)束語 </b&

23、gt;</p><p>　　本設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)任意波形，并能在液晶屏上顯示出相應(yīng)參數(shù)，而且本系統(tǒng)軟件部分采用菜單式操作，按鍵簡單快捷。單片機(jī)采用了較好的型號(hào)，給日后的系統(tǒng)擴(kuò)展和升級留下了足夠的空間。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ) 修訂版[M].北京:北京航空航天大學(xué)出

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