基于w78e58b的任意信號發(fā)生器的設計

1、<p>　　基于W78E58B的任意信號發(fā)生器的設計</p><p>　　摘要：隨著電子技術的不斷發(fā)展，在電子、通信等相關領域，經常要用到各種各樣的信號發(fā)生器，因其功能單一、精度有限，已不能滿足現在多樣化、高精度的要求。本系統(tǒng)以單片機W78E58B為核心，輔以必要的模擬電路及上位機波形設計軟件，來設計一款任意低頻信號發(fā)生器。 </p><p>　　關鍵詞：單片機；W78E58B；

2、信號發(fā)生器 </p><p>　　電子科學技術的迅速發(fā)展，使得各種儀器對數據的采集功能要求更加嚴格，測量精度的要求越來越高，以往的單一功能、低精度的信號發(fā)生器已不能適應現實的需要，本文以W78E58B單片機為核心，設計一款任意低頻信號發(fā)生器。 </p><p>　　1 設計思想和技術指標 </p><p><b>　　1.1 設計思想 </b>

3、</p><p>　　以W78E58B單片機為核心，輔以必要的模擬電路及上位機波形設計軟件，構成一個任意信號發(fā)生器。下位機模塊能通過按鍵控制輸出產生預設正弦波，方波，三角波，矩齒波四種波形，并能顯示相應的參數。在Visual C++語言編寫的上位機界面用戶拖動鼠標左鍵在圖片框繪制波形時，同時將各點值存儲下來，按波形產生鍵生成波形。并通過自制的示波器顯示出波形。 </p><p>　　1.2

4、 主要技術指標 </p><p>　　1) 具有多個頻道的存儲、掉電存儲斷電記憶功能；可產生預設正弦波，方波，三角波，矩齒波；還可產生用戶自己通過電腦編輯的任意波形，能存儲10余個手繪波形。 </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，直接點選。 </p><p>　　3) 參數顯示：數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 設計產生頻率范圍：1-4000Hz。 </p><p>　　② 設計頻率輸出幅度：0.0-10.2V。 </p><p>　　③ 帶100歐電阻負載輸出誤差：﹤2%。 </p><p>　　4) 能通過NH12864J-1液晶顯示器顯示實時波形。 </p><p>　　2 方案

6、設計與論證 </p><p>　　方案1：采用模擬分立元件或單片機控制函數發(fā)生器MAX8038，可產生正弦波、方波、三角波,通過外部元件可改變輸出頻率，但產生的信號頻率穩(wěn)定度較差、精度低、抗干擾能力低、成本高而且靈活性較差，不能實現任意波形及波形運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。這種方法能快速實現頻率變換，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)，導致直接頻率合成器的結構復雜、體積龐大、成本高，難以達到較高的頻譜純度。更重要的是，這種方法只能實現正弦波，或者進行積分，微分等方法實現方波、三角波等標準波形，而對于我們所要求的任意波形卻無法實現。 </p><p>　　方案3：用W78E58B單片機控制系統(tǒng)的波形表、頻率、幅度，通過更換波形數據可以輕松地實現任意波形功能，采用Flash ROM將用戶輸入波形進

8、行硬盤式的存儲防止掉電，后級采用二階切比雪夫濾波電路對后階輸出波形進行高頻濾除，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來進行任意信號發(fā)生器的設計。 </p><p><b>　　3 整機工作原理 </b></p><p>　　電路總體方框圖（如圖1所示）。 </p><p>　　下位機模

9、塊主要完成的功能：處理鍵盤數據，生成波形表存儲與RAM中；控制LCD顯示；控制DAC0832進行幅值轉換。能產生預設正弦波、方波、三角波、矩齒波四種波形，并能顯示相應的參數。在Visual C++編寫的上位機界面用戶拖動鼠標左鍵在圖片框繪制波形時，同時將各點值存儲下來，按波形產生鍵生成波形，然后按確定通過串口傳送給單片機系統(tǒng)，通過單片機將生成的數據寫入波形存儲器(RAM)中，再由D/A模塊將波形合成出來，這樣就可以產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，同時在液晶屏OCM19264-2上顯示相應的波形名、頻率、幅度、周期以及倍頻值。從信號發(fā)生器輸出端送入到STC12C5412AD單片機，根據奈氏抽樣原理，將連續(xù)模擬信號用沖擊信號抽樣，10位量化得到離散的數字量，存儲在RAM中分析，通過NH12864J-1液晶顯示器顯示出來。 </p><p>　　4 系統(tǒng)硬件電路設計 </p><p>　　4.1 波形

11、產生模塊 </p><p>　　要產生任意波形，就不可能像普通直接數字頻率合成器那樣將要產生的波形預先固化在ROM中，所以波形存儲雙口RAM實現的，需存儲在RAM中的波形數據是由單片機采集外部數據，對E2PROM中存儲的標準波形數據進行各種相應的運算而得到的。 </p><p>　　1) 根據設計的技術指標，我們設計如下方案：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在8kby

12、E2PROM中，每種波形存儲128個字節(jié)的點。然后由單片機根據鍵盤輸入的不同要求，對各點數據乘相應系數并疊加，再將所得到的新的128個字節(jié)的數據存儲在E2PROM中，此時我們便得到了所需要的波形數據表。 </p><p>　　2) 我們使用鍵盤輸入所需波形的一個周期內16個采樣點的數值，單片機采集數據后，進行線性插值，得到128個點的數值，送雙口RAM，產生所需波形數據表，其余同上述實現部分。 </p>

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

14、C0832產生的波形作為后一級DAC0832的基準電壓，由單片機控制輸入數字量，從而實現步進0.1V到峰值的調整。 </p><p>　　4.3 鍵盤控制模塊 </p><p>　　信號發(fā)生器模塊鍵盤由六個微觸開關構成，控制液晶屏的輸出信息，六個微觸開關分別控制對液晶屏進行初始化，選定確定，波形選擇，幅度步進，頻率步進和周期值。 </p><p>　　示波器模塊鍵盤

15、由三個獨立按鍵組成，獨立按鍵便于控制。分別為向下鍵、向上鍵、回車鍵。 </p><p>　　4.4 液晶顯示模塊 </p><p>　　現在市面上流行的點陣式液晶顯示器，它具有功耗低、接口方便、能顯示圖形和文字、讀數清晰、價格便宜等特點。考慮到實用性和通用型的結合，本系統(tǒng)設計選用字符型液晶模塊，信號發(fā)生器選用的是4行48個字的OCM19264-2液晶模塊，該液晶屏自帶雙控制芯片，自動完成液

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

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

18、而達到良好通信。本設計使用了目前廣泛使用的MAX232實現該功能。 </p><p>　　5 軟件的設計與實現 </p><p>　　該系統(tǒng)程序中，74LS595及液晶等采用匯編語言編寫，整體構成以C語言編寫，上位機軟件采用Visual C++開發(fā)。 </p><p>　　5.1 下位機的軟件流程圖 </p><p>　　信號發(fā)生器的工作流程

19、圖如圖2所示。 </p><p>　　5.2 上位機程序功能和界面 </p><p>　　上位機部分采用Visual C++編寫程序完成界面設計，界面內有以下幾個功能區(qū)域可供操作者點擊：坐標區(qū)、坐標指針實時區(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Visual C++編寫界面中使用了文本控件、命令按紐控件、標題控件、SSTAB控件、MSC

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

21、在線存儲測試：先輸出波形A，再輸出波形B，按鍵恢復波形A，經檢測可實現此功能。 </p><p>　　掉電存儲測試：輸出任一波形C，關閉電源后上電，按鍵恢復輸出波形C，經檢測該功能也能實現。 </p><p>　　6.2 波形頻率測試 </p><p>　　該部分測試先設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，測試數據如表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的正弦波，方波和三角波及其線性組合波形，用數字示波器來測試波形頻率和幅值，測試數據如表2、表3。 </p><p>　　由以上數據分析可知，本文設計的任意信號發(fā)生器滿足設計的技術指標要求，符合規(guī)范。 </p><p><b>　　7 結束語 </b&

23、gt;</p><p>　　本設計最大的特點是可以實現任意波形，并能在液晶屏上顯示出相應參數，而且本系統(tǒng)軟件部分采用菜單式操作，按鍵簡單快捷。單片機采用了較好的型號，給日后的系統(tǒng)擴展和升級留下了足夠的空間。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] 李廣弟.單片機基礎 修訂版[M].北京:北京航空航天大學出

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