淺析波形發(fā)生器設(shè)計(jì)方案比較

王凱

摘要：本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、性價(jià)比高，可用于多種需要低頻信號(hào)源的場(chǎng)所，具有一定的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);信號(hào)發(fā)生器;方案選擇

一、波形發(fā)生器發(fā)展現(xiàn)狀

波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和用戶定義信號(hào)，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和易操作性的電子儀器。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換和頻率穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號(hào)，還可對(duì)頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動(dòng)態(tài)、及時(shí)的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、震動(dòng)激勵(lì)、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。

當(dāng)今是科學(xué)技術(shù)及儀器設(shè)備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會(huì)，電子技術(shù)的進(jìn)步，給人們帶來了根本性的轉(zhuǎn)變，在現(xiàn)代電子領(lǐng)域中，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷的走向深入，這必將帶來一場(chǎng)儀器設(shè)備高度智能化的全面革命。

隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)成各種信號(hào)波形發(fā)生器，而用集成電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)波形發(fā)生器與其它信號(hào)波形發(fā)生器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高，特別是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制與檢測(cè)技術(shù)的快速革新。單片機(jī)構(gòu)成的儀器具有高可靠性、高性能價(jià)格比，在智能儀表系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域中得以極為廣泛的應(yīng)用，特別是在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域處處可以看見它的應(yīng)用。

一塊單片機(jī)芯片就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，它能夠承擔(dān)大中型計(jì)算機(jī)和通用微型計(jì)算機(jī)無法完成的一些工作。單片機(jī)之所以能夠在各個(gè)領(lǐng)域中都得到如此迅猛的發(fā)展，主要是因?yàn)樗哂泻芏囡@著的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，歸納起來有以下幾方面：

1. 具有優(yōu)異的性能價(jià)格比：?jiǎn)纹瑱C(jī)盡可能地把應(yīng)用所需的存儲(chǔ)器，各種功能的I/O 接口集成在一塊芯片內(nèi)，因而其性能很高，而價(jià)格卻相對(duì)較低廉，即性能價(jià)格比很高。

2. 集成度高、體積小、可靠性高：?jiǎn)纹瑱C(jī)把各種功能部件集成在一塊芯片上，因而集成度高，均為大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路。又內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了芯片之間的連線，這大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。同時(shí)，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。

3. 控制功能強(qiáng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)體積雖小，但“五臟俱全”，它非常適用于專門的控制用途。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令，I/O口的邏輯操作指令以及位操作指令。其邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。

4. 低電壓、低功耗：?jiǎn)纹瑱C(jī)大量用于攜帶式產(chǎn)品和家用消費(fèi)類產(chǎn)品，低電壓和低功耗尤為重要。目前，許多單片機(jī)已可在2.2V電壓下運(yùn)行，有的已能在1.2V或0.9V下工作，功耗降至μA級(jí)，一粒鈕扣電池就可長(zhǎng)期使用。

二、設(shè)計(jì)思路

利用單片機(jī)采用程序設(shè)計(jì)方法來產(chǎn)生低頻信號(hào)，其下限頻率很低。具有線路相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強(qiáng)，用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行細(xì)微調(diào)整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。只要對(duì)電路稍加修改，調(diào)整程序，即可完成功能升級(jí)。

三、總體方案設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)的目的

通過綜合設(shè)計(jì)，讓學(xué)生熟悉單片機(jī)以及微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程，軟硬件設(shè)計(jì)的工作方法、工作內(nèi)容、工作步驟。對(duì)學(xué)生進(jìn)行基本技能訓(xùn)練，例如：組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試、查閱資料、焊接電路板等。使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高動(dòng)手能力和分析問題、解決問題的能力。

2、方案論述

2.1系統(tǒng)方案的選擇

方案一：

采用分立元件實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的多諧振振蕩器，然后根據(jù)需要加入積分電路等構(gòu)成正弦、矩形、三角等波形發(fā)生器。這種信號(hào)發(fā)生器輸出頻率范圍窄，而且電路參數(shù)設(shè)定較繁瑣，其頻率大小的測(cè)量往往需要通過硬件電路的切換來實(shí)現(xiàn)，操作不方便。

方案二：

采用DDS即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器是一種要運(yùn)用數(shù)字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生信號(hào)的方法。由于運(yùn)用了全數(shù)字大規(guī)模集成技術(shù)，具有體積小、頻率分辨率高、信號(hào)純度高等特點(diǎn)，但是DDS芯片價(jià)格較為昂貴，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

方案三：

采用單片機(jī)和DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成波形，由于是軟件濾波，所以不會(huì)有寄生的高次諧波分量，生成的波形比較純凈。它的特點(diǎn)是價(jià)格低、性能比高，在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少。

方案選擇：

方案三較方案一而言，具有頻率高，工作穩(wěn)定，容易調(diào)試等特性;較方案二而言，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等特性。因此方案三既可滿足畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本要求，又能充分發(fā)揮其電路簡(jiǎn)單、易控制、性價(jià)比較高的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)比較采用方案三。

2.2 控制芯片的選擇

方案一：

STC89C51單片機(jī)是一種高性能8位單片微型計(jì)算機(jī)。它把構(gòu)成計(jì)算機(jī)的中央處理器CPU、存儲(chǔ)器、寄存器、I/O接口制作在一塊集成電路芯片中，從而構(gòu)成較為完整的微型計(jì)算機(jī)。

方案二：

C8051F005單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與AT80S52兼容的微控制器的內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn)AT80S52的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。

方案選擇：

方案二中C8051F005芯片系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易控制，芯片成本高，對(duì)于本系統(tǒng)利用率低，STC89C51芯片比較常用，簡(jiǎn)單易控制，成本低，性能穩(wěn)定，故采用方案一。

2.3總體方案選擇

經(jīng)過系統(tǒng)方案和控制芯片的選擇以及結(jié)合所學(xué)的知識(shí)，筆者最終選擇了以At89c51單片機(jī)為核心部件通過DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成波形，通過按鍵控制波形切換，最后用LCD1602液晶顯示器顯示輸出波形。此種方法從可行度和經(jīng)濟(jì)層面上較為理想，并且能實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求。4E9C2EE4-BAA7-41B0-B7BA-5D8904D03D60