设计中，方波的频率，占空比和幅度都是可调的，频率的变化范围为10HZ到10KHZ，幅度的变化范围为。其中，频率和占空比都是随着键盘输入值的改变而改变的，也就是说，你只需在键盘上输入你所期望的方波频率和占空比，通过一定的程序后，在单片机的输出端就可以得到满足要求的方波，其频率值也可在数码管上显示出来。这样的话就可以使我们的实验操作更加简单，输出方波的参数也更加精确。方波幅度的调节也是通过旋转螺钮来实现的，这是因为在一般的实验中，对方波幅度的要求不太高，而且方波幅度对实验结果影响不大，所以这部分没有作太大的改变，希望大家谅解。
3.2 设计性能与应用前景
3.2.1 本设计的性能
本设计的多用方波信号发生器具有的基本性能如下:
①可以产生正弦波,方波,三角波,锯齿波等几种周期性信号;
②可以用键盘编辑生成正弦波,方波,三角波这三种信号的线性组合.
③增加外部存储器后可以方便的是现信号存储功能,即有记忆功能系统可以实现的功能;
④信号存储功能可存储掉电前用户编辑的信号和设置; ⑤可实现用键盘编辑产生任意信号.
3.2.2 本设计的应用前景
当然，本设计的方波发生器的功能跟现在市场上的比起来并不是最多的。市场上的方波发生器大多数不仅能产生方波，还可以产生正弦波，三角波，锯齿波等波形。但这并不意味着本设计没用此项功能。本设计只是针对方波这一部分设计的，如果想得到其他波形，只需要对得到的方波再进行处理即可。例如：。要想得到三角波，只需要在方波发生器后面再连接一个积分电路即可。
所以，本设计的应用前景相当广泛。另外，本设计除了可以用作实验仪器外，还可以用在其它多种工作场合。
3.3 信号发生的原理
3.1.1 系统框图
系统结构框图如图3-1。
图3-1 系统框图
3.1.2 信号发生电路原理
信号发生电路原理框图如图3-2所示.该信号发生器采用MCS-51芯片作为系统的CPU,配以少量的外围接口芯片,构成单片机的最小控制系统.5V电源经二极管降压后得到3.6V电压用作单片机电源.人机对话部分用A口组成键盘及数码管显示(图中略去未画);信号输出部分用MCS-51提供的2个10位的数模转换器,即DAC1和DAC2,以及外部运放电路组成.
图3-2 信号发生电路原理图
①多功能信号发生器可产生正弦波,方波,三角波和由用户编辑的特定信号.信号的发生方法有两种:一是采用硬件,二是采用软件.如果采用硬件方法.可以使频率范围做得很大,然而为了配合智能化设置,其幅度,频率的调整,仍然要利
用软件驱动I/O口进行切换,对于信号发生器来说,输出的信号种类较多,采用硬件的方法会使硬件电路相当复杂,并且调试也很困难.故障率也会大大增加.本设计中采用软,硬件相结合方法,可节约大量的硬件电路,信号的种类,频率完全由软件通过D/A变换来产生,幅度调整由可以用数字量控制的硬件电路实现.在高频端采用软件压缩的方法,可以得到较好的效果.
信号生成过程如下:
将生成信号的数据写入DAT1后,数字量转换为模拟量经DAT1引线端输出,输出电流加在电阻R9上形成信号电压,信号电压经运放U2A组成的跟随器输入数字电位器DP1(MAX5400)[2]的高端,数字电位器DP1将分压后信号输入由运放U2C组成的跟随器后输入由运放U2D组成的运算放大器放大后输出.由于单片机的DAC只能输出电流,在电阻R9上形成的信号电压始终≥0,要输出正反相信号需调整信号信号的电平,为此,利用DAC2输出电流加在电阻R8上形成偏置电压,经由运放U2A组成的反相器形成负偏置电压(Vr)后,加在输出放大器U2D输入端,达到调整输出信号电平的目的.
图3-3 电平调整原理
②输出信号幅度的调节方式:在0~5V的(峰~峰值)范围,要实现步进0.1V,如果完全使用软件实现,失真会非常严重.因为10位输出按0.1V步进,则峰~峰值最小为0.1V;又因为D/A数字最大为1023,输出对应5V,则0.1对应数字20,在这个很小的范围内,输出各种信号失真会很大.为了减小失真度,将信号峰~峰值固定对应数字1023,而其中参考电压由DAC2提供,以实现步进幅度为0.1V要求的硬件原理.低电压输出时信号时,这里使用数字电位器DP1的是调整输出信号的信号,数字电位器DP1产生的偏差通过输入DAC1的数字量进行修正,为此需要检测输出信号与期望值的偏差,所以系统中将数字电位器分压信号反馈给SPCE061A的模数转换通道(IOA0),借以检测输出信号是否达到规定要求.实验测量信号电压可实现0.02V幅度步进.信号电平调整原理如图3-3所示.图3-3(a)为数字电位器分压信号,图3-3(b) DAC2提供的由反相器U2A形成的负偏置电压(Vr),图3-3(c)为输出放大器U2D放大后的输出信号.系统中运放采用一片TI公司的4运放芯片TLC2254[3],该芯片为rail-to-rail型低功耗运放,可以提供-5V~+5V摆幅输出。
为使输出信号得到进一步改善,在输出端再加1级RC低通滤波器,以实现输出信号的平滑.
3.2.2 信号分析与计算
(1)正弦波信号计算
由于信号都是周期性的,所以只要设计出一个完整周期的正弦波。在信号输出部分,采用了10位的D/A变换器,其最大输出值为1023。为了与D/A变换器相适应,在2π一个周期内,将其输出信号的幅值,角频率量化,如图3(a)所示,将正弦波向上平移,使其最低点为0,而且对于奇函数,其傅里叶级数只能用正弦项表示,即有
f(k)=512sinkω0 (0≤k≤512) y(k)=512+f(k)
式中ω0=2π/1024.由此可以求出1024个离散值,形成数据表,以备计算驱动程序调用。
图3-4 三角波信号形成原理
(3)三角波的计算
三角波信号形成原理如图3-4所示,按DAC满幅输出计算三角波的上升沿和下降沿的N个DAC输出的小阶梯,由于阶梯很小从宏观上看它可以近似成三角波波信号,如图4中实线所画的波形。阶梯之间的时间间隔t1,t2由定时器TimerA 的定时值决定通过改变t1和t2的值来改变三角波信号上升沿和下降沿的时间T1,T2从而改变三角波信号的频率。
(4)方波信号的计算
方波计算比较简单,只需根据给出高电平时间t1和低电平t2时间,分别用定时器计时即可实现。
以上计算所的数据(10位有效数据)在写入DAC寄存器时,要写入DAC数据寄
存器的高10位。因为,SPCE06lA的DAC数据寄存器中只有高10为有效,低6位无意义。
3.2 控制电路设计
3.3.1 时钟复位电路设计
采用单片机片内的振荡器、上电复位和外部硬件看门狗电路。看门狗采用MAXIM公司的MAX706芯片,硬件电路如图3-5。 MAX706可以提供至少200ms宽度的复位脉冲，为使看门狗溢出有效必须把MAX706的WDO和MR连接起来，看门狗输入WDI连接4051的任何一个I/O端口都可。MAX706在程序运行期间监控整个系统的运行，喂狗程序必须在1.6秒之内使WDI引脚电平发生改变，否则MAX706将发出复位指令，使整个系统复位，看门狗时序如图3-6所示。
图3-5 复位电路
图3-6 看门狗时序图
3.3.2 单片机与D/A的接口电路设计
D/A选用AD公司的AD7226。AD7226是具有8位精度的四通道D/A转换器，最小分辨电压约为4mV，可以满足设计的精度要求。每个通道都有一个输入锁存器，可以对输入的数字量进行锁存；输出端带有输出缓冲放大器。AD7226有一条写入控制线WR，两条地址线A0、A1，通过地址线可以选择不同的D/A转换通