Ｉ 量坌堑 ｓｈｅｊｉ ｙｕ Ｆｅｎｘ 简易低频信号发生器的设计 任航 （海南师范大学物理与电子工程学院，海南海口５７１ ｌ５８） 摘要：介绍了采用８９Ｃ５２单片机设计产生正弦波、三角波、锯齿波、方波４种信号的低频信号发生器的方法，阐述了系统硬件电路的设计要 点和软件的实现过程。实验表明：低频信号发生器产生的各种波形频率和幅度在一定范围内可调，且稳定性好。设计的电路和操作方法适用于一 般的简单信号发生器的系统设计，硬件设计也有一定的应用性和普及型，对开发功能全面的信号发生器具有积极的指导作用。 关键词：低频信号发生器；波形；频率；幅度 Ｏ 引言 在科学研究、工程教育和生产实践的研究过程中，往往需要使 用到低频信号发生器产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等信号作 为基本测试信号。例如，在示波器和电视机中，为了使电子仪器按 照一定规律运动，使用屏幕显示图像，常用到锯齿波发生器作为时 基电路。低频信号发生器作为通用电子仪器，在生产、科研、测量、 控制和通讯等领域都得到了广泛的应用。 １ 系统方案的设计 １．１ 设计方案 信号发生器采用单片机作为主控制器，利用单片机ＳＴＣ８９Ｃ５２ 作为系统的主控核心，编写波形产生的程序代码，接入ＤＡＣ０８３２ 进行模数转换，通过运算放大器ＬＭ３５８滤波放大得到所期望的低 频信号波形。 方案硬件原理方框图如图ｌ所示。 显示 电路Ｉ、厂一 照 片 机 图１硬件原理框图 １．２ 系统原理 数字信号可通过数／模转换器转换成模拟信号，因此可通过产 生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。８９Ｃ５２ 单片机本身就是一个完整的微型计算机，具有微型计算机的各部 件：处理器ＣＰＵ、随机存取存储器 、只读存储器ＲＯＭ、 ［／ｏ接口电路、定时器／计数器以及串行通讯接口等，只要将８９Ｃ５２ 再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指 示灯及其接口等部分，即可构成所需的波形发生器。 ８９Ｃ５２是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执 行，产生各种各样的信号，并从键盘接收数据，进行各种波形的转 换和信号频率的调节。当数字信号经过接口电路到达Ｄ／Ａ转换电 路，将其转换成模拟信号，最后通过示波器显示输出的信号波形和 频率。 １．３设计思路 （１）利用单片机产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波 形，信号的频率、幅度可调。 （２）改变信号频率，将一个周期的信号分离成２５６等分点（按 轴等分），每两点之间的时间间隔设为ＡＴ，用单片机的定时器来产 生，表示式为：△ ２５６。假设单片机的晶振为１２ＭＨｚ，采用定时 器方式０，则可以得出定时器的初值为： Ｘ＝２ 。△ Ｚ （１） 定时时间常数为： ＝（６５ ５３６一△ ／ＭＯＤ２５６ （２） １３６ ７ （６５ ５３６一△ ／２５６ （３） （３）正弦波的模拟信号是Ｄ／Ａ转换器最终模拟量的输出，计 算公式为： ｙ＝ ／２ｓｉｎ△ｆ）埘／２（其中Ａ＝Ⅵ Ｆ） （４） △ｆ＝Ⅳ△７１（Ⅳ＝ｌ￣２５６） （５） 则对应存储在计算机里的该点数据为： ＝（ｙ×２５５） ＝ （６） （４）一个周期被分离成２５６个等分点，对应的４种波形的２５６ 个数据存放在存储器中。 １．４设计要求 （１）本设计采用４个式按键。其中“ｃ ”表示波形切换（为 了便于记忆采用英文翻译一致表示法），“骶ｑ Ｕ”表示频率升高， “仔ｅｑ ｄ”表示频率降低，“ＲＥｓＥＴ”表示复位。一个可调电位器ＲＶ１， 大小为１０ ｋｎ，用于调节波形幅度。 （２）采用示波器显示输出信号的波形和频率大小。 （３）采用１片ＤＡＣ０８３２实现数模的转换，得到最终需要的模 拟量信号输出。 （４）频率可调范围：０～７５ Ｈｚ；幅度可调范围：１～５ Ｖ。 ２系统的硬件设计与实现 ２．１ 总体电路工作原理 本系统采用ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机作为控制核心，芯片ＤＡＣ０８３２ 实现数字量与模拟量的转换，在ＤＡＣ０８３２的输出端接运算放大器 ＬＭ３５８，由运算放大器将信号放大并输出，再通过示波器显示信号 波形和频率大小。操作时需用到按键控制输出波形的种类以及频 率的加减，并通过调节１０ ｋｎ电位器ＲＶ１大小来改变波形的幅度。 ２．２主要单元电路的设计 ２．２．１单片机主控电路 该设计电路采用ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机作为主控制器，在本电路 中，晶振电路与８９Ｃ５２的ｘＴＡＬｌ和ｘＴＡＬ２端口连接，驱动内部时 钟发生器向主机提供时钟信号。３个式按键“ｃ ”、“ ｕ”、 “舶ｑ ｄ”与Ｐ１．０、Ｐ１．１、Ｐ１．２端口连接，向ＳＴＣ８９Ｃ５２输入改变波形 参数的指令电平，“ＲＥＳＥＴ”按键与ＲＳＴ端口连接，向ＳＴＣ８９Ｃ５２输 入高电平，使之复位。 ２．２．２模数转换电路 由于单片机产生的是数字信号，要想得到所需要的波形，需要 把数字信号转换成模拟信号，数模转换器选用ＤＡＣ０８３２。ＤＡＣ０８３２ 是一个８位Ｄ／Ａ转换器，它由一个８位输入寄存器、一个８位 ＤＡＣ寄存器和一个８位的Ｄ／Ａ转换器及逻辑控制电路组成，它是 电流型输出，在应用时外接运放ＬＭ３５８（相当于积分器）使之成为 电压型输出。根据系统要求，设计出的模数转换电路，如图２所示， 其中Ｄ１０￣ＤＩ７与ＳＴＣ８９Ｃ５２的Ｐ２．０～Ｐ２．７端口连接，以接收数字 信号。 ■ ■ １Ｏｋｎ ＲＶ１ 图２模数转换电路图 ２．２＿３晶振电路 单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单 片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时 钟频率越高，单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都 是建立于单片机晶振提供的时钟频率。 单片机的晶振频率可以在１．２～１２ ＭＨｚ之间选择，这时电容 Ｃ可以选择１０￣３０ ｐＶ。对于本设计的电容Ｃ用３Ｏ ｐＦ，晶振选用 １２ ＭＨｚ。设计出晶振电路如图３所示，一条引脚接在ＸＴＡＬ１，另 一条接在ＸＴ Ｌ２。 Ｃ１ 上 ’ ＩＩ 旱 一 厂坠 图３晶振电路图 ２．２．４复位电路 复位电路不需要通过单片机程序来控制，直接通过硬件电路 来实现，当电路在运行时，按下复位开关则电路重新恢复到原始状 态。复位电路分为电复位和手动复位，为避免程序执行失步或运行 紊乱，在这里我们采用了手动复位电路，电路图如图４所示。 图４复位电路图 ２．２．５按键接口电路 本设计采用３个式按键。其中“ｅｈｇ”表示波形切换（为了 便于记忆采用英文翻译一致表示法），“ｆｒｅｑ Ｕ”表示频率升高， “ｆｒｅｑ ｄ”表示频率降低。３个按键接口电路均与Ｐ１ １２１相连，其中 ｃｈｇ控制波形的输出类型，操作电路时，通过触发此按键来达到切 ＳｈｅＩ．ｙｕ Ｆｅｎｘｉ 量坌堑一 换正弦波、三角波、锯齿波、方波的目的；ｆｒｅａ，＿ｕ用来提高信号的频 率，每按下一次，频率提高１ Ｈｚ；ｆｒｅｑｄ用来降低信号的频率，每按 下一次，则频率降低１Ｈｚ。 ３系统的软件设计 本设计将４种波形的数据储存在单片机的程序存储器里，通 过改变这些数据的输出速度即２个采样点问的，也就是定时器的 初值，来改变信号的频率，然后通过改变Ｄ／Ａ转换器的参考点来 改变信号的峰一峰值。 ３．１ 正弦波的产生 输入公式：ｙ＝５９￣ｓｉ“宅 １２８ ＤＡＣ０８３２是８位的Ｄ／Ａ转换器，工作电压是Ｏ～５Ｖ，当输入 ｏ０数字量时，输出为０ Ｖ电压；当输入８０数字量时，输出为２．５ Ｖ 电压；当输入ＦＦ数字量时，输出为５ Ｖ电压。单片机的Ｉ／Ｏ输出均 为＋５ ｖ的ＴＴＬ电平，因此产生的正弦波幅值为＋２．５ ｖ。将一个周 期内的正弦波形等分为２５６份，则第１点的角度为０。，对应的正弦 值为２．５ｓｉｎ０。；第２点的角度为３６０。／２５６，对应的正弦值为２．５ｓｉｎ （３６０。／２５６）……，如此类推，将这些模拟量正弦值都转换为单极性 方式下的数字量，得到一张按照点号顺序排列的正弦波波形数据 表格，而每次可根据查正弦波形数据表格而得到。 其实在计算正弦波形数据时，并不需要算出整个Ｏ￣２＂ｒｒ区间 的每一个值，而只需计算出０～（１／２）１ｒ中的值就行，其他区间的值 都可以通过对Ｏ～（１／２）订中的值取不同的变换。例如（１／２）订～叮ｒ 的值可以和０～（１／２）竹值一一对应，而霄～２叮ｒ的值可以对０～霄 区间的值取负值得到。计算值用Ｃ语言编程得到。 幅度公式为：Ｙ＝２．５［１＋ｓｉ１ｌ（ ９０）Ⅳ］（ ｏ，１，２，…，６４） 相应的Ｙ值数字化后的递增量 击 ０・０１９ ６ 那么每一个点相对于前一个点的递增率为 ＝ （１， 为当 前的点，ｙ。为前一个点）。所以每一个点的数字量与递增率Ａ成一 一对应关系。 ３．２三角波的产生 设个自变量ｎｕｍ让它不断地自加１，Ｐ２＝ｎｕｍ，直到加到１２８ 时，Ｐ２＝２５５一ｎｕｍ，直到ｎｕｍ＞￣２５６时，ｈｕｍ恢复为０，然后再不断地 重复上述过程进而产生三角波。程序如下： ｖｏｉｄｔｒｉ０ ｛ ｉｆ（ｎｕｍ＜１２８）Ｐ２＝ｎｕｍ； ｅｌｓｅ ｉｆ（ｎｕｍ＜２５５）Ｐ２＝２５５一ｈａＩＴＩ￣ ｅｌｓｅｎｕｍ＝０ ｎｕｎｒ卜｝： ｝ ３．３方波的产生 设置调节值ｓｑｕａ ｈｕｍ ，自变量 ｎｕｍ＜ｓｑｕａ ａｕｍ 使之 Ｐ２＝０ｘｆｆ 延时一段时间，另则Ｐ２＝０，然后再重复上述过程。程序如下： ｖｏｉｄ ｓｑｕ０ ｛ ｉｆ（ｎｕｍ＜ｓｑｕａ＿ｎｕｍ）Ｐ２＝０ｘｆｆｉ ｅｌｓｅ Ｐ２＝０； ｎＵＩｎ＋＋： ｉｆ（ｎｕｍ＝＝２５５）ｎｕｍ＝０； ｝ 机电信息２０１２年第６期总第３２４期１３７ Ｉ 量坌塑 ｓｈｅ ｙｕ Ｆｅ × ｉ３．４锯齿波的产生 ５结语 对制作的低频信号发生器实物调试结果为幅度（峰一峰值）在 ０～５ Ｖ范围内变化，频率在０～７５ Ｈｚ范围内变化，与仿真结果一 致，说明设计与制作基本达到要求。实验表明，各种信号的幅度与 锯齿波中的斜线用一个个小台阶来逼近，在一个周期内从最小 值开始逐步递增，当达到最大值后又回到最小值，如此循环，当台阶 间隔很小时，波形基本上近似于直线。这样适当选择循环时间就可 以得到不同周期的锯齿波。锯齿波发生原理可以类比方波，只有高 低２个延时的常数不同，所以用延时法来产生锯齿波，设个自变量 ｎｕｎ１让它不断地自加１，直到２５５，ＤＡＣ０８３２可以又自动归０，然后 频率输出稳定，可用于对信号源的幅度与频率要求在此范围内的 各种实验。此外，设计的电路规范，操作方法简单易懂，硬件设计也 有一定的应用性和普及型，对今后研究开发功能全面的函数信号 发生器提供了基本的研究方向。 ［参考文献］ 再不断地重复上述过程从而产生我们需要的锯齿波。程序如下： ｖｏｉｄ ｓａｗ０ ｆ Ｐ２＝ｎｕｍ； ｎＵｎｌ－ 十： ［１］牛昱光．单片机原理及接口技术．北京：电子工业出版社，２００９ ［２］冯博琴，吴宁．微型计算机原理与接口技术．北京：清华大学出版 社，２００９ ｝ ４仿真与调试 该主控电路可以运用ｐｒｏｔｕｅｓ软件进行仿真，在Ｋｅｉｌ软件中写 入程序后，生成．ｈｅｘ文件，将所生成的．ｈｅｘ文件直接载入单片机中， 并进行仿真。电路初始输出正弦波，通过ｃｈｇ按键，可由正弦波一 三角波一锯齿波一方波一正弦波的过程转换，通过调节ＲＶ１电位 器，每种信号幅度（峰一峰值）可以在Ｏ～５ Ｖ范围内变化。通过 ｆｒｅｑ ｄ ｆｒｅｑ ｕ按键及 按键，可以增加或减小信号的频率，且在０～［３］张建民，杨旭．利用单片机实现温度监测系统．微计算机信息，２００７ （５） ［４］胡宴如，耿苏燕．高频电子线路．北京：高等教育出版社，２００８ ［５］陈光东．单片机微型计算机原理与接口技术．武汉：华中理工大学 出版社，１９９９ ［６］李华．ＭＣＳ－５１系列单片机使用接口技术．北京：航空航天大学出版 社，２０００ ７５ Ｈｚ范围内变化。波形转换的仿真结果如图５所示。 ［７］肖玲妮，袁增贵．Ｐｒｏｔｅｌ ９９ ＳＥ印刷电路板设计教程．北京：清华 大学出版社，２００９ 收稿日期：２０１卜１卜１５ 作者简介：任航（１９９１一），女，辽宁省铁岭县人，研究方向：自动化 图５各种波形间的转换 电路设计。 （上接第１３５页） 更换设备，额外增加了维护成本。 ４结语 由上所述可知，一台变频器控制多台水泵的方式存在，将会因 只有一台调速泵而降低效率，因电机剩磁而容易出现管网压力不 图３循环软启动方案 稳定，因频繁启停变频器而容易产生故障、降低设备使用寿命等问 题，因此，在资金允许的条件下，针对多水泵恒压供水系统的设计， 元件，当接触器断开后，变频器还要进行放电，因此就要求接触器要 采用一对一变频控制的方法更加稳定节能。 延时一段时问才能闭合，否则就会出现剩磁问题，烧坏变频器或者 其他电器元件；第：二个延时的目的是保证变频回路接触器已经可靠 断开才接通工频接触器，避免变频和工频回路瞬间连通；第三个延 时的目的是保证 号泵已经可靠连接在变频回路上再启动变频器。 ［参考文献】 ［１］刘家春，杨鹏志，刘军号，沙鲁生．水泵运行原理与泵站管理［Ｍ］．北 京：中国水利水电出版社，２００９ ［２］张文钢，黄刘琦．水泵的节能技术［Ｍ］．上海：上海交通大学出版社， ２０１０ 因此当变频需要切换到工频时，存在剩磁的问题，不能立即切 换。需要等电机停转后，方能工频启动，否则会造成事故，由此还会 造成供水管网的压力不稳定。 ［３］徐海，施利春．变频器原理及应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０１０ ［４］姚锡禄．变频器控制技术入门与应用实例［Ｍ］．北京：中国电力出版 社，２００９ ３系统运行和维护的问题 如果系统采用一台变频器带多台水泵，这样变频器就会频繁 的启停来满足系统压力的要求，这不利于变频器的使用寿命，而 目．，当变频器出现故障时，整个系统将会停止，不利于正常生产，也 不利于工人的正常维护。采用多个接触器进行切换，这样接触器也 收稿日期：２０１卜１２～１３ 作者简介：徐爽（１９８４一），女，内蒙古宁城县人，助理工程师，研究 处在频繁启停状态，降低了接触器的使用寿命，这就要求要经常的 方向：工程技术。 １３８
