用单片机制作的波形发生器

　　波形发生器的技术指标：

　　（1）波形类型：方型、正弦波、三角波、锯齿波；
　　
　　（2）幅值电压：1V、2V、3V、4V、5V；
　　
　　（3）频率值：10Hz、20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1KHZ；
　　
　　（4）输出极性：双极性
　　
　　操作设计
　　
　　1、机器通电后，系统进行初始化，LED在面板上显示6个0，表示系统处于初始状态，等待用户输入设置命令，此时，无任何波形信号输出。

　　2、用户按下“F”、“V”、“W”，可以分别进入频率，幅值波形设置，使系统进入设置状态，相应的数码管显示“一”，此时，按其它键，无效；
　　
　　3、在进入某一设置状态后，输入0~9等数字键，（数字键仅在设置状态时，有效）为欲输出的波形设置相应参数，LED将参数显示在面板上；
　　
　　4、如果在设置中，要改变已设定的参数，可按下“CL”键，清除所有已设定参数，系统恢复初始状态，LED显示6个0，等待重新输入命令；
　　
　　5、当必要的参数设定完毕后，所有参数显示于LED上，用户按下“EN”键，系统会将各波形参数传递到波形产生模块中，以便控制波形发生，实现不同频率，不同电压幅值，不同类型波形的输出；
　　
　　6、用户按下“EN”键后，波形发生器开始输出满足参数的波形信号，面板上相应类型的运行指示灯闪烁，表示波形正在输出，LED显示波形类型编号，频率值、电压幅值等波形参数；
　　
　　7、波形发生器在输出信号时，按下任意一个键，就停止波形信号输出，等待重新设置参数，设置过程如上所述，如果不改变参数，可按下“EN”键，继续输出原波形信号；
　　
　　8、要停止波形发生器的使用，可按下复位按钮，将系统复位，然后关闭电源。

　　硬件组成部分
　　
　　通过综合比较，决定选用获得广泛应用，性能价格高的常用芯片来构成硬件电路。单片机采用MCS-51系列的89C51（一块），74LS244和74LS373（各一块），反相驱动器 ULN2803A（一块），运算放大器 LM324（一块）

　　波形发生器的硬件电路由单片机、键盘显示器接口电路、波形转换（D/ A）电路和电源线路等四部分构成。

　　1.单片机电路功能：

　　形成扫描码，键值识别，键功能处理，完成参数设置；形成显示段码，向LED显示接口电路输出；产生定时中断；形成波形的数字编码，并输出到D/A接口电路；

　　如电路原理图所示： 89C51的P0口和P2口作为扩展I/O口，与8255、0832、74LS373相连接，可寻址片外的寄存器。单片机寻址外设，采用存储器映像方式，外部接口芯片与内部存储器统一编址，89Ｃ51提供16根地址线P0（分时复用）和P2，P2口提供高8位地址线，P0口提供低8位地址线。P0口同时还要负责与8255，0832的数据传递。P2.7是8255的片选信号，P2.6是0832（1）的片选，P2.5是0832（2）的片选，低电平有效，P0.0、P0.1经过74LS373锁存后，送到8255的A1、A2作，片内A口，B口，C口，控制口等寄存器的字选。89C51的P1口的低4位连接4只发光三极管，作为波形类型指示灯，表示正在输出的波形是什么类型。

　　单片机89C51内部有两个定时器/计数器，在波形发生器中使用T0作为中断源。不同的频率值对应不同的定时初值，定时器的溢出信号作为中断请求。

　　控制定时器中断的特殊功能寄存器设置如下：

　　定时控制寄存器TCON＝（０００１００００）工作方式选择寄存器（TMOD）＝（００００００００）中断允许控制寄存器（IE）＝（１０００００１０）
　　
　　2、键盘显示器接口电路
　　
　　功能：驱动6位数码管动态显示；提供响应界面；扫面键盘；提供输入按键。

　　由并口芯片8255，锁存器74LS273，74LS244，反向驱动器ULN2803A，6位共阴极数码管（LED）和4×4行列式键盘组成。8255的C口作为键盘的I/O接口，C口的低4位输出到扫描码，高4位作为输入行状态，按键的分布如图所示。8255的A口作为LED段码输出口，与74LS244相连接，B口作为LED的位选信号输出口，与ULN2803A相连接。8255内部的4个寄存器地址分配如下：控制口：7FFFH , A口：7FFFCH , B口：7FFDH , C口：7FFEH
　　
　　3、D/A电路
　　
　　功能：将波形样值的数字编码转换成模拟值；完成单极性向双极性的波形输出；构成由两片0832和一块LM324运放组成。0832（1）是参考电压提供者，单片机向0832（1）内的锁存器送数字编码，不同的编码会产生不同的输出值，在本发生器中，可输出1V、2V、3V、4V、5V等五个模拟值，这些值作为0832（2）的参考电压，使0832（2）输出波形信号时，其幅度是可调的。0832（2）用于产生各种波形信号，单片机在波形产生程序的控制下，生成波形样值编码，并送到0832（2）中的锁存器，经过D/A转换，得到波形的模拟样值点，假如N个点就构成波形的一个周期，那么0832（2）输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，就是波形信号的一个周期。重复输出N个点后，由此成第二个周期，第三个周期……这样0832（2）就能连续的输出周期变化的波形信号。运放A1是直流放大器，运放A2是单极性电压放大器，运放A3是双极性驱动放大器，使波形信号能带得起负载。

　　地址分配：0832（1）：DFFFH　，0832（2）：BFFFH
　　
　　4、电源电路：

　　功能：为波形发生器提供直流能量；构成由变压器、整流硅堆，稳压块7805组成。220V的交流电，经过开关，保险管（1.5A/250V），到变压器降压，由220V降为10V，通过硅堆将交流电变成直流电，对于谐波，用4700μF的电解电容给予滤除。为保证直流电压稳定，使用7805进行稳压。最后，＋5V电源配送到各用电负载。

　　软件结构
　　
　　在波形产生器系统中，程序由人机交互模块和波形产生模块组成，人机交互模块又可分成键盘子模块和LED子模块。人机交互模块作为主程序，管理单片机系统，波形发生模块作为中断服务程序，实现系统的波形输出模块又可分成键盘子模块和LED子模块。人机交互模块作为主程序，管理单片机系统，波形发生模块作为中断服务程序，实现系统的波形输出。

　　如图（2）所示：（A）　是波形发生器的主流图，由系统初始化和人机交互模块组成，其中LED显示子模块和键盘输入处理子模块占用单片机主要处理时间，单片机反复运行该模块程序人机交互模块相当于系统的监控程序；（B）是定时中断服务流程图，波形发生模块放置在定时中断服务程序中，系统每隔一定时间，产生一个定时中断，暂停主流程运行，转到定时中断服务程序起始处，执行波形发生模块，该模块输出一个样值后，结束此次中断服务，返回主流程断点处继续运行。反复多次定时中断服务，从而完成波形生成。

　　片内RAM有128B的容量， 30H~3FH定义为堆栈区，40H~45H定义为LED显示缓冲储存区，40H存放波形编号，41H~44H存放频率值，45H存放参考电压值，46H定义为设置标志区。

　　1、人机交互模块
　　
　　（１）LED显示子模块
　　
　　在单片机内部RAM中的40H~45H是LED显示器的显示缓冲区，40H的内容送到左边的第一只数码管显示，41H的内容送左边的第二只数码管……，45H的内容送左边的第六只数码管（最后一位）。显示缓冲区的内容如何形成可以显示的段码呢？在设计中，我们采用查表的方式来形成。编写程序前，根据共阴极LED显示器的工作原理，确定显示数字（1、2、3……8、9）的段码，将它们按大小顺序编制成显示码表，存于ROM中。在编程时，可以由显示缓冲区内的数字，通过查表的方法得到相应的段码。显示子模块的程序流程图如图（３）所示。R1存位选信号，R2存显示次数，R0存显示缓冲区地址。程序执行过程如下：单片机先向8255的PB口送位选信号，修改R1中的内容，形成下次位选信号；从显存取数字，通过查表，得到显示段码，送到8255的PC口；调用延时子程序，保持显示；修改RO的内容；判断是否已执行显示6次，若不满6次，转到开始处，重复执行，若已执行6次，则结束显示。

　　（2）键盘输入处理子模块
　　
　　在具体实现时，键值识别部分作为主程序，键功能处理部分作为子程序，它们之间的关系是主程序调用子程序。键盘的工作过程：（1）扫描键盘，获得列扫描码和行状态码，从而确定被按下的按键的键值；（2）根据键值，通过散转表，跳转到相应的键功能处理部分；（3）进入键处理部分，完成键功能；（4）完成一次键输入工作。

　　通过键盘对单片机系统进行设置，每按一次键，键盘都会有上述的处理过程，每次仅能完成一个键功能。在实际设置波形参数时，一个参数需要多个键功能来实现，那么相应的键盘也要多次完成键值识别，跳转键处理的工作过程。工作过程如图（４）和图（５）所示。

　　各功能键处理，设计如下：

　　“F”键的处理，进入“KEY-F-PRO”子程序段，将设置标志区（ROM46H）设为01H，表示是频率参数设定；送42H到R5中，41H是频率值显示缓冲区首址；将ROM中41H、42H、43H等存储单元送#0AH，使LED显示“---0”，最后退回到键盘主程序，处理流程图（6）。

　　“V”键处理：将设置标志区（ROM46H存储单元），设为02H，表示是参考电压设定；将ROM中46H存储单元置为#0AH，使相应位的LED显示“-”。处理流程图（7）。

　　“W”键处理，将设置标志区设为03H，表示是波形编号设定；将40H存储单元的内容置#0AH，使相应位的LED显示“-”。处理流程图（8）。

　　“0~9”键处理：首先查看设置标志区46H的内容，判断有无设置，若有设置，则判断是频率设置，还是参考电压设置，或者是波形编号设置，确定是某种设置，则进入设定操作，即将数字（0~9）送到显存相应的地址单元。如果无设置，则直接退回到主程序。处理流程图（9）。

　　“CL”键处理：将显示缓冲区ROM40H~45H的内容全部清零，使LED显示“000000”；将设置标志区ROM46H的内空清零，使其处于“无设置”状态；将定时器TO的初值清零，并停止TO的定时运行，使定时器TO不工作；之后，退回主程序，处理流程图（10）。

　　“EN”键处理：首先检查W、V、F等参数值是否已全部设置，如果已经全部设置；（1）从ROM45H取出参考电压值，通过查表，获得电压的数字编码，送到0832（1），产生输出，作为0832（2）参考电压；（2）从ROM41H~43H中取频率值，判定该值，判定该值，根据判断结果，进入相应的程序段，实现“频率与定时初值的转换”，完成TMOD的设定和初值设定；（3）开启定时中断，向R6赋于样值初始编号；最后，退回到主程序，处理流程图（11）

　　2、波形产生模块
　　
　　设计思想：

　　（1）将一个周期T的信号分离成32个点（按X轴等分），每面点之间的时间间隔为ΔT，用单片机的定时器产生。

　　（2）一个周期被分离成32个点，对应的三种波形的32个数据存放在以TAB1~TAB3为起始地址的存储器中。中断服务流程如图（12）所示。

　　波形产生流程如图（13）所示

　　结束语
　　
　　单片机应用于波形发生器，使现代波形发生器的开发极为方便，大大缩短了产品研制的周期，产品造价低廉，更易大规模生产。其主要特点是：（1）采用通用型硬件电路简化了仪器的硬件结构；（2）功能由软件实现，不同功能要求，编制不同程序来实现；（3）功能升级，能适应应用需求的变化，只要升级软件就可达到；（4）功耗低，体积小，可靠高，有利于不同场合的广泛使用；（5）性能价格比高，易于市场推广。