王文博
摘 要：信号发生器在工业以及科学实践中，在电子电路设计，自动控制系统的构建以及测试中发挥了巨大作用，是最为普遍的电子类仪器设备之一，为各种实验的进行以及实验数据的获取打下了坚实的基础。本文详细介绍了一个低频信号发生器的设计，从信号的产生、传输、到波形显示做了一个系统的阐述，利用MCU，对其实现给出了详细的介绍。
关键词：低频信号发生器；MCU；电子电路
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.140
0 引言
低频信号发生器作为提供信号激励源的仪器，可以在工业化生产过程中提供频率较低，波形不同的信号，其在生产实践中有着十分广阔的应用空间，也可以使用低频信号发生器可以更方便地获取一些实验数据，方便后期研究工作的进行。
1 总体方案设计
本设计总体思路为通过波形生成模块产生波形信号，经过波形采集得到波形数据，利用串行通信技术把相应数据送电脑端所编写好的软件来进行显示，以及完成波形的绘制。
本设计最终实现的功能如下：（1）产生不同种类的波形；（2）波形切换以及频率调节；（3）对所产生的波形进行采集；（4）采集得到的波形数据利用串行通信技术进行发送；（5）电脑端来接受数据并显示波形。
2 硬件电路的设计
多种频率、不同种类信号波形的产生，以及对所生成波形的采集是硬件设计部分的重点。其中波形的生成主要由STC89C52RC微控制器与外围模拟电路来完成，而波形的采集则是由MSP430G2553微控制器来完成的。在数模转换部分采用的是DAC0832，采用的是并行数模转换方式，需要的元件是电阻网络以及电子模拟开关。设计中使用的I/V转换电路应与DAC0832的内部结构相匹配，DAC0832的内部有一对输出引脚Iout1以及Iout2，，。由于使用了反相I/V转换电路导致输出的电压信号为负电压信号，若直接将该负电压信号引入到波形采集部分来进行采集，则会导致采集出来的数据都为0。这是因为在G2553微控制器的ADC10采集部分所设置的参考电压范围是0V至Vcc。当输入电压小于0V，ADC10所采集得到的数据变为0。为了使波形数据采集模块可以采集到波形数据，应使用电压反相电路来实现电压信号极性的反转。本设计中采用的电压反相放大电路，选用的运算放大器是LM358。LCD1602液晶屏在本设计中的作用使用来显示当前显示的波形种类，通过对LCD1602液晶屏的数据线赋值来显示相应的波形类别。LCD1602液晶屏的第三个引脚连接一个10K的电位器来调节液晶屏显示时的对比度。当该引脚接电源Vcc时对比度最弱，接GND时对比度最高。
3 軟件系统设计
软件设计主要包括两大部分：电脑端软件编程以及微控制器软件编程。其中微控制器软件设计主要是波形信号的产生，采集以及数据传送，其编程主要分为两个部分：STC89C52RC微控制器软件编程以及MSP430G2553微控制器软件编程。STC89C52RC微控制器的程序主要实现把内存中存储的波形数据送至DAC0832数模转换芯片的数字量输入端，判断外部按键是否按下并切换生成波形种类或者改变生成波形的频率，同时利用外接的LCD1602液晶屏来显示相关的提示信息。MSP430G2553微控制器的程序主要实现对生成波形的采集，采集之后利用内部的ADC10进行A＼D转换得到波形数据，再利用USCI（通用串行通信接口）中的UART模式向上位机发送波形数据。
在具体编程过程中设置产生的正弦波，矩形波，方波，三角波，锯齿波以及梯形波，波形种类的切换和生成的波形频率调整是通过外接按键来实现的。采用中断方式来识别按键动作，当STC89C52RC微控制器相应外部中断时，便转入到相应的中断服务函数当中。由于外部中断资源较少，仅有两个，分别对应了切换波形种类的按键以及改变输出波形频率的按键。为了在仅有两个按键的情况下对五种输出波形进行切换以及对输出波形频率的改变，在程序中设置了软件计数器来统计按键次数，不同的按键次数在switch语句体中对应不同的case语句，从而实现了波形种类以及频率的循环改变。
要对连续变化模拟量进行采集得到离散的数字量需要进行三个过程：采样保持，量化过程以及编码过程。MSP430G2553微控制器获取到波形数据后，把波形数据上传至上位机，上位机根据采样到的数据值绘制波形。为了使在上位机上用采集数据所绘制的波形与在示波器上面所观察到的波形形状类似，即采集并绘制出来的波形与原信号波形相比不产生失真，则ADC10的采样频率应满足香农采样定理，，为采样频率，为原信号中频率最高的分量的频率。上位机软件本质上是C#中的Windows Form窗体应用程序，其一大特点便是可视化图形编程界面以及控件（也就是类）的使用，用户可以通过在窗口界面上放置并编写这些控件所实现的功能。Windows Form窗体应用程序编程在某种意义上相当于是编写事件响应函数。上位机软件与微控制器的通信方式为串行通信方式，即在一根数据线上将所要发送的数据一位一位地依次传送，电脑端通过USB接口与微控制器相连，然后上位机把接收到的数据进行处理，最后把波形显示出来。
4 结束语
本设计能实现波形产生，波形调节，波形采集，波形数据传送以及上位机显示波形数据以及显示波形等相关功能。但该设计中仍然存在不少缺陷，比如产生的波形信号的频率可调范围有限；波形采集时未加入信号调理电路从而导致会把不少杂波信号也一并采集；当传输速率较快时上位机显示画面不佳；无法对采集到的波形数据进行进一步分析等，但这些缺陷会随着学习的深入而得到弥补，从而使该设计更加完美。
参考文献：
[1]梁巧艳，杨会彩，杜延军等. 一种基于AT89C51低频信号源的设计[J].现代电子技术，2008，31（21）：112-115.
[2]唐敏.程控低频信号源的设计[J].重庆师范大学学报：自然科学版，1996（04）：27-31.endprint
