单片机课程设计——中低频信号发生器设计_低频信号发生器设计
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中低频信号发生器设计
一、方案设计：
使用单片机控制DA芯片产生模拟波形是一种产生所需信号的简单方式，但由于受到普通DA芯片的设置时间以及单片机自身晶振频率的限制，产生的波形频率往往难以超过10khz，本设计不使用传统DA芯片而使用模电知识设计频率可变的波形发生器电路，额外添加一个乘法器实现AM调制功能，并使用单片机控制其频率切换。
本设计从总体上可分为三个模块：（1）单片机控制部分（2）波形发生模块（3）AM调制模块
由于大部分工作使用模电完成了，所以单片机部分就相对简单，只需最基本的用于维持单片机工作的分立元件，使用IO口控制模拟部分产生所需波形。
波形发生器模块分为两部分，一部分为正弦波、方波、三角波产生电路，另一部分设计为提供单片机控制上述波形发生电路中的振荡回路中的RC值的接口，以实现对其的频率进行控制。
AM调制模块使用市场上现有的乘法器芯片mc1496，使用该芯片文档中的AM调制电路并适当调节电路参数，即可实现AM调制功能。
二、方案仿真与实现：
（一）AM调制模块
Mc1496芯片手册中的AM调制电路：
该电路在仿真和实际电路中都无法实现所需功能，经过反复实验结合网上的资源，得出了如下图的电路，在仿真中该电路载波输入小于100mv时可以输出比较良好的AM调制波形（调制信号不能大于该幅值的1/2），在实际电路中载波输入的峰峰值必须小于70mV。仿真电路：
0R51kΩJ1XFG1Key = A 11J209XFG2C3Key = A 10µF173C2100nF18R121kΩ0R9750ΩR85R10750ΩC4100nFR111kΩ1080VDD5VR1351Ω2IO2IO3IO8IO10IO1IO4IO6IO12R420kΩC110nFR15131kΩ14u26V112 V 0R620kΩR720kΩXSC1Ext Trig+164A+_+_B_IO14IO512mc1496_1R1414kΩ050kΩ6Key=A50%7V28 V 仿真结果：
（二）正弦波发生模块
使用文氏桥式振荡电路输出正弦波，使用八路模拟开关CD4051实现振荡回路频率的调节，具体电路见下图：
R2100kΩ50%V2Key=A5 V D11N4002GPR3120kΩD2112U1A11N4002GPXSC1Ext Trig+R533kΩ34LM324DR41kΩC2100nFV15 V C1100nFR11kΩ+_A_+B_ 仿真结果：
R2100kΩ50%V2Key=A5 V D11N4002GPR3120kΩD2112U1A11N4002GPR533kΩCD4051INPUT34CD4051OUTPUTXSC1Ext Trig+LM324DR41kΩC2100nFV15 V C1100nFR11kΩ+_A_+B_CD4051INPUTJ1AKey = A J2BKey = A J3CKey = A J4DKey = A J6FKey = A J7GKey = A J5EKey = A C3100nFR61kΩC4100nFR71kΩC5100nFR81kΩC6100nFR91kΩC7100nFR101kΩC8100nFR111kΩC9100nFR121kΩ1J8AKey = A J9BKey = A J10CKey = A J11DKey = A J13FKey = A J14GKey = A J12EKey = A C10100nFR131kΩC11100nFR141kΩC12100nFR151kΩC13100nFR161kΩC14100nFR171kΩC15100nFR181kΩC16100nFR191kΩ30
因为CD4051在Mutisim仿真库中没有，只好使用开关表示CD4051的功能，使用单片机控制CD4051的A、B、C三个引脚选择0~7八个开关闭合，使得RC振荡回路的频率可以被 当输出频率较高时波形会产生比较明显的失真，可以使用可编程滤波器改善波形，但考虑到成本因素，在本设计中没有采用这种方案（以上电阻电容和实际电路中的值不同）。正弦波频率的计算公式：
f1/(2RC)
方波和三角波产生电路：
R110kΩC124V25 V R250kΩ40%Key=AU1AR313XSC1Ext Trig+_A+_+B_50nFR410kΩ81kΩLM358ADR5V15 V 10kΩD11N5759A
方波和三角波频率计算公式： f1/(2*(R1R2)*C1*ln(12*R4/R5))
正弦波电路中的频率调节电路也可以适用于方波和三角波发生器上，实现利用单片机控制输出频率的目的。
（三）单片机控制模块： 本设计侧重于使用廉价的模拟电路代替高昂的DA芯片实现较高频率波形发生器的功能，对于单片机的控制作用并不是十分依赖，使用单片机可以使得频率的调节更加简单，也可以为进一步开发提供帮助，单片机仿真电路：
C2U122pF19XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD*********617SINASINBSINCSININHSQU_TRI_ASQU_TRI_BSQU_TRI_CSQU_TRI_INHX1CRYSTAL18C122pFXTAL2C3910uFRSTR110k293031PSENALEEA12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51 SINA、SINB、SINC为正弦波发生电路中用到的CD4051的3位地址，用于选择某一个RC回路作为振荡回路，SININH为正弦波发生电路中用到的CD4051芯片的片选。
SQU_TRI_A、SQU_TRI_B、SQU_TRI_C为方波和三角波发生电路中用到的CD4051的3位地址，用于选择某一个RC回路作为振荡回路，SQU_TRI_INH为为方波和三角波发生电路中用到的CD4051芯片的片选。
用以上八个脚控制输出的正弦波、方波、三角波的频率。
P1.0~P1.3为用户改变电路运行状态的按键，分别为：改变输出波形类型、增大输出频率、降低输出频率、改变AM调制波形输出信号的载波频率。
三、课程设计感想
正如方案设计中所述，这个课程设计的目的是为了克服普通DA+单片机构成的波形发生器电路只能输出低频信号的障碍，在实验中，我发现使用文氏振荡器产生正弦波可以输出频率100khz以上的信号，可以满足本设计要求，但当其输出频率较高时会出现比较明显的失真，这个问题可以使用可编程滤波器滤出所需频率来解决，也可以自建中心频率可变的带通滤波器滤出所需频率，虽然最后由于时间和成本的限制没能够设计出一个符合要求的滤波器，但我找到了一款非常人性化的滤波器设计软件FWP3232，使用该软件可以方便的设计有源滤波器，但要实现中心频率可变需要的模拟开关数目太多（我目前只想到这种使用模拟开关的解决办法），只好放弃这个想法。单片机的设计比较简单，只要在主程序中不断查询几个按键，根据用户的按键操作改变控制模拟开关的管脚电平实现对输出波形频率、类型的控制即可。最麻烦的是乘法器的制作，因为我最开始不知道使用mc1496构成的乘法器用于实现AM调制时载波的峰峰值不能大于70mv，连续两天都看不到AM调制波形还十分匪夷所思的看到类似载波和调制信号叠加的波形；另外，我最开始不知道mc1496的输出幅值和那些参数有关，只是单纯的使用了pdf中的电路，结果怎么也看不到，后来在网上搜集了一些资料才知道我放置在管脚5上的电阻太大了，导致mc1496芯片中的三极管射级输出电流太小，乘法器无法起到相乘的作用，自然无法实现调制。本次课程设计最大的收获在于深化了我对单片机在控制系统中的作用的理解，单片机不一定要承担所有的功能（输出波形、提供菜单、控制外围器件），使用辅助的外围模块实现主要功能，使用单片机提供操作接口，则更可以满足性能需求又可以提供实时高效的服务。
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