摘 要： 本文以单片机为核心设计了一个任意波形发生器，使用AT89C51和MATLAB的仿真功能，将希望得到的波形信号在MATLAB中完成信号的产生、抽样和模数转换，并将得到的波形数据存放到数据存储器中的仿真过程，最后通过单片机对AD7545的控制，进行A/D转换和放大后，得到所需模拟信号波形。
关键词： 单片机 波形发生器 AT89C51 AD7545 硬件系统设计
在电子工程设计中，常常需要一些可产生任意信号波形，频率方便可调的波形发生器，通常的信号发生器难以满足这类要求，而市场上出售的任意信号发生器价格昂贵。结合实际需要，我们设计了一种任意波形发生器。利用MATLAB的仿真功能，将希望得到的波形信号在MATLAB中完成信号的产生、抽样和模数转换，并将得到的数字波形数据存放到数据存储器中，通过单片机对AD7545的控制，将波形数据从数据存储器的表中读出，送入后向通道进行D/A转换和放大处理后得到所需的模拟信号波形。利用上述方法设计的波形发生器，通过编程和构造数据表格，其信号参数可调，可输出任一波形，实现了硬件电路的软件化设计。
1.硬件系统框图
该波形发生器的硬件系统是由单片机、存储器和D/A转换器构成，通过编程设定频率、脉宽及任意波形数据，并将数据以表格的形式存放在程序存储器中。在单片机的控制下，利用AD7545完成D/A转换，从而得到所需的任意波形信号。硬件系统结构框图如图1所示。图中分频电路和地址发生器由CPLD实现。
2.电路设计及实现
2.1单片机控制电路
系统采用AT89C51单片机，通过编程产生所需控制信号。主要的控制参数包括：信号周期、脉宽、分频电路的开始信号、地址发生器的复位信号、E2PROM的选通信号、D/A转换电路的选通信号。在具体电路中，端口P1.0控制分频电路的启动、P1.1控制地址发生器的清零，P2.0控制28C256和AD7545的选通信号。单片机工作在定时器方式1，软件设计利用C语言实现。控制流程图如图2所示。
2.2波形数据生成
MATLAB作为一款优秀的数学工具软件，具有强大的运算功能，可以方便地产生各种信号波形，在软件中实现波形信号的产生、抽样和模数转换。设计的任意波形发生器，数据存储器选用28C256芯片，信号波形通过MATLAB仿真产生，得到的波形数据存放在数据存储器28C256中。具体设计中，我们要求产生周期为200ms，脉宽为5ms的单/调频混合信号，其中单频信号的脉宽为4ms，频率为30kHz，调频信号的脉宽为1ms，频率为30―35kHz。在MATLAB中设定抽样率为500kHz，得到了2500个波形数据。这些混合波形数据在烧录入到程序存储器的过程中，由于波形数据较多，直接用手工录入数据存储器中不仅费时且容易出错。为克服这一弊端，通过MATLAB编程的方法将产生的波形数据按照HEX文件的INTEL格式存放，然后将这些波形数据整批次烧录入程序存储器的表格中。采用上述方法，波形数据生成简单、快捷，可根据需要在软件程序中方便地修改信号参数，无需改动硬件电路即可实现信号参数的功能扩展。
2.3CPLD逻辑设计
分频电路采用两片74HC163实现。通过分频电路，将12MHz的晶振标准频率分频后，得到500KHz的抽样频率，作为地址发生器的时钟。分频电路的工作由单片机控制。
地址发生器电路由3片74HC163组成，时钟频率为500kHz，由分频电路提供，其输出频率与存入程序存储器表格中的波形数据抽样频率相一致，以实现数据的无失真读出。
电路设计中，采用ALTRA公司的EPM7128AETC100－10芯片，在MAX+PLUSⅡ开发环境中完成分频器的电路设计，可以省去大部分的中小规模集成电路和分离元件，使得电路具有集成度高、工作速度快、编程方便、价格低廉的显著优点。通过CPLD和数据预生成的信号实现方法，无需改变硬件电路，即可实现信号参数的任意调整，同时外围电路十分简单，为工程调试和应用带来了方便。
2.4D/A转换电路
D/A转换电路的实现如图3所示。电路中AD7545将波形数据转换为模拟信号，然后采用LF353进行信号滤波和整形。
3.结语
采用上述方法设计的波形发生器，通过软件和硬件结合，充分发挥了MATLAB强大的仿真功能，尽可能减少了硬件开销。根据实际需要，可产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等多种波形，可以产生线性调频信号（LFM）、单频脉冲信号（CW）、余弦包络信号，以及他们之间的组合信号等多种波形参数，满足了工程需要。该波形发生器用于非周期波形信号的发生效果良好。
参考文献：
［1］刘光斌，刘冬.单片机系数实用抗干扰技术［M］.北京，人民邮电出版社，2008.
［2］胡汉才.单片机原理及其接口技术［M］.北京:清华大学出版社，2010.
［3］张善德.微型计算机系统的设计方法和接口技术［M］北京，人民邮电出版社，2008.
［4］刘乐善.微型计算机接口技术及应用［M］.武汉:华中理工大学出版社，2005.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
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