单片机：实现信号发生器（附带源码）

单片机实现信号发生器

信号发生器（Signal Generator）是一种常见的测试装备，通常用于生成不同类型的信号，如正弦波、方波、三角波、锯齿波等，用于测试和调试电子电路。在嵌入式系统中，通过单片机（如51系列单片机）实现信号发生器是一个有趣且实用的项目。本文将介绍如何使用单片机通过PWM（脉宽调制）方式生成各种信号波形。
1. 项目需求分析

目标：

• 方波生成：通过PWM技能生成稳固的方波信号。
  
• 频率调节：通过单片机调节方波的频率。
  
• 信号输出：通过GPIO或DAC输出波形信号。
  
• 表现与控制：通过LCD或按键输入设置频率，控制输出波形。
  

功能需求：

• 生成方波信号：利用PWM（脉宽调制）方式输出方波信号。
  
• 控制信号频率：通过按键输入，调解方波的频率。
  
• 频率表现：通过LCD屏幕表现当前频率。
  
• 波形输出：可以通过单片机的I/O口或DAC接口输出模拟信号。
  

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2. 硬件计划

2.1 单片机选择

选择一款具有较多I/O口和PWM功能的单片机，如51系列单片机，来控制信号生成、频率调节和表现输出。
2.2 PWM输出

利用单片机的PWM模块输出方波信号。通过调解PWM的频率，可以改变输出信号的频率。PWM信号通过滤波器后，能得到靠近正弦波的模拟信号。
2.3 表现模块

为了表现当前频率，可以使用LCD表现屏（如1602 LCD）大概OLED表现屏。
2.4 输入模块

通过按键来调节频率。例如，按键增长或减少频率值。为了实现频率的精细调解，可以接纳多级菜单大概数值输入的方式。
2.5 输出方式

• 假如需要模拟信号输出，可以使用低通滤波器将PWM信号转换为平滑的模拟波形。
  
• 假如需要数字信号，可以直接将PWM信号输出到测试装备。
  

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3. 软件计划

3.1 PWM信号的生成

在单片机中，PWM信号的产生是通过定时器/计数器来实现的。定时器根据预设的频率举行计时，然后根据计时结果控制PWM输出的高低电平。
3.2 频率调节

频率调节通常通过修改PWM定时器的周期来实现。通过按键输入，可以动态调解定时器的计数周期，从而改变PWM信号的频率。
3.3 LCD表现

LCD表现模块用来表现当前的频率。通过按键输入频率后，可以实时更新表现的频率值。
3.4 代码实现

以下是使用51单片机实现信号发生器的代码示例。代码中使用PWM产生方波信号，并通过按键调节频率，同时表现当前频率。

1. #include <reg51.h>
2. #include <stdio.h>
3. #include <intrins.h>
5. // 定义LCD控制端口
6. #define LCD_DATA P2   // LCD数据口连接到P2口
7. #define LCD_CTRL P3   // LCD控制口连接到P3口
8. #define RS P3^0
9. #define RW P3^1
10. #define EN P3^2
12. // 按键输入端口
13. #define KEYBOARD P1   // 按键连接到P1口
15. // 定义PWM信号的输出引脚
16. #define PWM_PIN P2^0  // PWM信号输出连接到P2.0
18. // 频率步进值
19. #define FREQ_STEP 10
21. // 定义PWM周期和频率
22. unsigned int pwm_freq = 1000;  // 初始频率为1000Hz
24. // 延时函数
25. void delay(unsigned int time) {
26.     unsigned int i, j;
27.     for(i = 0; i < time; i++) {
28.         for(j = 0; j < 120; j++);
29.     }
30. }
32. // LCD控制函数：写命令
33. void lcd_write_cmd(unsigned char cmd) {
34.     LCD_DATA = cmd;
35.     RS = 0;    // 选择命令寄存器
36.     RW = 0;    // 选择写操作
37.     EN = 1;    // 使能LCD
38.     delay(5);
39.     EN = 0;    // 关闭使能
40. }
42. // LCD控制函数：写数据
43. void lcd_write_data(unsigned char data) {
44.     LCD_DATA = data;
45.     RS = 1;    // 选择数据寄存器
46.     RW = 0;    // 选择写操作
47.     EN = 1;    // 使能LCD
48.     delay(5);
49.     EN = 0;    // 关闭使能
50. }
52. // LCD初始化
53. void lcd_init() {
54.     lcd_write_cmd(0x38);    // 设置显示模式
55.     lcd_write_cmd(0x0C);    // 打开显示，光标不可见
56.     lcd_write_cmd(0x06);    // 设置光标移位方向
57.     lcd_write_cmd(0x01);    // 清屏
58.     delay(10);
59. }
61. // LCD清屏
62. void lcd_clear() {
63.     lcd_write_cmd(0x01);    // 清屏命令
64.     delay(10);
65. }
67. // LCD显示字符串
68. void lcd_display_string(char* str) {
69.     while(*str) {
70.         lcd_write_data(*str);
71.         str++;
72.     }
73. }
75. // PWM信号产生
76. void pwm_generate(unsigned int frequency) {
77.     unsigned int timer_value;
78.     unsigned int period = 1000000 / frequency;  // 计算PWM周期，单位为微秒
80.     // 假设使用Timer0生成PWM信号
81.     timer_value = 65536 - period;  // 计算定时器初值
82.     TH0 = (timer_value >> 8) & 0xFF;  // 高8位
83.     TL0 = timer_value & 0xFF;  // 低8位
84.    
85.     TR0 = 1;  // 启动定时器
86.     while (TF0 == 0);  // 等待定时器溢出
87.     TF0 = 0;  // 清除溢出标志
88.     PWM_PIN = ~PWM_PIN;  // 切换PWM输出的电平
89.     TR0 = 0;  // 停止定时器
90. }
92. // 按键扫描
93. unsigned char key_scan() {
94.     if (KEYBOARD != 0xFF) {  // 按键按下
95.         delay(10);  // 去抖动延时
96.         if (KEYBOARD == 0xFE) {
97.             return 1;  // 按键1
98.         } else if (KEYBOARD == 0xFD) {
99.             return 2;  // 按键2
100.         } else if (KEYBOARD == 0xFB) {
101.             return 3;  // 按键3
102.         } else if (KEYBOARD == 0xF7) {
103.             return 4;  // 按键4
104.         }
105.     }
106.     return 0;  // 没有按键按下
107. }
109. // 显示频率
110. void display_frequency() {
111.     char buffer[16];
112.     lcd_clear();
113.     lcd_display_string("Freq: ");
114.     sprintf(buffer, "%d Hz", pwm_freq);
115.     lcd_display_string(buffer);
116. }
118. void main() {
119.     unsigned char key;
121.     // 初始化LCD
122.     lcd_init();
124.     // 初始化PWM
125.     TMOD = 0x02;  // 配置Timer0为自动重载模式
126.     pwm_generate(pwm_freq);
128.     while(1) {
129.         key = key_scan();  // 扫描按键
130.         if (key == 1) {
131.             pwm_freq += FREQ_STEP;  // 增加频率
132.         } else if (key == 2) {
133.             pwm_freq -= FREQ_STEP;  // 减少频率
134.         }
135.         display_frequency();  // 显示当前频率
136.         pwm_generate(pwm_freq);  // 更新PWM频率
137.     }
138. }

复制代码

4. 代码剖析

• PWM信号生成：
  
  
  
  • 使用定时器Timer0生成PWM信号。根据所需频率，计算定时器的初值，并使定时器周期性地改变PWM引脚（P2.0）的状态，从而生成方波信号。
    
  
  
• 频率调节：
  
  
  
  • 通过按键输入（在此例中为1和2键），可以调解PWM的频率。在每次按键按下时，频率增长或减少FREQ_STEP步长（10Hz）。
    
  
  
• LCD表现：
  
  
  
  • LCD表现函数lcd_display_string()用于将当前频率通过LCD表现器表现出来。
    
  
  
• 按键扫描：
  
  
  
  • key_scan()函数扫描按键输入，判定哪个按键被按下。根据按键输入调解频率值。
    
  
  
• 定时器设置：
  
  
  
  • 使用定时器0的主动重载模式产生PWM信号，通过pwm_generate()函数来控制PWM输出的频率。
    
  
  

5. 总结

通过单片机实现信号发生器，主要是利用定时器产生PWM信号，再通过滤波或直接输出方波等方式获取不同频率的信号。此项目不但能资助学习PWM技能，还能加深对频率调节、LCD表现和按键输入等嵌入式系统底子功能的理解。
扩展方向：

• 多波形生成：可以通过改变PWM占空比生成不同的波形（如三角波、锯齿波等）。
  
• 更精确的频率控制：使用更高精度的定时器，支持更过细的频率调节。
  
• 支持更多波形输出：比如正弦波，可以通过DAC（数模转换器）输出。
  

这个项目适用于嵌入式系统的学习和测试装备的开辟，可以或许提供一种简朴的方式来生成各种频率信号。

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