工業(yè)設(shè)備常用頻率量信號作為采集量，如使用光電編碼器采信數(shù)據(jù)，當調(diào)試使用頻率信號的設(shè)備時，由于機械等部份還未動作，無法采集信號，因此需要使用信號發(fā)生器。對于在工業(yè)現(xiàn)場使用的設(shè)備，其要求與實驗室設(shè)備并不相同，如果直接使用實驗室中所用的標準信號發(fā)生器，往往會覺得其體積過大、價格太高、使用較麻煩等。工業(yè)現(xiàn)場使用的設(shè)備，其絕對精度要求并不高，關(guān)鍵要穩(wěn)定可靠，便于攜帶和使用。
一、性能分析
　　這個項目的目標是替代工業(yè)現(xiàn)場的頻率采樣裝置，典型的如光電編碼器。通過調(diào)查，確認最終要制作的信號發(fā)生器的性能指標如下：

頻率范圍：0~1Hz，以0.1Hz步進，1~500Hz，以1Hz步進；波形：矩形波或方波均可；精度：頻率值的相對誤差不超過±1%；功能：（1）信號發(fā)生，信號發(fā)生器以給定的頻率輸出信號；（2）脈沖個數(shù)計數(shù)，儀器可對本身已發(fā)出的脈沖個數(shù)進行計數(shù)；（3）設(shè)定值可存儲，每次上電自動調(diào)出前次設(shè)定值。
二、初步設(shè)計
　　在確定了性能指標后，可以進行初步設(shè)計，考慮其顯示、操作等方面的要求。
1、顯示部分
　　待設(shè)定的頻率值最高為500HZ，只要3位數(shù)碼管即可；要求對輸出脈沖計數(shù)，雖未給出要求的計數(shù)值，但3位數(shù)碼管最大僅能計到999，似乎太少了一些，再考慮到該儀器以后的擴展，如希望以后能加一些高端點頻（600、700、800、900、1000、2000、5000、10K等），需要更多的數(shù)碼管顯示，因此最終選擇5位數(shù)碼管顯示。
2、鍵盤部分
　　鍵盤有很多方案可供選擇，如工業(yè)品中常用的三鍵或四鍵方案，當然也可以用多鍵（如市售有一些標準的12或16鍵鍵盤）等，經(jīng)過反復(fù)比較，考慮到易制作、易使用等等諸多因素，最終將鍵的個數(shù)確定為5個。
　　鍵盤操作方案是儀器易用性的很重要的一個方面，這并非儀器的關(guān)鍵部分，但鍵盤、顯示程序的工作量往往占據(jù)整個設(shè)計的很大的一部份。對鍵盤設(shè)計，重要的是要確定各按鍵功能，描述出各鍵的具體操作。
　　本儀器的鍵設(shè)計如下：
1．工作狀態(tài)描述　
　　由轉(zhuǎn)換鍵切換兩種狀態(tài)
（1）顯示設(shè)定的頻率值
（2）顯示脈沖個數(shù)值
2．鍵定義　
　　切換鍵　增加鍵　減少鍵　開啟/停止鍵　清除鍵
3．鍵操作描述
　　切換鍵：切換兩種工作狀態(tài)
　　增加和減少鍵：在顯示設(shè)定頻率值時按，按增加鍵、減少鍵設(shè)定頻率，范圍為0.1~500HZ，每按一次增加鍵，設(shè)定值加1，如果按著鍵不放，稍后進入連續(xù)狀態(tài)，設(shè)定值快速增加；按減少鍵，設(shè)定值減1，如果按著鍵不放，稍后進入連續(xù)狀態(tài)，設(shè)定值快速減少。當頻率設(shè)定值小于1以后，每按一次增加或減少鍵，設(shè)定值增加或減少0.1。
　　開啟/停止鍵：開始/停止信號發(fā)生
　　清除鍵：用于清除當前脈沖個數(shù)的計數(shù)值。
4．工作過程
　　開機后，信號發(fā)生器自動運行，有信號輸出，按下“開啟/停止”鍵，則信號發(fā)生器停止工作，沒有信號輸出，再次按下“開啟/停止”鍵，則信號發(fā)生器又開始工作，繼續(xù)輸出信號。
　　信號燈用于指示信號發(fā)生器工作還是停止，當有信號產(chǎn)生時，信號指示燈閃爍，信號發(fā)生器暫停工作時，信號指示燈滅。
三、硬件電路的設(shè)計
　　在確定了性能指標、操作方案后，可以開始設(shè)計，首先要確定信號產(chǎn)生的方式。該信號發(fā)生器的絕對精度指標不高，但是其要求的最低頻率低至0.1HZ，而最高分辨也要求達到0.1HZ，如果采用模擬技術(shù)難以達到，或需要付出較高代價才能做到?？紤]到儀器的最高輸出頻率僅為500HZ，而且只需要提供要方波或矩形波，所以采用 單片機 做成全數(shù)字信號發(fā)生器。
　　在有了這一設(shè)計思想之后，需要確定該方案是否可行，該方案準備采用 單片機 的定時器產(chǎn)生信號，由于定時器的定時時間只能是整數(shù)，因此，不可避免會在一些頻率點上產(chǎn)生誤差，為此，用Excel對計數(shù)值、真實頻率值作了測算，部分表格如表1和表2所示，經(jīng)過測算表明，當采用12M晶振時，絕對誤差最大約0.12HZ（492Hz處），相對誤差最大約0.024%（492Hz處），可以滿足要求，因此決定采用這一方案。當然，這僅是理論值，考慮到單片機定時中斷的響應(yīng)時間等因素，實際的誤差肯定要比這個計算值大，但是要達到±1%的精度要求并不難，而其長期工作的穩(wěn)定性取決于晶振的穩(wěn)定度，并且晶振頻率的變化引起的輸出頻率的變化也很微小，因此其長期工作穩(wěn)定性也很好。
　　以下是部份測算的表格，完整的表格在本期光盤Excel文件中。
表1　較高頻率算法
理論頻率 t(ms) 真實頻率 絕對誤差 相對誤差
10 100000 10 0.00E+00 0.00E+00
11 90909 11.00001 1.00E-06 9.09E-08
12 83333 12.00005 4.00E-06 3.33E-07
13 76923 13.00001 1.00E-06 7.69E-08
14 71429 13.99992 -6.00E-06 -4.29E-07
15 66667 14.99993 -5.00E-06 -3.33E-07
16 62500 16 0.00E+00 0.00E+00
17 58824 16.99986 -8.00E-06 -4.71E-07
18 55556 17.99986 -8.00E-06 -4.44E-07
19 52632 18.99985 -8.00E-06 -4.21E-07
20 50000 20 0.00E+00 0.00E+00

表1　較低頻率算法
f(hz) t(ms) 次數(shù) 頻率值 誤差 相對誤差
0.1 10000000 5000 0.1 0.00E+00 0.00E+00
0.2 5000000 2500 0.2 0.00E+00 0.00E+00
0.3 3333333 1667 0.29994 -2.00E-04 -6.67E-04
0.4 2500000 1250 0.4 0.00E+00 0.00E+00
0.5 2000000 1000 0.5 0.00E+00 0.00E+00
0.6 1666667 833 0.60024 4.00E-04 6.67E-04
0.7 1428571 714 0.70028 4.00E-04 5.72E-04
0.8 1250000 625 0.8 0.00E+00 0.00E+00
0.9 1111111 556 0.899281 -7.99E-04 -8.88E-04
　　在確定了信號發(fā)生的方式以后，綜合初步設(shè)計中提出的一些技術(shù)指標要求，進一步確定具體的實施方案。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，顯示部分由 單片機 的P0口與P2口直接驅(qū)動；數(shù)據(jù)存儲則采用串行EEPROM；信號由單片機的一個I/O口輸出，并經(jīng)驅(qū)動后輸出。
　　經(jīng)過上述的設(shè)計后，可以確定這個儀器的框圖如圖1所示。
 
　　原理框圖出來后，選擇一款合適的機殼，然后綜合考慮按鍵、數(shù)碼管的安裝方式，以便進行更詳細的設(shè)計。數(shù)碼管和按鍵必須安裝在印板上才能安裝到面板上，數(shù)碼管與 單片機 的連線較多，5位數(shù)碼管，需要13根線，再加上按鍵的連線共有19根，如果將單片機放在另一塊板上，必然要用大量導(dǎo)線與鍵盤顯示板連接，而大量的連線是我們不愿意做的，這不僅使得安裝困難，而且線易折斷造成故障，因此干脆將單片機也裝在同一塊板上，只留下電源和輸出電路放在另一塊板上，這樣，兩塊板間只需3根引線即可，大大降低了裝配困難，也減少了故障隱患。
　　整個設(shè)計的原理圖，如圖2和圖3所示。其中圖2是主板圖，提供了包括數(shù)碼管顯示驅(qū)動、鍵盤等在內(nèi)的大部份功能。
　　從圖中可以看到，該電路主要由這樣幾部份組成：
（1）數(shù)碼管顯示部份，由 單片機 及相關(guān)外圍電路構(gòu)成5位數(shù)碼管顯示電路；
（2）按鍵部份，按設(shè)計共有5個按鍵；
（3）EEPROM存儲器，這里選擇I2C接口的AT24C01A芯片；
（4）一只LED指示燈；
（5）輸出管腳。
　　以上分別需要 單片機 片機的13、5、3、1、1個引腳，因此，單片機共要用到23只管腳。
　　引腳數(shù)量確定后，即可初步確定主芯片的型號，這里選用40引腳的AT89C51 單片機 。如果編程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部資源（如片內(nèi)RAM、ROM、定時器等）不夠，可以更換為89C52等其他單片機，比較靈活。
　　圖3是電源、輸出部分，從圖中可以看出，儀器的輸出接口采用兩種方式，即集電極開路（OC門）方式和射極輸出方式，其中OC門方式是很多以頻率信號為輸出的儀器的標準輸出方式，如光電編碼器、霍爾開關(guān)等。
　　全數(shù)字信號發(fā)生器的硬件部分就介紹到這里，下一期將介紹程序的編寫。


圖2

圖3