工業(yè)設(shè)備常用頻率量信號(hào)作為采集量，如使用光電編碼器采信數(shù)據(jù)，當(dāng)調(diào)試使用頻率信號(hào)的設(shè)備時(shí)，由于機(jī)械等部份還未動(dòng)作，無(wú)法采集信號(hào)，因此需要使用信號(hào)發(fā)生器。對(duì)于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備，其要求與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備并不相同，如果直接使用實(shí)驗(yàn)室中所用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，往往會(huì)覺(jué)得其體積過(guò)大、價(jià)格太高、使用較麻煩等。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備，其絕對(duì)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(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是替代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的頻率采樣裝置，典型的如光電編碼器。通過(guò)調(diào)查，確認(rèn)最終要制作的信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)如下：

頻率范圍：0~1Hz，以0.1Hz步進(jìn)，1~500Hz，以1Hz步進(jìn)；波形：矩形波或方波均可；精度：頻率值的相對(duì)誤差不超過(guò)±1%；功能：（1）信號(hào)發(fā)生，信號(hào)發(fā)生器以給定的頻率輸出信號(hào)；（2）脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，儀器可對(duì)本身已發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；（3）設(shè)定值可存儲(chǔ)，每次上電自動(dòng)調(diào)出前次設(shè)定值。
二、初步設(shè)計(jì)
　　在確定了性能指標(biāo)后，可以進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，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(duì)輸出脈沖計(jì)數(shù)，雖未給出要求的計(jì)數(shù)值，但3位數(shù)碼管最大僅能計(jì)到999，似乎太少了一些，再考慮到該儀器以后的擴(kuò)展，如希望以后能加一些高端點(diǎn)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(pán)部分
　　鍵盤(pán)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(dāng)然也可以用多鍵（如市售有一些標(biāo)準(zhǔn)的12或16鍵鍵盤(pán)）等，經(jīng)過(guò)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(gè)數(shù)確定為5個(gè)。
　　鍵盤(pán)操作方案是儀器易用性的很重要的一個(gè)方面，這并非儀器的關(guān)鍵部分，但鍵盤(pán)、顯示程序的工作量往往占據(jù)整個(gè)設(shè)計(jì)的很大的一部份。對(duì)鍵盤(pán)設(shè)計(jì)，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(jì)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(gè)數(shù)值
2．鍵定義　
　　切換鍵　增加鍵　減少鍵　開(kāi)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(shí)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(jìn)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(jìn)入連續(xù)狀態(tài)，設(shè)定值快速減少。當(dāng)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(kāi)啟/停止鍵：開(kāi)始/停止信號(hào)發(fā)生
　　清除鍵：用于清除當(dāng)前脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)值。
4．工作過(guò)程
　　開(kāi)機(jī)后，信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)運(yùn)行，有信號(hào)輸出，按下“開(kāi)啟/停止”鍵，則信號(hào)發(fā)生器停止工作，沒(méi)有信號(hào)輸出，再次按下“開(kāi)啟/停止”鍵，則信號(hào)發(fā)生器又開(kāi)始工作，繼續(xù)輸出信號(hào)。
　　信號(hào)燈用于指示信號(hào)發(fā)生器工作還是停止，當(dāng)有信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，信號(hào)指示燈閃爍，信號(hào)發(fā)生器暫停工作時(shí)，信號(hào)指示燈滅。
三、硬件電路的設(shè)計(jì)
　　在確定了性能指標(biāo)、操作方案后，可以開(kāi)始設(shè)計(jì)，首先要確定信號(hào)產(chǎn)生的方式。該信號(hào)發(fā)生器的絕對(duì)精度指標(biāo)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(dá)到0.1HZ，如果采用模擬技術(shù)難以達(dá)到，或需要付出較高代價(jià)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(jī)做成全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器。
　　在有了這一設(shè)計(jì)思想之后，需要確定該方案是否可行，該方案準(zhǔn)備采用 單片機(jī) 的定時(shí)器產(chǎn)生信號(hào)，由于定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間只能是整數(shù)，因此，不可避免會(huì)在一些頻率點(diǎn)上產(chǎn)生誤差，為此，用Excel對(duì)計(jì)數(shù)值、真實(shí)頻率值作了測(cè)算，部分表格如表1和表2所示，經(jīng)過(guò)測(cè)算表明，當(dāng)采用12M晶振時(shí)，絕對(duì)誤差最大約0.12HZ（492Hz處），相對(duì)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(dāng)然，這僅是理論值，考慮到單片機(jī)定時(shí)中斷的響應(yīng)時(shí)間等因素，實(shí)際的誤差肯定要比這個(gè)計(jì)算值大，但是要達(dá)到±1%的精度要求并不難，而其長(zhǎng)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(zhǎng)期工作穩(wěn)定性也很好。
　　以下是部份測(cè)算的表格，完整的表格在本期光盤(pán)Excel文件中。
表1　較高頻率算法
理論頻率 t(ms) 真實(shí)頻率 絕對(duì)誤差 相對(duì)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(duì)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(hào)發(fā)生的方式以后，綜合初步設(shè)計(jì)中提出的一些技術(shù)指標(biāo)要求，進(jìn)一步確定具體的實(shí)施方案。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，顯示部分由 單片機(jī) 的P0口與P2口直接驅(qū)動(dòng)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則采用串行EEPROM；信號(hào)由單片機(jī)的一個(gè)I/O口輸出，并經(jīng)驅(qū)動(dòng)后輸出。
　　經(jīng)過(guò)上述的設(shè)計(jì)后，可以確定這個(gè)儀器的框圖如圖1所示。

　　原理框圖出來(lái)后，選擇一款合適的機(jī)殼，然后綜合考慮按鍵、數(shù)碼管的安裝方式，以便進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)計(jì)。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(jī) 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(jī)放在另一塊板上，必然要用大量導(dǎo)線與鍵盤(pán)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(jī)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(gè)設(shè)計(jì)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(dòng)、鍵盤(pán)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(jī) 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(jì)共有5個(gè)按鍵；
（3）EEPROM存儲(chǔ)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(jī) 片機(jī)的13、5、3、1、1個(gè)引腳，因此，單片機(jī)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(hào)，這里選用40引腳的AT89C51 單片機(jī) 。如果編程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部資源（如片內(nèi)RAM、ROM、定時(shí)器等）不夠，可以更換為89C52等其他單片機(jī)，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(kāi)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(hào)為輸出的儀器的標(biāo)準(zhǔn)輸出方式，如光電編碼器、霍爾開(kāi)關(guān)等。
　　全數(shù)字信號(hào)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(xiě)。


圖2

圖3