基于单片机的低频信号发生器的设计毕业论文

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摘要

本文是基于单片机的低频信号发生器的设计。我所设计的信号发生器是由单片机AT89C51，D/A转换器DAC0832，低频放大器LM324和四位一体数码管实现的。本系统输出的电压范围是0～5V，频率范围是1～1000Hz，以电压的方式输出正弦波、三角波和方波信号，用数码管显示信号的频率。可通过键盘选择输出波形和调节频率的大小。该信号发生器具有操作简便、灵活，性价比高和智能化的特点，可广泛用于电子测量、调试工程中。

本文首先对信号发生器的原理，发展历史进行了较全面的介绍，为本次设计奠定了扎实的基础。其次，介绍了信号发生器的种类，通过对几种不同低频信号发生器的比较从中确定本次设计方案，并介绍其基本设计原理。其次，通过学习AT89C51和DAC0832的主要结构和功能,设计了一种以这两个芯片为核心的低频信号发生器。本次设计主要是通过软件控制整个电路系统，最后通过软件的主程序流程图和子程序流程图介绍本系统软件的工作过程。

关键词 信号发生器；单片机AT89C51；D/A转换；低频放大器

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Abstract

This article is according to the low-frequency signal generator single-chip design. I designed the signal generator is made up with a single-chip microcomputer of AT89C51, D/A converter of DAC0832, low-frequency amplifier of LM324 and four-in-one digital control to achieve. The system can output the electric voltage biggest be worth for the 0-5 V. The frequency is a 1-1000 Hz Of rectangle wave, triangle wave, and sine wave，for third kinds of form signal.,output voltage waveform signal with a digital display signal frequency. The signal generator is simple, flexible, cost-effective and intelligent features, can be widely used in electronic measurement and testing work.

This article first introduce signal generating device principle, the historical development has been carrying on the comprehensive introduction, has laid the solid foundation for this design. Secondly, introduced signal generating device's type, through to several kind of different low-frequency signal generator's comparison definite this design proposal, and introduces its important job principle. Thridly, through studies AT89C51 and the DAC0832 primary structure and the function, has designed one kind of these two chips as the core low-frequency signal generator. This design is mainly through the software control entire circuitry, finally introduces this system software work process through software's master routine flow chart and the subroutine flow chart.

Keywords The signal occurrence machine；Monolithic machine AT89C51；

D/A conversion；low noise amplifier

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目 录

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第1章 绪论 ........................................................................................................ 1

1.1 课题背景 ............................................................................................... 1

1.2 信号发生器的发展历史 ....................................................................... 1 1.3 信号发生器发展趋势及现状 ............................................................... 3 1.4 课题主要内容和章节安排 ................................................................... 4 第2章 低频信号发生器的设计原理 ................................................................ 6

2.1 信号发生器的种类 ............................................................................... 6 2.1.1 按输出信号频率范围分类 ............................................................ 6 2.1.2 按输出波形分类 ............................................................................ 6 2.1.3 按信号发生器的性能分类 ............................................................ 7 2.2 低频信号发生器的方案设计 ............................................................... 7 2.2.1 方案一 ............................................................................................ 7 2.2.2 方案二 ............................................................................................ 8 2.2.3 方案三 ............................................................................................ 9 2.3 基于AT89C51信号发生器的方案设计及原理 ................................. 9 2.3.1 信号发生器的硬件电路设计方案 ................................................ 9 2.3.2 信号发生器的软件电路设计方案 ............................................... 11 2.4 本章小结 ............................................................................................. 12 第3章 信号发生器的硬件部分 ...................................................................... 13

3.1 主要器件 ............................................................................................. 13 3.1.1 单片机芯片AT89C51 ................................................................. 13 3.1.2 数模转换器DAC0832 ................................................................ 16 3.1.3 LM324的结构与功能 .................................................................. 18 3.2 单元电路设计 ..................................................................................... 19 3.2.1时钟电路 ....................................................................................... 19 3.2.2复位电路 ....................................................................................... 20 3.2.3 电源电路 ...................................................................................... 20

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3.2.4 数码管显示接口电路 ................................................................... 21 3.2.5 键盘接口电路 ............................................................................... 22 3.2.6 D/A转换电路 ................................................................................ 23 3.2.7 I/V转换电路 ................................................................................. 24 3.3 本章小结 .............................................................................................. 25 第4章 信号发生器的软件部分 ...................................................................... 26

4.1 主程序流程图 ...................................................................................... 26 4.2 子程序流程图 ...................................................................................... 27 4.2.1 显示子程序流程图 ....................................................................... 27 4.2.2 正弦波产生流程图 ....................................................................... 28 4.2.3 方波和三角波产生流程图 ........................................................... 29 4.2.4 中断子程序流程图 ....................................................................... 30 4.3.5 键扫描子程序流程图 ................................................................... 32 4.3 本章小结 .............................................................................................. 33 结 论 .................................................................................................................. 34 参考文献 ............................................................................................................ 35 致 谢 .................................................................................................................. 57 附录1 ................................................................................................................. 37 附录2 ................................................................................................................. 42 附录3 ................................................................................................................. 46 附录4 ................................................................................................................. 56

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第1章 绪论

1.1 课题背景

随着社会科学的进步，电力电子技术的发展，人们对于一些电路分析所需的仪器种类越来越多，同时要求其的精度也越来越高。科学技术的发展应是以面向人性化、智能化、经济化为一体的发展为目标。本论文正是以单片机控制信号发生器为出发点，用单片机作为中央控制器，直接由软件产生波形信号的输出，并可通过软件的修改，达到输出三种波形的目的及其他相关的功能。

单片机本身就是一个小型化的微机系统。是将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路。单片机技术与电路设计技术、传感与测量技术、信号与系统分析技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。

测量过程中用到的信号发生器，通常被称为信号源。在科研、使用、生产、测试和维修各种电子元器件、部件及整机设备时，都需要用信号源提供激励信号，由它产生不同频率、不同波形的电压和电流信号，并加到被测器件、设备上，然后用其他测试仪器观测其输出响应。信号发生器可提供符合一定电技术指标的电信号，其波形、频率和幅度都可调节，并可以准确读出数值。在电子测量中，信号发生器是最基本，应用最广泛的测量仪器。其功用主要有以下三方面：1)作为激励源：作为某些电气设备的激励信号源。2)信号仿真：在设备测量中，常需要产生模拟实际环境特性的信号，如对干扰信号进行仿真。3)校准源：产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准。

1.2 信号发生器的发展历史

作为工业产品特别是电力、电子产品的研制和生产领域中最重要的测试

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设备之一，信号发生器的发展历史可以追溯到上世纪40年代。1943年惠普为海军研究实验室开发研制了第一台信号发生器，从而使得人们在测试设备时可以利用可控的信号源进行比较完善和安全的测量和测试。在随后的二十年中，信号发生器一直随着电子技术、计算机技术的发展而发展，成为这些技术发展的一个缩影。

从技术上看，信号发生器经历了由模拟式信号发生器、数字式信号发生器到虚拟信号发生器这三个发展过程。从四十到六十年代，信号发生器都是完全用以电子管工艺为基础的模拟电路搭建的，往往其调节范围受到限制，因而划分为音频、高频、超高频、射频和微波等信号发生器，其信号的精度和可控性都不理想，而且可产生的信号的种类较少，对于较复杂信号的产生，其电路构造都非常复杂，体积庞大，不易移动。上个世纪六七十年代，随着晶体管工艺的出现，大规模和超大规模集成电路的大范围的应用，数字电路在信号发生器中得到广泛的应用，从而大大提高了信号发生器的精度，减少了电路本身产生的噪声，体积也大为缩小。八十年代开始，计算机逐渐在工业生活中占据了重要的位置，信号发生器也开始从纯粹的分立元件搭建改为以微处理器为核心的集成系统，这时候的信号发生器也发生了翻天覆地的变化。比如说，它所能产生信号的种类大大增加；任意波信号可以通过人工设定在同一台信号发生器中产生；频宽也很大的增加了；通用性得到大大的提高；过去的多种类的信号发生器也可以简单地划分为低频和高频两种，低频信号的频宽从0~50MHz，高频则可达到20GHz以上，但它仍存在人机界面不友好，软硬件升级维护困难等缺陷。九十年代以后，虚拟仪器进入了人们的视野。这种完全以计算机软件为核心，辅以相应的硬件设备的测试系统代表了未来测试仪器的发展方向。人们可以在友好的人机见面环境中轻轻松松地进行各种复杂的操作，信号发生器也从一个完全独立的测试设备，进而成为整个虚拟仪器系统中一个必不可少的子模块[1]。

信号发生器中一项关键技术是信号频率的变动控制。早期的信号发生器大都借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线等作为振荡回路电路用来产生正弦或其它函数波形，频率的变动由机械驱动可变元件(如电容器或谐振腔)来完成，其缺点是显而易见的，那就是频率不稳，噪声大，频率的改变

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控制不容易，这时根据技术的发展和科学的需要，锁相频率合成器(phase Locked Frequency Synthesize)应运而生。这是一次技术上的飞跃，它基于锁相环路原理，从一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器中综合出大量离散频率，集成度高，可靠性好且价格低廉，直到现在锁相频率合成仍然是工程应用中最为普遍的技术。随着科学技术的发展，信号发生器的变化日新月异，直接数字频率合成(Direct Digit Frequency Synthesize，DDFS)则是近几年来最新发展的技术，它完全摆脱间接数字合成的乘法/除法电路，直接在基准时钟的准确相位控制下获得合成频率输出，其频率控制模块中的相位累加器由寄存器和加法器组成，相位信息存储在波形存储器内，再经数模转换后输出最低合成频率，随着频率控制输入的增长，输出合成频率亦增加。相位累加器的宽度增加时，输出合成频率的准确度相应增加[2]。DDFS频率变换速度主要取决于累加器和数模转换器的开关时间，显然要比模拟电路快得多，因此广泛采用DDFS技术是必然的发展趋势。

1.3 信号发生器发展趋势及现状

随着电子技术的发展，对信号源频率的稳定度、准确度，以及频谱纯度提出越来越高的要求。高精度的信号源对通信系统、电子对抗以及各种电子测量技术十分重要。直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis，即DDFS，一般简称DDS)，是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。和传统的频率合成技术相比它具有频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点，成为现代频率合成技术中的佼佼者，得到越来越广泛的应用，成为众多电子系统中不可缺少的组成部分。

英特西尔公司开发研制并投放市场的压控振荡型精密波形发生器ICL8038可同时产生正弦波、方波及三角波等信号波形，且输出波形的正弦失真度小，三角波及方波线性度相对较高，频率又容易调节，随温度，环境的稳定性好，抗干扰能力较强。是现在应用广泛的芯片之一[3]。

目前我国经济开始进入一个新的发展时期，经济的快速发展将加快企业的技术改造步伐，各行业特别是电子、通信行业对先进任意波发生器的需求

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更加强劲。据最新电子商情报道，从1998年开始，由于国家采取了扩大内需发展经济的决策，扩大了国产任意波信号发生器的市场，销量增长都在30%左右。但我国的任意波信号发生器市场大部分被国外产品所占领，国内产品市场占有率很低。目前，Allritsu、Agilent、Advantest、侧S、TEKTRONIx、Nl几家著名仪器公司都在生产各类任意波形信号发生器，如Agilent公司生产的HP331加A函数/任意波形发生器、Advantest公司生产的33120A函数/任意波形发生器。Asilent的信号发生器一直是业界公认的高水平仪器，而且种类和型号最多，产品功能全、技术含量高。近几年Anritsu、Agilent、Advantest、侧S，Nl等外国公司在我国的销售额逐年大幅度上升，Agilent公司在中国销售的任意波形信号发生器已极大地超过国内产量[4]。

我国的仪器技术水平在发展中国家处于领先地位，且产品价格便宜。境外有的销售商己把目标转向国内的产品，出口到北美、欧洲、东南亚的任意波信号发生器逐年增加，所以扩大外销产品是扩大国产任意波信号发生器市场的一条重要出路。总之，努力开发拥有自主知识产权的先进任意波信号发生器己成为我国仪器行业的当务之急。只有这样，国产任意波信号发生器才能在竞争激烈的国内外仪器市场中占有一席之地。

1.4 课题主要内容和章节安排

本文主要是基于单片机的低频信号发生器的设计。首先对构成信号发生器的主要部分进行设计，掌握它们的基本工作原理。其次对AT89C51、DAC0832、LM324及其它构成信号发生器的器件的工作原理和电路结构进行重点介绍。再次学习单片机的C语言及产生各种波形的原理。介绍本设计中涉及到的相关知识，完成设计。

本文第一章绪论，分为三个小节分别对信号发生器进行了简要的介绍：课题背景、信号发生器的发展历史和发展趋势。

本文第二章介绍了信号发生器的种类，低频信号发生器的方案论证和基于AT89C51信号发生器的设计原理。

本文第三章是本论文的重点，对信号发生器的硬件结构进行介绍，分为两个小节分别对本系统中用到的芯片和单元电路的设计进行了仔细的介绍

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和分析。

本文第四章信号发生器的软件设计，也是本文重点。分为两个小节分别对信号发生器的主程序和子程序流程图进行了介绍。

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第2章 低频信号发生器的设计原理

根据题目要求设计一种基于单片机的低频信号发生器，我先从信号发生器的种类入手，查阅资料对几种由不同单片机组成的信号发生器进行比较，并确定方案．

2.1 信号发生器的种类

信号发生器应用广泛，种类型号众多，性能各异，分类方法也不尽相同，下面介绍几种常见的分类方法。

2.1.1 按输出信号频率范围分类

按照输出信号的频率范围分类，如表2-1。表中频段的划分，不是绝对的。可见，这两类信号发生器频率范围有重叠，而所谓“射频信号发生器”包含了表中视频以上各类信号发生器。例如，在电子仪器的门类划分中，“低频信号发生器”是指1Hz-1MHz频段，波形以正弦波为主，兼有方波及其他波形的信号发生器，“射频信号发生器”则指能产生正弦信号，频率范围部分全部覆盖30kHz-1GHz(允许向外延伸)，并且具有一种或一种以上调制功能的信号发生器[5]。

表2-1 按输出信号频率范围分类 名称 超低频信号发生器 低频信号发生器 视频信号发生器 高频信号发生器 甚高频信号发生器 超高频信号发生器 频率范围 30kHz以下 30～300kHz 300～6MHz 6～30MHz 30～300MHz 300～3000MHz 主要应用领域 电声学，声纳 电报通信 无线电广播 广播，电报 电视，调频广播，导航 雷达，导航，气象 2.1.2 按输出波形分类

信号源有很多种分类方法，其中一种是按输出波形分类，可分为混和信号源和逻辑信号源两种。其中混和信号源主要输出模拟波形；逻辑信号源输

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出数字码形。混和信号源又可分为函数信号发生器和任意波形/函数发生器，其中函数信号发生器输出标准波形，如正弦波、方波等，任意波/函数发生器输出用户自定义的任意波形；逻辑信号发生器又可分为脉冲信号发生器和码型发生器，其中脉冲信号发生器驱动较小个数的的方波或脉冲波输出，码型发生器生成许多通道的数字码型。如泰克生产的AFG3000系列就包括函数信号发生器、任意波形/函数信号发生器、脉冲信号发生器的功能。

2.1.3 按信号发生器的性能分类

按信号发生器的性能指标，又可分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者是指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度及波形失真等要求不高的一类发生器；后者是指输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定，屏蔽性良好的中、高档信号发生器。

还有其他一些分类方法，例如，按照调节方式，可分为普通信号发生器、扫频信号发生器和程控信号发生器；按照使用范围，可分为通用信号发生器和专用信号发生器(如调频立体声信号发生器、电视信号发生器及矢量信号发生器等)；按照频率产生方法又可分为谐振信号发生器、锁相信号发生器及合成信号发生器等。

上面所述仅是常用的几种分类方式，而且是大致的分类。

2.2 低频信号发生器的方案设计

根据论文题目是要求合适的单片机设计一个低频信号发生器。通过查阅资料发现其制作方法有很多种，不同的制作方案各有其优点和缺点。在此，我对其中三种方案进行一些初步比较。

2.2.1 方案一

RC桥式振荡器是采用RC串并联选频网络的一种正弦波振荡器。该信号发生器由放大电路和选频网络构成。放大电路由集成运放组成电压串联负反馈放大，有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。电路集成运放设计RC桥式正弦波振荡器产生频率与幅值可以达到一定要求的正弦波。再将产生的正弦波作为输入信号经过一个波形变换电路产生方波，在将方波经积分电路转换

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成三角波[6]。

其总体的结构框图如图2-1所示。RC桥式振荡器是采用RC串并联选频网络的一种正弦波振荡器。虽然具有较好的正弦波形且频率调节范围宽，但是此方案RC桥式正弦波振荡器的设计中，起振后若只依靠晶体管的非线性来稳幅，波形顶部容易失真。所以这种信号发生器的振荡具有起振要求严，容易产生失真，稳幅效果差等缺点。

RC振荡器波形变换电路积分器正弦波

方波三角波 图2-1 利用运放设计成信号发生器的总结构框图

2.2.2 方案二

RC振荡器波形变换电路积分器采用集成芯片(ICL8038)外接电路产生，ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为：可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形；外接电阻、电容值可改变，输出信号的频率范围可为0.001Hz～300KHz；其构成的主要原理框图如图2-2所示。此方案的特点是外接电路设计比较简单、易制作等，但是产生的方波时有一定的延时，导致输出的波形有一定的失真。

正弦波方波三角波比较器积分器差分放大器正弦波

方波图2-2 利用ICL8038产生波形主要原理框图

三角波

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2.2.3 方案三

利用AT89C51单片机控制的信号发生器，可输出电压范围为0～5V，频率范围为1～1000Hz的矩形波、三角波和正弦波三种波形信号,其频率可通过键盘增大或减小，还可以用键盘控制数码管显示波形频率。本系统输出的各种信号,均由软件程序产生各种数据，再经过D/A转换后输出,通过I/V转换电路得到三角波和正弦波等信号，其主要原理框图如图2-3所示。

由于利用本方案制作的函数信号发生器具有容易制作，能方便调节的特点，所以本次设计我采用的是方案三，利用AT89C51和DAC0832制作一个低频信号发生器。

时钟电路独立式键盘复位电路电源电路四位一体数码管单片机89C51D/A转换器I/V转换电路输出

图2-3 系统原理图

2.3 基于AT89C51信号发生器的方案设计及原理

本系统是基于AT89C51单片机控制的信号发生器，可输出电压范围为0～5V，频率为1～1000Hz的方波、三角波和正弦波三种波形信号,其频率可通过键盘调节。本系统输出的信号，均由软件产生数据，经过D/A转换器转换后输出，再通过I/V转换电路得到正弦波信号，保证了波形的平滑、稳定和精度。可满足精度误差要求达到5%的多种低频信号源的使用场所。

2.3.1 信号发生器的硬件电路设计方案

本次设计主要是以AT89C51和DAC0832为核心，通过软硬件结合的方

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式实现波形输出和频率显示的目的。本系统的硬件部分有时钟电路，复位电路，显示电路和数模转换电路。

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍的工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。时钟电路用于产生单片机工作时所必需的时钟信号。AT89C51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现。单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作，而时序所研究的是指令执行过程中各个信号的关系。时钟电路是为单片机提供精确定时的电路，在本设计中用于计时、中断源、键盘去抖动等等。

单片机必须进行复位，是因为单片机内的CPU“取指”过程即为CPU从PC指针所指定的程序存储器ROM地址单元中读取“机器码”的过程。单片机加电后，PC指针应指向ROM中某个固定的单元，当然，程序开始的第一条指令也应放在ROM的这一地址单元内，这样整个程序才能有序地执行。这个单元就是ROM的0000H单元。只有上电复位正常后，PC值为0000H，即指向ROM的0000H单元。此外，专用寄存器SFR中的SP为07H，即指向片内数据存储器(片内RAM)07H单元,P0～P3值为0FFH，其余的专用寄存器值大多为00H[7]。

本文中的显示器用的是4位LED显示器，四位LED显示器有4根位选线和32根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同。段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮暗。LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。本次设计我采用的是动态显示模式，因为采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单。

D/A转换器(DAC)将微机处理后的数字量转换成为模拟量(电压或电流)。D/A转换的基本原理是数字量由代码按数值组合起来表示的。欲将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟分量，然后将数字量转换成相应的模拟分量，然后将各模拟分量相加，其总和就是与数字量相应的模拟量。

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按这个D/A转换原理构成的转换器，主要由电阻网络，电子开关和基准电压组成。电阻网络通常有两种形式：权电阻解码网络和R-2R梯形解码网络。DAC集成电路大都采用R-2R梯形解码网络。本系统中用到的DAC0832就是R-2R梯形解码网络。

输入的二进制数字量通过逻辑电路控制电子开关。当输入的数字量不同时，通过电子开关使电阻网络中的不同电阻和基准电压接通，在运算放大器的输入端产生和二进制数各位的权成比例的电流，再经放大器将电流转换为与输入二进制数成正比的输出电压。基准电压是提供给转换电路的稳定的电压源，也称为参考电压Verf。整个电路由若干个相同的电路环节组成。每个环节有两个电阻和一个开关。开关S是按二进制位进行控制的。该位为1时，开关将加权电阻与Iout1输出端接通产生电流；该位为0时，开关与Iout2端接通。

2.3.2 信号发生器的软件电路设计方案

本系统的资源分配。采用定时/计数器T0定时器：定时器0用作时钟定时，按方式1工作。P1.0~P1.3为键盘输入端，P0口用作段控口线， P2口用作位控口线，P3口用做第二功能，采用了定时/计数器T0中断。 本系统利用AT89C51单片机的可编程定时/计数器，中断系统来实现是时钟计数，把定时器0设为工作方式1，定时时间可调。使用定时/计数器0，fosc=12MHz。 则时间T

T??65535?TH*256?TL?*0.4

频率F

F??int??1000/T?

波形发生器的频率在四位位数码管上进行显示，因此，在内部RAM中设置显示缓冲区共4个单元。

LED3 LED2 LED1 LED0 7BH 7AH 79H 78H

显示缓冲区从左至右依次存放数值。

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