基于单片机的函数信号发生器设计毕业论文设计.doc
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1、毕业设计任务书设计题目: 函数信号发生器设计系 部: 电子工程系 专 业: 应用电子技术 学 号: 0503100102 姓 名: 指导教师: 2012年11月摘 要信号发生器是一种常用的信号源,广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器,且特殊波形发生器的价格昂贵。所以本设计使用的是AT89C51单片机构成的发生器,可产生三角波、方波、正弦波等多种特殊波形和任意波形,波形的频率可用程序控制改变。在单片机上加外围器件距阵式键盘,通过键盘控制波形频率的增减以及波形的选择,并用了LCD显示频率大小。在单片机的输出端口接DAC0832进行D/A转换
2、,再通过运放进行波形调整,最后输出波形接在示波器上显示。本设计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。在介绍DAC0832芯片特性的基础上,论述了采用DAC0832芯片设计数字函数信号发生器的原理以及整机的结构设计。对其振荡频率控制、信号输出幅度控制以及频率和幅度数显的实现作了较详细的论述。该函数信号发生器可输出三角波,方波和正弦波。关键词: 信号发生器 单片机 DAC0832 波形调整 LEDAbstract Signal-generator is a kind of signal source in common use, broadly applied at the elect
3、ronics electric circuit, auto control system and teaching experiment etc. Currently used mostly function signal generator signal generator, waveform generator and a special price of expensive . So the dissertation is usage of the AT89s51 single-chip microcomputer constitute of wave-form generator, w
4、hich can generate triangle wave, square wave, sine wave etc variety wave-form, the period of wave can be controlled by procedure, at outer circle spare part of the machine, plus independence type keyboard , which can control wave increase or decrease of form-frequency and the choice of wave-form, at
5、 the same time LED display frequency size. The output of the machine connect DAC0832 to carry on a DA conversion,again pass operation amplifier to put an end exportation wave-form. This design has advantage of simple circuit, tightly packed structure, cheap price, superior function etc. Based on the
6、 introduction of MAX038 , we discussed the principle and the whole frame of the digital function signal generator. We described the control of the oscillatory frequent , amplitude and the digital display in detail. Thegenerator can output three kinds of waves : sine wave , square wave , triangle wav
7、e. Keywords: signal generator MCU DAC0832 wave-form adjustment LED目 录摘 要2第1章 绪论1.1 课题的来源与技术背景51.2 研究信号发生器的目的及意义51.3 主要研究内容6第2章 电路方案的确定2.1 方案的提出和选择82.2 电路框图及工作原理9第3章 单元电路设计3.1 单片机模块103.2 电源模块113.3 D/A转换模块123.4 键盘输入模块153.5 显示模块163.6 I/V转化模块17第4章 电路软件设计4.1 系统总框图194.2 显示子程序204.3 按键子程序21第5章 设计实现与总结致 谢26参
8、考文献27附 录28第1章 绪论1.1 课题的来源与技术背景不论是在生产还是在科研与教学上,信号发生器都是电子工程师仿真实验的最佳工具。随着我国经济和科技的发展,对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求,信号发生器己成为测试仪器中至关重要的一类,因此开发信号发生器具有重大意义。传统的信号发生器采用专用芯片,成本高,控制方式不灵活。本设计充分利用单片机灵活的控制、丰富的外设处理能力,采用DDS技术,实现频率、幅值可调的函数波形的输出,同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能,具有良好的实用性。根据其频率发生方法又可分为谐振法和合成法两种。一般的传统发生器都是采用的谐振法,
9、即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡,来获得所需频率,也可以根据频率合成技术来获得所需频率。利用频率合成技术制成的合成波形发生器,通常被称为频率合成器或频率综合器。频率综合器是指利用频率合成技术合成的频率源,它常常是没有调制的,也没有足够宽的和足够准确的输出电平调节,其工作范围往往也不宽,最小频率间隔也比较大,一般做专用设备使用,或做某一个系统中的一个组成部分。1.2 研究信号发生器的目的及意义波形发生器是信号源的一种,主要给被测电路提供所需要的己知信号(各种波形),然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中,它的应用非常广泛。它不是测量仪器,而是根据使用者的要
10、求,作为激励源,仿真各种测试信号,提供给被测电路,以满足测量或各种实际需要。目前我国己经开始研制波形发生器,并取得了可喜的成果。但总的来说,我国波形发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看,多为一些PC仪器插卡,独立的仪器和VXI系统的模块很少,并且我国目前在波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距,因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。函数波形发生器发展很快近几年来,国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面: (1)过去由于频率很低应用的范围比较狭小,输出波形频率的提高,使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容
11、易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式,复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v=f(t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了波形发生器向任意波形发生器的发展,各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如Visual Basic, Visual C等等)编写任意波形发生器的软面板,这样允许从计算机显示屏上输入任意波形,来实现波形的输入。(2)与VXI资源结合。目前,波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐
12、渐成熟和对测量仪器的高要求,在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形,VXI的系统资源提供了明显的优越性,但由于开发VXI模块的周期长,而且需要专门的VXI机箱的配套使用,使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面,VXI模块远远不如台式仪器更为方便。(3)随着信息技术蓬勃发展,台式仪器在走了一段下坡路之后,又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态,和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性,可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格,都比过去的类似产品减少了一半。1.3 主要研究内容(1)理论基础分析。了解波形发生器的相关理论,包括几种常用波形,如正
13、弦波、方波等,然后介绍了波形发生器的主要方案及原理。(2)硬件系统设计。主要包括以下几个模块:串口电路;键盘、LED显示电路;单片机系统;DAC芯片和放大电路设计。 (3)软件系统设计。主要有:系统总体流程设计;串口程序设计;单片机程序设计;键盘响应程序设计;LED显示程序设计;DAC控制程序设计。(4)系统仿真调试。通过计算机进行模拟仿真调试。常用波形介绍函数波形的一般表达式可以表示为 ,下面来介绍几种常用的函数波形3:正弦函数正弦信号与余弦信号,两者只是在相位上相差2,可以统称为正弦信号。其一般形式为 f (t)=Asin(t+ ) (1)式中,A 为振幅, 是角频率, 为初相位。上述三量
14、是正弦信号的三要素。它的波形见图1。正弦信号是周期信号,其周期T 与频率f 及角频率 之间的关系为: (2)图1 正弦波形 在实际应用中经常遇到单边指数衰减的正弦信号,其波形如图2所示,表达式为: (3)图2 指数衰减的正弦信号波形方波波形函数 方波函数是一种常用的波形函数,其表达式为: (4)方波的波形如图2-3所示:图3 方波波形第2章 电路方案的确定2.1 方案的提出和选择 方案一:采用单片函数发生器(如8038),8038可同时产生正弦波、方波等,而且方法简单易行,用D/A转换器的输出来改变调制电压,也可以实现数控调整频率,但产生信号的频率稳定度不高。方案二:采用锁相式频率合成器,利用
15、锁相环,将压控振荡器(VCO)的输出频率锁定在所需频率上,该方案性能良好,但难以达到输出频率覆盖系数的要求,且电路复杂。方案三:采用单片机编程的方法来实现,利用数模转换器DAC0832通过查表得方式输出需要的波形,该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度,而且在硬件电路不变的情况下,通过改变程序来实现频率的变换。此外,由于通过编程方法产生的是数字信号,所以信号的精度可以做的很高。鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二的电路复杂,频率覆盖系数难以达标等缺点,所以决定采用方案三的设计方法。它不仅采用软硬件结合,软件控制硬件的方法来实现,使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证,而且它使用
16、的几种元器件都是常用的元器件,容易得到,且价格便宜,使得硬件的开销达到最省。 2.2 电路框图及工作原理数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号,因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。89C51单片机本身就是一个完整的微型计算机,具有组成微型计算机的各部分部件:中央处理器、CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等,只要将89C51再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指示灯及其接口等四部分,即可构成所需的波形发生器,其信号发生器构成原理框图如图2.1所示。 输出滤波放大D/A转换器接口电路89
17、C51单片机图2.1 信号发生器原理框图89C51是整个波形发生器的核心部分,通过程序的编写和执行,产生各种各样的信号,并从键盘接收数据,进行各种功能的转换和信号幅度的调节。当数字信号经过接口电路到达转换电路,将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。第3章 单元电路设计3.1 单片机模块 本次设计选用的单片机芯片是AT89C51单片机。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS
18、-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。 AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶休或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体(或陶瓷诺振器)及电容C1, C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1, C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性,这里选择使用石英晶休,我们的电容使用30pF。如使用陶瓷谐振器的话,应选择40pF士10pF的容值的电容。也可以采用
19、外部时钟。采用外部时钟的电路的情况时,外部时钟脉冲接到XTAL1端,即内部时钟发生器的输入端,XTAL2则悬空。 图3-1:单片机最小系统1、主电源引脚(2根) VCC(Pin40):电源输入,接5V电源GND(Pin20):接地线2、外接晶振引脚(2根)XTAL1(Pin19):片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20):片内振荡电路的输出端3、控制引脚(4根)RST/VPP(Pin9):复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30):地址锁存允许信号PSEN(Pin29):外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31):程序存储器的内外部选通,接低
20、电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。4、可编程输入/输出引脚(32根)AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚),共32 根。每一根引脚都可以编程。 PO口(Pin39Pin32):8位双向I/O口线,名称为P0.0P0.7P1口(Pin1Pin8):8位准双向I/O口线,名称为P1.0P1.7 P2口(Pin21Pin28):8位准双向I/O口线,名称为P2.0P2.7 P3口(Pin10Pin17):8位准双向I/O口线,名称为P3.0P3.73.2电源模块图3-2-1:单片机的电源模块 函数信号发
21、生器的电源包括两部分,包括单片机和外部电路用的电压+5V和运算放大器的电压+-12V,所以电源模块选择了常用的三端稳压器7805,7912和7812,由市电220V经变压器输出24V电压,通过7812和7912输出正负12V的电压用于运算放大器的供电,7812的输出端接7805将输出的12V电压转为5V用于单片机和其他外设电路的供电使用。图3-2-2:7805的原理图 通过差分对管和负反馈电路,使得输出的电压稳定在+5V。3.3 D/A转换模块 本次试验选择的D/A转化器是DAC0832,是一款8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等
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