毕业设计基于51单片机的函数信号发生器设计.doc
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1、 基于AT89C51单片机的函数信号发生器设计摘 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,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
2、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 波形调整Abstract Signal-generator is a kind of signal source in common use, broadly applied at the electronics electric circuit, auto control system and teaching experiment
3、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, which can generate triangle wave, square wave, sine wave etc variety w
4、ave-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 the same time LED display frequency size. The output of the machine
5、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 introduction of MAX038 , we discussed the principle and the whole fr
6、ame 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 wave. Keywords: signal generator MCU wave-form adjustment目 录1绪论1.1:课程背景目
7、的及意义11.2:设计任务和要求22方案的研究2.1:方案的提出和整论32.2:模块的结构划分43各部分功能模块3.1:单片机模块53.2:电源模块63.3:D/A转换模块73.4:键盘输入模块103.5:显示模块123.6:I/V转化模块133.7: 基准电压调节模块144电路软件设计4.1:系统总框图184.1:显示子程序框图194.2:按键子程序框图20总结参考文献附录A:系统总程序 附录B:系统总电路图第一章 绪 论1.1课题背景、目的及意义 随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展,促使信号发生器种类增多,性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现,更促使信
8、号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在,许多信号发生器带有微处理器,因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能,可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。 在科学研究、工程教育及生产实践中,如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域,常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中,以及一些科学研究中,锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中,为了使电子按照一定规律运动,以利用荧光屏显示图像,常用到锯齿
9、波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器,在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。 但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产,都使我们研制一种低功耗、宽频带,能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。 便携式和智能化越来越成为仪器的基本要求,对传统仪器的数字化,智能化,集成化也就明显得尤为重要。平时常用信号源产生正弦波,方波,三角波等常见波形作为待测系统的输入,测试系统的性能。单在某些场合,我们需要特殊波形对系统进行测试,这是传统的模拟信号发生器和数字信号发生器很难胜任的
10、。利用单片机的强大功能,设计合适的人机交互界面,使用户能够通过手动的设定,设置所需波形。 1.2设计任务和要求 设计一个多功能信号发生器,可以产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等多种波形。波形的频率、幅值均为连续可调。实现多功能信号发生器波形种类、波形的频率、幅值的状态及数据的显示。自选器件,实现多功能信号发生器的硬件设计。可自行扩展功能,使之更加完善。 第二章 方案的研究2.1方案的提出和整论 常用的函数信号发生器的实现方法有如下几种 1. 采用分立元件实现信号的输出,主要是通过模拟电路实现正弦信号的输出,在通过各种积分微分电路实现各种不同波形的输出。但是这种方法频率和幅值的调整比较困难,而且
11、模拟电路受外部因素的影响较大,输出的波形难以控制。 2采用集成信号发生芯片MAX038输出各种波形,并通过外接电阻值改变实现对幅值和频率的调整。图2-1-1.基于MAX038的信号发生器原理图这种方法实现起来比较容易,但是频率和幅值的调节比较困难。 3. 采用DAC0832通过查表得方式输出需要的波形,通过单片机定时向DAC转化器发送转换数据,实现不同的幅值和频率的输出。这种方法能够实现各种需要的波形的输出,成本也不高,只是在扩展外设的时候浪费了大量的接口,以后的系统扩展可能会有影响。 4. 采用DDS频率合成器,能输出各种波形,而且能够轻松调节幅值和频率。DDS同DSP(数字信号处理)一样,
12、是一项关键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer)的英文缩写。与传统的频率合成器相比,DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点,广泛使用在电信与电子仪器领域,是实现设备全数字化的一个关键技术。 图2-1-2.DDS的原理框图一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码;而相位累加器根据DDS频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加,得到一个相位值;正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度(芯片一般通过查表得到)。DDS芯片输出的
13、一般是数字化的正弦波,因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。2.2模块的结构划分单片机键盘双极性转化电路D/A转换显示图2-2.本次设计的模块图本次我选用的是单片机通过查表获得某一时刻对用的波形幅值,经过DAC转化器,转化为对应的模拟信号,幅值的调节主要是通过调节DAC的基准电压实现,频率的调节则是第三章 各部分功能模块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
14、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-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
15、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(Pin2
16、9):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
17、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
18、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、转换控制容易等优点,在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。图3-3-1:DAC0832内部结构图 DAC0832内部有输入寄存器和DAC寄存器,所以无需外部连接专门的锁存器。图3-3-2:DACA0832引脚图各引脚的功能如下:D0D7:8位数据输入线,TTL电平,有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错);ILE:数据锁存允许控制信号输入线,高电平有效;CS:片选信号输入线(选通数据锁存器),低电平有效;WR1:数据锁存器写选通输入线,负
19、脉冲(脉宽应大于500ns)有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1,当LE1为高电平时,数据锁存器状态随输入数据线变换,LE1的负跳变时将输入数据锁存;XFER:数据传输控制信号输入线,低电平有效,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效;WR2:DAC寄存器选通输入线,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效。由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2,当LE2为高电平时,DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化,LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。IOUT1:电流输出端1,其值随DAC寄存器的内容线性变化;IOUT2:电流输出端2,其值与IOUT1值之和为一常数;R
20、fb:反馈信号输入线,改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度;Vcc:电源输入端,Vcc的范围为+5V+15V;VREF:基准电压输入线,VREF的范围为-10V+10V;AGND:模拟信号地DGND:数字信号地DAC0832主要性能参数1. 分辨率为8位;2. 电流稳定时间1us;3. 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入;4. 只需在满量程下调整其线性度;5. 单一电源供电(+5V+15V);6. 低功耗,200mW。 通常DAC0832有三种不同的工作方式,主要依据对数据锁存器和DAC锁存器的控制方式划分:直通方式,单缓冲方式和双缓冲方式。其中直通方式CS,XFER,WR1和WR2直接接低
21、电平,DAC0832随时转换输入的数据,这种方式比较简单,占用的I/O口也比较少,但是当需要I/O口做扩展的时候容易受到干扰。 单缓冲方式者把数据锁存器和DAC锁存器的使能端接在一起,只需要一组信号就能同时控制两个寄存器的。 双缓冲方式是将数据锁存器和DAC锁存器分开单独控制,这种做法容易占用大量的I/0口。 综上所诉,本次设计采用了单缓冲控制方式图3-3-3.DAC0832的单缓冲方式连线图 3.4键盘输入模块 通常单片机外部扩展键盘的方式有独立式键盘,矩阵键盘以及专门的键盘电路。独立式键盘就是一个I/O口扩展一个开关,这种方式程序编写比较容易,只需要检测单片机I/O某一时刻是否为低电平就能
22、检测出其的按键输入情况,而且按键和I/O口一一对应,所以能够轻松识别按键的值,缺点是由于一个I/O口只能连接一个按键,当按键数量比较多的时候,势必占用了大量的I/O口,对系统的扩展造成巨大的困难。图3-4-1.独立键盘输入矩阵键盘相比独立式键盘其扩充的量大大增加,例如常见的4*4矩阵键盘占用的I/O口为4+4=8个,当需要扩充为20键输入时只需要4+5=9个I/O口,而采用独立式键盘的时候要分别用掉16个I/O口和20个I/O口,由于单片机的I/O口数量有限,很难将大量的I/O口用于,显然矩阵键盘能够大大的减少系统I/O口的使用,矩阵键盘的缺点是编写程序比较麻烦,需要上拉电阻系统的连线和元器件
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