簡易信號發(fā)生器及其測試儀設計與制作

1、簡易信號發(fā)生器及其測試儀設計與制作學 院： 姓 名： 學 號： 班 級： 指導教師： 目錄一. 設計題目1二、設計目的1三、設計任務及要求1四、設計思路2五、設計內(nèi)容3六、設計成果12七、故障排除及注意事項15八、實驗總結15一、設計題目簡易信號發(fā)生器及其測試儀設計與制作二、設計目的能夠制作簡易的信號發(fā)生器，學習單片機相關知識，利用keil軟件和C語言進行編程，利用Altium進行電路設計，并進一步熟悉電路的布局與焊接，實現(xiàn)硬件與軟件的結合。提高獨立思考與團隊合作的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，鍛煉創(chuàng)新思維，提高創(chuàng)新能力。三、設計任務及要求設計任務：（一）利用單片機（AT89C52）及DA轉換器（AD7

2、520）作為主要元件設計并制作一信號發(fā)生裝置，其原理框圖如圖1所示。圖1：簡易信號發(fā)生器原理示意圖（二）利用單片機（AT89C52）及AD轉換器（MAX157）作為主要元件設計一信號測試儀測量（一）中所產(chǎn)生信號的頻率、信號幅度等參數(shù)，其原理框圖如圖2所示。圖2：信號測試儀原理示意圖設計要求：（一）基本要求1.信號發(fā)生器至少要能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波等四種波形；2.信號發(fā)生器所能產(chǎn)生信號的最高頻率不得低于100HZ；3.信號發(fā)生器所能產(chǎn)生信號的最高幅度不得小于5V；4.信號發(fā)生器的所有參數(shù)均能通過鍵盤設置，并用數(shù)碼管循環(huán)顯示所設置得各個參數(shù)、也可用鍵盤選擇所需要顯示的參數(shù)；5.信號測

3、試儀能利用鍵盤選擇在數(shù)碼管上顯示所測得參數(shù)；6.自制系統(tǒng)所需電源。（二）擴展要求1.利用計算機設置信號波形、幅度、頻率等；2.利用計算機顯示所測得的信號參數(shù)；3.其他（如掃頻等）。四、設計思路使用C語言進行編程，控制按下鍵盤中某個鍵實現(xiàn)特定的功能，通過單片機的I/O口進行輸出，產(chǎn)生的信號通過DA轉換器變換為模擬信號，并使用數(shù)碼管進行波形種類和頻率、幅度的顯示。五、設計內(nèi)容（一）軟件部分1、幅度、頻率調節(jié)模塊本次實驗中，我們所作出的信號發(fā)生器需要實現(xiàn)幅度、頻率可調，對于幅度，我們可取默認值1V，當按鍵檢測到按下時執(zhí)行加或減的命令。而頻率的調節(jié)可以通過運用中斷時間的調節(jié)來實現(xiàn)。else if(ke

4、yboard_status=5) /幅值加1，最大為5Asign=Asign+1;xianshi();if(Asign>=5)Asign=5; else if(keyboard_status=6) /幅值減1，最小為1Asign=Asign-1;if(Asign<=1)Asign=1; xianshi();else if(keyboard_status=7) /頻率加1，最大為10mscount=count+1000;if(count>=10000)count=10000;xianshi();else if(keyboard_status=8) /頻率減1，最小為1mscou

5、nt=count-1000;if(count<=1000)count=1000;xianshi();2、波形的輸出模塊信號發(fā)生器需要實現(xiàn)的是方波，三角波，鋸齒波和正弦波四種波形，我們采用的是取點法，在一個周期內(nèi)選擇64個點，并將其轉化為10位數(shù)字量送到DA轉換器中。void time (void) interrupt 1TH0=(65536-count)/256;TL0=(65536-count)%256;if(lx=0) for(m=0;m<64;m+) CP=0;qudianm=Asign*1024/5; P3=qudianm;D1=qudianm>>8;D2=qu

6、dianm>>9;CP=1;if(m>=32) CP=0;qudianm=0x00;P3=qudianm;D1=qudianm>>8;D2=qudianm>>9;CP=1;else if(lx=1)for(m=0;m<32;m+)qudianm=Asign*1024*m/64/5; CP=0;P3=qudianm;D1=qudianm>>8;D2=qudianm>>9;CP=1for(m=32;m>=1;m-) CP=0;P3=qudianm;D1=qudianm>>8;D2=qudianm>>

7、;9;CP=1; else if(lx=2)for(m=0;m<64;m+) qudianm=Asign*1024*m/64/5; CP=0;P3=qudianm;D1=qudianm>>8;D2=qudianm>>9;CP=1; else if(lx=3)for(m=0;m<64;m+) qudianm=Asign*1024*sin (0.09817477*m)/5;CP=0;P3=qudianm;D1=qudianm>>8;D2=qudianm>>9;CP=1; void main() EA=1;ET0=1;TR0=1;TMOD=

8、0x00;TH0=(65536-count)/256;TL0=(65536-count)%256;while(1)TH0=(65536-count)/256; TL0=(65536-count)%256;KeyDown(); /讀取按鍵a1=0;a2=0;a3=0;a4=0;a5=0;if( keyboard_status=0)/復位a1=0;a2=0;a3=0;a4=0;a5=0;count=1000;Asign=1;lx=0; else if(keyboard_status=1)/顯示方波 lx=0;Squarevalue(); else if(keyboard_status=2)/顯示三

9、角波 lx=1;Trianglevalue(); else if(keyboard_status=3)/顯示鋸齒波 lx=2;Sawtoothvalue(); else if(keyboard_status=4)/顯示正弦波 lx=3;Sinvalue();3.鍵盤掃描模塊利用鍵盤掃描來讀取鍵值，檢測到按鍵按下時，會進行相應的操作。void KeyDown() /按鍵檢測函數(shù)的定義 char a=0; KEY=0x0f; if(KEY!=0x0f) /讀取按鍵是否按下 Delay10ms(); /延時10ms進行消抖if(KEY!=0x0f) /再次檢測鍵盤是否按下 /測試列 KEY=0X0F

10、; switch(KEY) case(0X07):keyboard_status=0;break;case(0X0b): keyboard_status;break;case(0X0d): keyboard_status;break;case(0X0e):keyboard_status;break; /測試行KEY=0XF0;switch(KEY) case(0X70):keyboard_status=keyboard_status;break;case(0Xb0):keyboard_status=keyboard_status+4;break;case(0Xd0): keyboard_sta

11、tus=keyboard_status+8;break;case(0Xe0):keyboard_status=keyboard_status+12;break; while(a<50)&&(KEY!=0xf0) /檢測按鍵松手檢測 Delay10ms();a+; 4.延時函數(shù)void Delay10ms(void) /10ms延時函數(shù)定義 unsigned char a,b,c; for(c=1;c>0;c-) for(b=38;b>0;b-) for(a=130;a>0;a-); 5.計算各個波形的有效值顯示時顯示的為周期與有效值，因此需要將幅值進行轉

12、化，利用的為公式，定義的有效值為全局變量。void Sinvalue() /正弦波有效值 float sum1=0,sum2=0; for(i=0;i<64;i+) sum1=Asign*Asign*qudiani*qudiani+sum1;sum2=sum1/64;sum3=sqrt(sum2);a1=1,a2=0,a3=0,a4=0,a5=0;LED=LED_tab1;shu=10; while(shu-);LED=0x00; void Squarevalue()/方波有效值 float sum1=0,sum2=0; for(i=0;i<64;i+) sum1=Asign*As

13、ign*qudiani*qudiani+sum1;sum2=sum1/64;sum3=sqrt(sum2);a1=1,a2=0,a3=0,a4=0,a5=0;LED=LED_tab2;shu=10; while(shu-);LED=0x00 void Trianglevalue() /三角波有效值 float sum1=0,sum2=0; for(i=0;i<64;i+) sum1=Asign*Asign*qudiani*qudiani+sum1;sum2=sum1/64;sum3=sqrt(sum2);a1=1,a2=0,a3=0,a4=0,a5=0;LED=LED_tab3;shu=

14、10; while(shu-);LED=0x00; void Sawtoothvalue() /鋸齒波有效值 float sum1=0,sum2=0; for(i=0;i<64;i+)sum1=Asign*Asign*qudiani*qudiani+sum1;sum2=sum1/64;sum3=sqrt(sum2);a1=1,a2=0,a3=0,a4=0,a5=0;LED=LED_tab4;shu=10; while(shu-);LED=0x00; 6.顯示模塊通過5位數(shù)碼管進行顯示。第一位為波形的輸出，為1時，代表方波，為2時，代表三角波，為3時，代表鋸齒波，為4時，代表正弦波，第2.

15、3位顯示周期的十位與個位，第4.5位顯示有效值的十位與個位。void xianshi() /顯示函數(shù) if(p=1) shiwei=count/1000/10; gewei=count/1000%10; a1=0;a2=0;a3=0;a4=1;a5=0; LED=LED_tabshiwei; shu=10; while(shu-); LED=0x00; a1=0;a2=0;a3=0;a4=0;a5=1; LED=LED_tabgewei; shu=10; while(shu-); LED=0x00; if(a=1) shiwei=sum3/10; gewei=sum3%10; a1=0,a2=

16、1,a3=0,a4=0,a5=0; LED=LED_tabshiwei; shu=10; while(shu-); LED=0x00; a1=0,a2=0,a3=1,a4=0,a5=0; LED=LED_tabgewei; shu=10; while(shu-); LED=0x00; 7.主函數(shù)模塊主要是進行按鍵功能的實現(xiàn)void main() EA=1; ET0=1; TR0=1; TMOD=0x00; TH0=(65536-count)/256; TL0=(65536-count)%256; while(1) TH0=(65536-count)/256; TL0=(65536-count)

17、%256; KeyDown(); /讀取按鍵 a1=0;a2=0;a3=0;a4=0;a5=0; if( keyboard_status=0) /復位 a1=0;a2=0;a3=0;a4=0;a5=0; count=1000; Asign=1;lx=0; else if(keyboard_status=1) /方波顯示 lx=0;Squarevalue(); else if(keyboard_status=2) /三角波顯示 lx=1;Trianglevalue(); else if(keyboard_status=3) /鋸齒波顯示 lx=2;Sawtoothvalue(); else if

18、(keyboard_status=4) /正弦波顯示 lx=3;Sinvalue(); else if(keyboard_status=5) /幅值加1 Asign=Asign+1;xianshi(); if(Asign>=5) Asign=5; else if(keyboard_status=6) /幅值減1 Asign=Asign-1; if(Asign<=1)Asign=1; xianshi(); else if(keyboard_status=7) /周期加1ms count=count+1000; if(count>=10000)count=10000;xiansh

19、i(); else if(keyboard_status=8) /周期減1ms count=count-1000; if(count<=1000)count=1000;xianshi(); else if(keyboard_status=9) /顯示周期p=1;a=0;xianshi(); else if(keyboard_status=10) /顯示有效值 p=0;a=1;xianshi(); （二）硬件部分電路圖如下：（1）單片機最小系統(tǒng)為了讓單片機正常工作，需要給單片機加一個最小系統(tǒng)，最小系統(tǒng)的設計很簡單，只需要復位電路和時鐘電路即可：（2）鍵盤部分采用4X4矩陣鍵盤用來輸入值，在

20、程序中定義按下某個按鍵的功能，可以實現(xiàn)波形的切換和頻率、幅值的更改，在鍵盤掃描時一旦發(fā)現(xiàn)有按鍵按下，需要進行消抖處理，消抖時間一般為5-10ms。（3）數(shù)碼管部分利用共陰極數(shù)碼管可以顯示波形和頻率、幅值，數(shù)碼管由5位位選（用來控制5個數(shù)碼管）和8位段選（A-G加小數(shù)點），數(shù)碼管還要連接五個電阻和三極管，同時要注意，在實驗中我們定義了P0口為數(shù)碼管輸出，但是P0口還要加8個上拉電阻才能正常工作。（4）數(shù)據(jù)鎖存部分因為單片機位寬8位，DA轉換器為10位位寬，在單片機里面不能實現(xiàn)10位數(shù)據(jù)同時變化，這樣會導致DA輸出不正確，所以需要鎖存器。利用74LS74和74LS573，將單片機的數(shù)據(jù)先輸出兩位，

21、再輸出八位，然后同步輸入到下一級，就可以正常工作了。（5）數(shù)模轉換部分將產(chǎn)生的數(shù)字信號轉換成模擬信號，就可以輸出為波形了。（6）放大、濾波系列因為前幾步產(chǎn)生的信號大小不能滿足題目的要求，所以要利用放大器對信號放大，又因為在波形編程的時候是取點得到的，所以產(chǎn)生的波形會有不平滑的紋波，需要用一個濾波電路進行處理。（三）器件介紹本次實驗會用到幾種比較重要或關鍵的器件，這里簡單地進行一下介紹：單片機單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的

22、微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域廣泛應用。 本次實驗用到的單片機中有4個8位并行輸入/輸出端口，記作P0、P1、P2、P3，共32根線，每個并行IO口都能用作輸入和輸出，所以稱它們?yōu)殡p向I/O接口，通過定義每個端口輸入或輸出不同的數(shù)據(jù)，在本次實驗中的應用是比較簡單的。鎖存器74LS74和74LS573 AD轉換器AD7520 AD7520 是十位 CMOS 數(shù)模轉換器，采用倒 T 形電阻網(wǎng)絡。模開關是 CMOS 型的 ， 也同時集成在芯片上 ，但運算放大器是外接的 。AD7520 共有 16 個引腳，各引腳的功能如下。1 為模擬電流 輸出端，接到運算放大器的反相輸入端。2 為模擬電流 輸出端，一

23、般接 “ 地 ” 。3 為接 “ 地 ” 端。4 13 為十位數(shù)字量的輸入端。14 為 CMOS 模擬開關的 +UDD 電源接線端。15 為參考電壓電源接線端，可為正值或負值。16 為芯片內(nèi)部一個電阻 R 的引出端 ， 該電阻作為運算放大器的反饋電阻 ， 它的另一端在芯片內(nèi)部接端。六、設計成果電路板焊接展示：因為電路較為復雜，都從背面走線會導致電路板布局錯亂和跳線的產(chǎn)生，所以采用了部分端口使用杜邦線連接的方法，使電路板更加美觀、簡單。波形輸出展示：正弦波：方波：三角波：鋸齒波：七、故障排除及注意事項這是我們第一次接觸單片機，也是第一次進行這么復雜的實驗，在整個過程中遇到了不少問題，也學會了不少

24、東西，下面簡要記錄一下。1.鍵盤掃描部分，總是不能正確顯示按鍵值，檢查了很多遍線路都沒問題，后來用萬用表來檢測，發(fā)現(xiàn)原來是P1.2和P1.3口中間短路了，有一塊很小的飛濺的焊錫使兩個觸點連接在一起，然而用肉眼看是看不出來的，所以不要只相信自己的眼睛，要親手做一做，實踐才是檢驗真理的唯一標準。2.單片機的底座有一個管腳斷掉了，為了節(jié)約資源，我們用一根細導線代替了原來的管腳，用焊錫和金屬片固定，最后正常使用。3.在實驗過程中需要熟練地使用電烙鐵，一是為了焊出的電路不粗不細，美觀簡單，二是因為電烙鐵溫度可以達到好幾百度，一個不小心就有可能燙傷自己或引起事故。4.實驗結束后要記得關閉實驗臺電源，以及清

25、理自己產(chǎn)生的垃圾，自覺維護實驗室環(huán)境是基本的實驗素養(yǎng)。八、實驗總結本次實驗已經(jīng)結束，可是我們學到的卻有很多，在實驗開始之前，對51單片機的知識基本為0，而現(xiàn)在卻已經(jīng)編出了這么大的程序，這讓我們每一個人都感到無比欣慰。本次實驗，無論是搞硬件還是搞軟件的同學，都花費了巨大的心血，有的地方需要我們一遍遍的去圖書館和網(wǎng)上查找資料，比如搞硬件同學的電路圖原理，軟件同學的51單片機定時器應用。不僅如此，在實驗過程中，會遇到各種各樣的問題，程序不能成功運行，要一行行檢查源程序；數(shù)碼管不能正常顯示，要一遍遍的去檢查電路圖。這不僅培養(yǎng)了我們查找問題解決問題的能力，更培養(yǎng)了我們耐心、細心、專心的態(tài)度，所以通過這次

26、實驗，我們學會的不只是書本上的知識和本次實驗的內(nèi)容，也懂得了很多生活中的道理，同時我們還認識到有時候只憑一個人的力量是遠遠不夠的，所謂眾人拾柴火焰高，集體的力量是無窮的，要在自己思考的同時與同學討論，集思廣益，或許有更好的解決辦法。最后，感謝老師的悉心指導，這么多天麻煩老師給我們解決各種問題了，謝謝老師，祝您暑假愉快！附源程序：#include<reg52.h> #include<math.h> #include<INTRINS.H> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define

27、LED P0 #define KEY P1 sbit D1=P21; /次高位 sbit D2=P22; /高位 sbit CP=P20; /控制端 sbit a1=P23; /數(shù)碼管位選 sbit a2=P24; sbit a3=P25; sbit a4=P26; sbit a5=P27; uchar lx=0; uchar p,a; uchar count=1000;/周期控制 uchar shu; uchar Asign=1; /默認幅值 uchar code LED_tab17=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77

28、,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71; int idata qudian64; /數(shù)組的長度需指明 int keyboard_status; /定義鍵值 int sum3; int m,i; uint gewei,shiwei; void Sinvalue();/ 正弦波有效值 void Squarevalue(); /方波有效值 void Trianglevalue();/三角波有效值 void Sawtoothvalue(); /鋸齒波有效值 void KeyDown(); /讀鍵值 void Delay10ms(); /延時子函數(shù) void xianshi(); /數(shù)碼管顯

29、示函數(shù) void time (void) interrupt 1 TH0=(65536-count)/256; TL0=(65536-count)%256;if(lx=0) for(m=0;m<64;m+) CP=0; qudianm=Asign*1024/5; P3=qudianm; D1=qudianm>>8; D2=qudianm>>9; CP=1;if(m>=32) CP=0; qudianm=0x00; P3=qudianm; D1=qudianm>>8; D2=qudianm>>9; CP=1; else if(lx=1)

30、 for(m=0;m<32;m+)qudianm=Asign*1024*m/64/5; CP=0;P3=qudianm;D1=qudianm>>8;D2=qudianm>>9;CP=1; for(m=32;m>=1;m-) CP=0;P3=qudianm;D1=qudianm>>8;D2=qudianm>>9;CP=1; else if(lx=2) for(m=0;m<64;m+) qudianm=Asign*1024*m/64/5; CP=0; P3=qudianm; D1=qudianm>>8; D2=qudia

31、nm>>9; CP=1; else if(lx=3)for(m=0;m<64;m+) qudianm=Asign*1024*sin (0.09817477*m)/5; CP=0; P3=qudianm; D1=qudianm>>8; D2=qudianm>>9; CP=1; void main() EA=1; ET0=1; TR0=1; TMOD=0x00; TH0=(65536-count)/256; TL0=(65536-count)%256; while(1) TH0=(65536-count)/256; TL0=(65536-count)%25

32、6; KeyDown(); /讀取按鍵 a1=0;a2=0;a3=0;a4=0;a5=0; if( keyboard_status=0) a1=0;a2=0;a3=0;a4=0;a5=0; count=1000; Asign=1;lx=0; else if(keyboard_status=1) lx=0;Squarevalue(); else if(keyboard_status=2) lx=1;Trianglevalue(); else if(keyboard_status=3) lx=2;Sawtoothvalue(); else if(keyboard_status=4) lx=3;Si

33、nvalue(); else if(keyboard_status=5) Asign=Asign+1;xianshi(); if(Asign>=5) Asign=5; else if(keyboard_status=6) Asign=Asign-1; if(Asign<=1)Asign=1; xianshi(); else if(keyboard_status=7) count=count+1000; if(count>=10000)count=10000;xianshi(); else if(keyboard_status=8) count=count-1000; if(c

34、ount<=1000)count=1000;xianshi(); else if(keyboard_status=9)p=1;a=0;xianshi(); else if(keyboard_status=10) p=0;a=1;xianshi(); void KeyDown() /按鍵檢測函數(shù)的定義 char a=0; KEY=0x0f; if(KEY!=0x0f) /讀取按鍵是否按下 Delay10ms(); /延時10ms進行消抖if(KEY!=0x0f) /再次檢測鍵盤是否按下 /測試列 KEY=0X0F; switch(KEY) case(0X07):keyboard_statu

35、s=0;break;case(0X0b): keyboard_status;break;case(0X0d): keyboard_status;break;case(0X0e):keyboard_status;break; /測試行KEY=0XF0;switch(KEY) case(0X70):keyboard_status=keyboard_status;break;case(0Xb0):keyboard_status=keyboard_status+4;break;case(0Xd0): keyboard_status=keyboard_status+8;break;case(0Xe0):keyboard_status=keyboard_status+12;break; while(a<50)&&(KEY!=0xf0) /檢測按鍵松手檢測 Delay10ms();a+; void Delay10ms(void) /10ms延時函數(shù)定義 unsigned char a,b,c; for(c=1;c>0;c-) for(b=38;b>0;b-) for(a=130;a>0;a-); void xianshi() /顯示函數(shù) if(p=1)