論文-低頻函數(shù)信號發(fā)生器的設計

1、成都電子機械高等?？茖W校畢業(yè)設計說明書(論文)設計(論文)題目:低頻函數(shù)信號發(fā)生器的設計專 業(yè): 應用電子技術 班 級: 學 號: 姓 名: 指導教師: 摘 要：信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛地應用于電子電路、自動控制系統(tǒng)和教學實驗等領域。目前使用的信號發(fā)生器大部分是函數(shù)信號發(fā)生器，且特殊波形發(fā)生器的價格昂貴。所以本設計使用的是AT89c51單片機構成的發(fā)生器，可產(chǎn)生三角波、方波、正弦波，波形的頻率可用程序控制改變。在單片機的輸出端口接DAC0832進行D/A轉(zhuǎn)換，再通過運放進行波形調(diào)整，最后輸出波形接在示波器上顯示。本設計具有線路簡單、結(jié)構緊湊、價格低廉、性能優(yōu)越等優(yōu)點。關鍵詞：信號發(fā)生

2、器；單片機；波形調(diào)整目 錄第 1 章 緒 論31.1 課題背景3第2章 低頻信號發(fā)生器的方案研究32.1 總體方案論證與設計42.2模塊結(jié)構劃分4第 3 章 硬件電路的設計53.1 基本原理53.2各模塊具體設計63.2.1 AT89C51單片機介紹63.2.2 D/A轉(zhuǎn)換電路的設計8第 4 章 軟件設計104.1 軟件總體設計114.2 程序流程圖114.2.1 主函數(shù)流程圖114.2.2 鍵盤掃描程序114.3 仿真過程17結(jié) 論20參考文獻20第 1 章 緒 論1.1 課題背景隨著電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類增多，性能提高。尤其隨著

3、70年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號發(fā)生器向著自動化、智能化方向發(fā)展。現(xiàn)在，許多信號發(fā)生器帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自動故障診斷和自動波形形成和修正等功能，可以和控制計算機及其他測量儀器一起方便的構成自動測試系統(tǒng)。當前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、低功耗、高頻率精度、多功能、自動化和智能化方向發(fā)展。在科學研究、工程教育及生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制、教學實驗、機械振動試驗、動態(tài)分析、材料試驗、生物醫(yī)學等領域，常常需要用到低頻信號發(fā)生器。而在我們?nèi)粘Ｉ钪?，以及一些科學研究中，鋸齒波和正弦波、矩形波信號是常用的基本測試信號。譬如在示波器、電視機等儀器中，為了使電子按照一定規(guī)律運動，以

4、利用熒光屏顯示圖像，常用到鋸齒波產(chǎn)生器作為時基電路。信號發(fā)生器作為一種通用的電子儀器，在生產(chǎn)、科研、測控、通訊等領域都得到了廣泛的應用。 但市面上能看到的儀器在頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足許多方面實際應用的需求。加之各類功能的半導體集成芯片的快速生產(chǎn)，都使我們研制一種低功耗、寬頻帶，能產(chǎn)生多種波形并具有程控等低頻的信號發(fā)生器成為可能。第2章 低頻信號發(fā)生器的方案研究2.1 總體方案論證與設計信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法通常有以下幾種：方案一：用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。方案二：可以由晶體管、運放IC等通用器件制作，更多的則是用專

5、門的函數(shù)信號發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者互相影響。方案三：利用專用直接數(shù)字合成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率。但成本較高。方案四：采用AT89C51單片機和DAC0832芯片，直接連接鍵盤和顯示。該種方案主要對AT89C51單片機的各個I/O口充分利用. P1口是連接鍵盤以及接顯示電路,P2口連接DAC0832輸出波形.這樣總體來說,能對單片機各個接口都利用上,而不在多用其它芯片,從而減

6、小了系統(tǒng)的成本.也對按照系統(tǒng)便攜式低頻信號發(fā)生器的要求所完成.占用空間小,使用芯片少,低功耗。綜合考慮，方案四各項性能和指標都優(yōu)于其他幾種方案，能使輸出頻率有較好的穩(wěn)定性，充分體現(xiàn)了模塊化設計的要求，而且這些芯片及器件均為通用器件，在市場上較常見，價格也低廉，樣品制作成功的可能性比較大，所以本設計采用方案四。2.2模塊結(jié)構劃分本次設計所研究的就是對所需要的某種波形輸出對應的數(shù)字信號，在通過D/A轉(zhuǎn)換器和單片機部分的轉(zhuǎn)換輸出一組連續(xù)變化的05V的電壓脈沖值。在設計時分塊來做，按波形設定、D/A轉(zhuǎn)換、51單片機連接、鍵盤控制四個模塊的設計。最后通過聯(lián)調(diào)仿真，完成相應功能。具體設計模塊如圖鍵盤控制D

7、A轉(zhuǎn)換51單片機波形設定模塊介紹：1.波形設定：對任意波形的手動設定2.D/A轉(zhuǎn)換：主要選用DAC0832來把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，在送入單片機進行處理。3.單片機部分：最小系統(tǒng)4.鍵盤：用按鍵來控制輸出波形的種類和數(shù)值的輸入第 3 章 硬件電路的設計3.1 基本原理AT89C51復位電路DA轉(zhuǎn)換按鍵電流電壓轉(zhuǎn)換波形顯示低頻信號發(fā)生器系統(tǒng)主要由CPU、D/A轉(zhuǎn)換電路、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、按鍵和顯示電路、電源等電路組成。其工作原理為當按下第一個按鍵就會分別出現(xiàn)方波、三角波、正弦波。3.2各模塊具體設計 3.2.1 AT89C51單片機介紹 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲

8、器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。3.2.1.

9、1 主要技術指標和特性 ·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 ·壽命：1000寫/擦循環(huán) ·數(shù)據(jù)保留時間：10年 ·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz ·三級程序存儲器鎖定 ·128×8位內(nèi)部RAM ·32可編程I/O線 ·兩個16位定時器/計數(shù)器 ·5個中斷源 ·可編程串行通道 ·低功耗的閑置和掉電模式 ·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 3.2.1.2 外部引腳VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8

10、TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫

11、“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的

12、緣故。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：

13、外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3.2.2 D/A轉(zhuǎn)換電路的設計DAC0832是CMOS工藝制造的8位D/A轉(zhuǎn)換

14、器，屬于8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為1us，片內(nèi)帶輸入數(shù)字鎖存器。DAC0832與單片機接成數(shù)據(jù)直接寫入方式，當單片機把一個數(shù)據(jù)寫入DAC寄存器時，DAC0832的輸出模擬電壓信號隨之對應變化。利用D/A轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生各種波形，如方波、三角波、正弦波、鋸齒波等以及它們組合產(chǎn)生的復合波形和不規(guī)則波形。1.DAC0832主要性能：輸入的數(shù)字量為8位；采用CMOS工藝，所有引腳的邏輯電平與TTL兼容；數(shù)據(jù)輸入可以采用雙緩沖、單緩沖和直通方式；轉(zhuǎn)換時間：1us；精度：1LSB；分辨率：8位；單一電源：515V，功耗20mw；參考電壓：-10+10V； DAC0832內(nèi)部結(jié)構資料:芯片內(nèi)有兩級

15、輸入寄存器，使DAC0832具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。要是需要相應的模擬信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)這個供功能。運放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，還可以外接。 該片邏輯輸入滿足TTL電壓電平范圍，可直接與TTL電路或微機電路相接，下面是芯片電路原理圖3-20圖3-20 DAC0832電路原理圖如圖3-20所示，待轉(zhuǎn)換的8位數(shù)字量由芯片的8位數(shù)據(jù)輸入線D0D7輸入，經(jīng)DAC0832轉(zhuǎn)換后，通過2個電流輸出端IOUT1和IOUT2輸出，IOUT1是邏輯電平為&q

16、uot;1"的各位輸出電流之和，IOUT2是邏輯電平為"0"的各位輸出電流之和。另外，ILE、和是控制轉(zhuǎn)換的控制信號。DAC0832由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換電路組成。輸入寄存器和DAC寄存器作為雙緩沖，因為在CPU數(shù)據(jù)線直接接到DAC0832的輸入端時，數(shù)據(jù)在輸入端保持的時間僅僅是在CPU執(zhí)行輸出指令的瞬間內(nèi)，輸入寄存器可用于保存此瞬間出現(xiàn)的數(shù)據(jù)。有時，微機控制系統(tǒng)要求同時輸出多個模擬量參數(shù)，此時對應于每一種參數(shù)需要一片DAC0832，每片DAC0832的轉(zhuǎn)換時間相同，就可采用DAC寄存器對CPU分時輸入到輸入寄存器的各參數(shù)在同一時刻開始

17、鎖存，進而同時產(chǎn)生各模擬信號。控制信號ILE、用來控制輸入寄存器。當ILE為高電平，為低電平，為負脈沖時，在LE產(chǎn)生正脈沖；其中LE為高電平時，輸入寄存器的狀態(tài)隨數(shù)據(jù)輸入線狀態(tài)變化，LE的負跳變將輸入數(shù)據(jù)線上的信息存入輸入寄存器。控制信號和用來控制8位A/D轉(zhuǎn)換器。當為低電平，輸入負脈沖時，則在LE產(chǎn)生正脈沖；其中LE為高電平時，DAC寄存器的輸入與輸出的狀態(tài)一致，LE負跳變，輸入寄存器內(nèi)容存入DAC寄存器。 DAC0832的數(shù)據(jù)輸出方式在微機應用系統(tǒng)中,通常使用的是電壓信號,而DAC0832輸出的是電流信號，這就需要由運算放大器組成的電路實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。其中有輸出電壓各自極性固定的單位性輸出和在隨

18、動系統(tǒng)中輸出電壓有正負極性的雙極性輸出兩種輸出方式。3. DAC 0832同CPU的連接微處理器與DAC0832之間可以不加鎖存器，而是利用DAC0832內(nèi)部鎖存器，將CPU通過數(shù)據(jù)總線直接向DAC0832輸出的停留時間很短的數(shù)據(jù)保存，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束。DAC0832同CPU的接口如圖3-21所示.DAC0832作為微處理器的一個端口，用地址92H的選通作為和的控制信號，微處理器的寫信號直接來控制和。圖3-21 DAC0832和CPU連接電路第 4 章 軟件設計4.1 軟件總體設計應用系統(tǒng)中的應用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求而設計的，能可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。本系統(tǒng)的軟件包括以下幾個程序模塊：初始化程

19、序；鍵盤掃描程序與處理程序；定時器0服務程序；正弦波發(fā)生程序及其服務程序；三角波發(fā)生程序；方波發(fā)生程序。4.2 程序流程圖開始4.2.1 主函數(shù)流程圖中斷子程序結(jié)束無限調(diào)用鍵盤掃描程序初始化開始4.2.2 鍵盤掃描程序 讀P1口進行鍵值類型判斷NY按鍵是否松開確認有，就讀取P1口得值NY軟件延時消除振動有鍵按下結(jié)束4.2.3 中斷子程序開始定時器初始化Y是正弦？波向DA轉(zhuǎn)換器送值并指向下一個地址數(shù)據(jù)N是三角波？Y結(jié)束d置0NYd>255向DA轉(zhuǎn)換器送1NY向DA轉(zhuǎn)換器送0D比設定值??？算占空比NY是方波？C=0NYC>400C+向DA轉(zhuǎn)換器送200 - (c-200)值向DA轉(zhuǎn)換器

20、送c值NY如果c<200N地址置0NY地址大于255其他子程序的相對簡單，流程圖就不一一畫出了。4.2.4 相應程序#include <reg51.h>#include <absacc.h>#define DA0832 XBYTE0x7fff#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uint wave_choice=1,c=0,zk=1,k=0,d=0,f=1,b=0,t=0;uchar code tosin256=0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x

21、99,0x9c,0x9f,0xa2,0xa5,0xa8,0xab,0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5,0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5,0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0x

22、ff,0xff,0xfe,0xfd,0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda,0xd8,0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99,0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,0x

23、80,0x7c,0x79,0x76,0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,0x51,0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16,0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x

24、00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,0x27,0x29,0x2b,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4c,0x4e,0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66 ,0

25、x69,0x6c,0x6f,0x72,0x76,0x79,0x7c,0x80 ;/*正弦波碼 */void time0_int(void) interrupt 1 /中斷服務程序 t=(6 / f)/256; TH0 = t / 256; /定時器高八位值 TL0= t % 256; /定時器低八位值 TR0 = 0; if(wave_choice = 1) DA0832= tosinb; /正弦波 b+;if(b>255)b=0; else if( wave_choice = 2 ) /三角波 if(c <= 200) DA0832= c; else DA0832= 200 -

26、(c-200); c +;if(c>400)c=0; else if( wave_choice = 3 ) / 方波 k = zk * 256 / 100; d +; if(d <= k) DA0832= 0x00; else DA0832= 0xff;if(d>255)d=0; TR0 = 1;void key1()if(wave_choice<4)wave_choice+;else wave_choice=1;void key2()if(f<=100)f+;void key3()if(f>1)f-;void key4()if(zk<100)zk+;void key5()if(zk>1)zk-;void delay()uchar i,j;for(i=256;i>0;i-) for(j=256;j>0;j-);void judge() uchar Y; P1 = 0xff; if(P1!=0xff) /判斷是否有鍵按下 delay(); /延時,軟件去干擾 if(P1!= 0xff) /確認按鍵按下X = P1; Y=P1; /保存列掃描時有鍵按下時狀態(tài) while(P1!=0xff); switch ( Y ) /判斷鍵值（那一個鍵按下） case