基于单片机的信号发生器讲解.docx

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基于单片机的信号发生器讲解

哈尔滨理工大学

毕业设计

题目：

信号发生器的设计

院、系：

荣成学院电气工程系

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系主任：

王哈力

2014年6月10日

基于单片机的信号发生器设计

摘要

信号发生器是指电子测量中作为激励源使用的信号来源，它是生产线、教学科研、电子测试以及模拟仿真等领域与行业的重要测试仪器。

本文首先简要介绍了信号发生器的研究现状及发展状况，对信号发生器的工作原理进行了阐述，在此基础上给出了系统设计的硬件和软件方案，并对各模块进行了详细的描述。

本文以AT89S52单片机为信号发生芯片，外加若干电路生成频率和幅度可调的正弦波、方波、三角波及正弦三角组合波形。

信号发生器的硬件电路部分主要包括电源电路、单片机及其外围电路、人机交互接口电路、DAC模块、放大电路等。

软件部分主要有系统的主程序设计，外设模块驱动程序设计、信号测量和参数校正算法的实现。

本设计的输出信号，其波形用键盘选择，其频率和幅度可以通过手动调节也可以通过键盘输入，当前信号波形的有关参数可以用LCD显示输出。

通过硬件和软件的调试，输出信号的频率范围为0.1Hz～10MHz，幅度能够达到4V，达到了设计目标。

关键词信号发生器；AT89S52;

DesignofSignalGeneratorbasedon

SingleChip

Abstract

Thesignalgeneratorisasignalsourceusedasanexcitationsourceforelectronicmeasurements.Itisanimportanttestequipmentfortheproductionline,teachingandresearch,electronictestandsimulation.

Thispaperbrieflyintroducesthehistoryandresearchstatusofthesignalgenerator,followedbytheprincipleexplanationofthesignalgenerator.Basedontheabove,thedesignschemesofhardwareandsoftwarearegivenandeachmoduleisdescribedindetail.

InthispaperAT89S52isusedasasignalgeneratingchip,andcertaincircuitsareadded.Itcangeneratesinewave,squarewave,trianglewave,andthecombinationwaveformofsineandtrianglewavewithadjustablefrequencyandamplitude.

Thehardwarecircuitsmainlyincludethepowersupply,MCUanditsperipherals,human-computerinterface,DACmodule,amplifierandsoon.Thesoftwaredesignincludesthemainprocedure,driversforeachperipheralmodule,signalmeasurementandparametercalibrationalgorithm.

Fortheoutputsignal,itswaveformisselectedbythekeyboard;itsfrequencyandamplitudecanbeadjustedmanuallyorinputusingthekeyboard;therelevantparametersofthecurrentwaveformcanbedisplayedonLCD.Bythehardwareandthesoftwaredebug,thefrequencyrangeis100Hz～10MHz,theamplitudecanreach4V.Onthewholethedesigngoalsareachieved.

KeywordsSignalGenerator,AT89S52；

第1章绪论.......................................................................................................1

1.1信号发生器的现状.......................................................................................1

1.2信号发生器的几个发展阶段.......................................................................2

1.3单片机在低频信号发生器的应用及作用...................................................3

第二章系统设计................................................................................................4

2.1系统方案的比较...........................................................................................4

2.1.1选题论证............................................................................................4

2.1.2方案选择............................................................................................4

2.2芯片选择模块...............................................................................................4

2.3系统设计要求及参数...................................................................................5

第三章硬件电路的设计....................................................................................6

3.1系统框图.......................................................................................................6

3.2资源分配........................................................................................................6

3.3AT89S52功能特性概述..............................................................................6

3.4各部分电路原理..........................................................................................12

3.4.1DAC0832芯片原理...........................................................................12

3.4.2LM324工作原理...............................................................................15

第四章软件设计...............................................................................................16

4.1设计思想......................................................................................................16

4.2主程序设计..................................................................................................17

4.3方波程序设计..............................................................................................18

4.4三角波程序设计..........................................................................................19

4.5锯齿波程序设计..........................................................................................20

4.6正弦波程序设计..........................................................................................21

第五章仿真模拟及其电路板制作...................................................................22

5.1ProteusISIS软件的应用及介绍...............................................................22

5.2Keil软件的应用介绍...............................................................................23

5.3仿真电路图................................................................................................24

5.4仿真结果....................................................................................................24

5.5ProteusISIS制版.......................................................................................26

参考文献.............................................................................................................29

致谢...................................................................................................................30

附录.....................................................................................................................31

第一章绪论

1.1信号发生器的现状

信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。

按照频率范围分类可以分为：

超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。

按照输出波形分类可以分为：

正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：

脉冲信号发生器，函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。

按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。

前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。

后者是指其输出信号的频率、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、屏蔽良好的中、高档信号发生器。

信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。

但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。

在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。

而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。

一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。

超低频信号发生器是科研、教学、制造业中一种最常用的通用仪器，输出波形一般固定为正弦波、三角波、锯齿波和方波，不能实现有时在实验或工程应用中需要的特殊信号给用户使用带来不便。

虽然目前市场上的高性能的任意信号发生器已经出现，但是价格昂贵，对于一般机电控制的用户而言频带不需要很宽。

所以一种既能满足一定频率和波形性能要求又价格低廉的超低频任意信号发生器就成为了一种需求。

1.2信号发生器的几个发展阶段

从信号发生器的实现看可以简单分为以硬件为核心的电路实现方式和以计算机技术为核心的实现方式。

（1）用硬件电路实现的特点：

可以输出连续的模拟信号，使用频率控制和幅值控制电路实现信号输出调节，因此输出的波形的频率较高。

但其稳定性和抗干扰能力较差，电路结构复杂。

而且不能实现人机对话和可视操作。

（2）以计算机技术为核心的智能型信号发生器的特点:

随着大规模集成电路和计算机技术的迅速发展，以及人工智能向测控技术的移植和应用，智能仪器仪表技术发展迅速。

智能函数信号发生器与传统的模拟函数信号发生器相比，具有以下几个明显特点:

一是利用微机控制键盘和显示。

键盘和显示是智能信号发生器区别于传统信号发生器在面板设计上最突出的特点。

由于采用美观方便的按键操作代替了传统的开关或旋钮，避免了手动控制带来的人为误差。

由于采用具有显示信息量大优点的液晶显示器LCD，大大增强了操作者和微处理器之间的对话能力。

二是强大的输出能力。

由于采用了由仪器内微处理器控制而生成所需新波形的技术，即直接数字合成技术（DirectDigitalFrequencySynthesizer），导致普通的智能信号发生器能产生多种函数的周期性波形，大大拓展了仪器的输出能力。

三是自检、自诊断功能。

这是智能信号发生器区别于传统信号发生器的重要特征之一。

能够及时和准确地确知仪器故障发生的部位和特征，不仅大大方便了维修，而且保证了输出的可靠性。

四是自校和自修正。

对于智能化仪器来说，这也许是最重要的作用，它意味着在相同或更低性能的硬件条件下，仪器指标能够达到更高的水平，即实现了高的性能价格比。

另一方面，微处理器的加入使以前由硬件电路很难或根本办不到的事成为可能。

五是远地输入输出能力。

仪器配有标准接口，可纳入自动测试系统中工作。

1．3单片机在低频信号发生器中的应用及其特点

当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的进步，给人们带来了根本性的转变。

现代电子领域中，单片机的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统控制与检测技术的日益革新。

单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格比，在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛的应用，并走入家庭，从洗衣机、微波炉到音响汽车，处处可见其应用。

因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。

一块单片机芯片就是一台计算机。

由于单片机的这种特殊的结构形式，在某些特殊应用领域中，它承担了大中型计算机和通用微型计算机无法完成的一些工作。

使其具有很多显著的优点和特点，因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。

单片机的特点归纳起来有以下几个方面。

（1）具有优异的性能价格比

单片机尽可能地把应用所需的存储器,各种功能的I/O接口集成在一块芯片内,因而其性能很高,而价格却相对较低廉,即性能价格比很高。

（2）控制功能强

单片机体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。

为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作指令以及位操作指令。

其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

（3）集成度高、体积小、可靠性高

单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因而集成度高，均为大规模或超大规模集成电路。

又内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，这大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。

同时，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。

单片机具有体积小、成本低，性能稳定、使用寿命长等特点。

其最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中，这是其他计算机和网络都无法做到的。

（4）低电压、低功耗

单片机大量用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗尤为重要。

目前，许多单片机已可在2.2V电压下运行,有的已能在1.2V或0.9V下工作，功耗降至μA级,一粒钮扣电池就可长期使用。

利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其下限频率很低。

具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。

只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。

这里介绍一种采用AT89S52单片机和一片DAC0832数模转换器做成的数字式低频信号发生器，它的特点是价格低、性能高，在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等。

信号发生器与其它相比还具有如下优点：

①较分立元件信号发生器而言，具有频率高，工作稳定，容易调试等特性；②较专用DDS芯片的信号发生器而言，具有结构简单，成本低等特性。

第二章系统设计

2.1系统方案的比较

2.1.1选题论证

本文是做基于单片机的信号发生器的设计，将采用编程的方法来实现三角波、锯齿波、矩形波、正弦波的发生。

根据设计的要求，对各种波形的频率和幅度进行程序的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。

在程序运行中，当接收到来自外界的命令，需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序，经电路的数/模转换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端口输出。

制作低频信号发生器可以用一片DAC0832来实现，它可以分为单极性和双极性。

而本项目选择了单片双极性。

之所以选单片双极性是因为其精度高，滤波好，抗干扰效果好。

2.1.2方案选择

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：

AT89S52芯片中每一路模拟输出与DAC0832芯片相连，构成多个DAC0832同步输出电路，输出波形稳定，精度高，但是第二级DAC0832输出，发生错误并且电路连接复杂。

方案三：

AT89S52芯片中只有一路模拟输出或几路模拟信号非同步输出，这种情况下CPU对DAC0832执行一次写操作，则把一个数据直接写入DAC寄存器，DAC0832的输出模拟信号随之对应变化。

输出波形稳定，精度高，滤波好，抗干扰效果好，连接简单，性价比高。

因此我们设计中采用方案三。

2．2芯片选择模块

方案一：

AT89S52单片机是一种高性能8位单片微型计算机。

它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机。

同时，为什么选AT89S52而不选用AT89C51，那是因为AT89S52相对于AT89C51更强大，S52增加的新功能包括：

（1）性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！

（2）ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。

是一个强大易用的功能。

（3）最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。

（4）具有双工UART串行通道。

（5）内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

（6）双数据指示器。

（7）电源关闭标识。

方案二：

C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与AT89S52兼容的微控制器的内核，与MCS-51指令集完全兼容。

除了具有标准AT89S52的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。

方案选择：

方案二中C8051F005芯片系统内部结构复杂，不易控制，芯片成本高，对于本系统而言利用率低，AT89S52芯片简单易控制，性能稳定,因此采用方案一。

2．3系统设计要求及参数

基本要求：

1.能产生正弦波、三角波、方波、锯齿波；

2.频率控制通过按键调整。

3.频率参数：

正弦波10-100Hz

方波10-100Hz

三角波10-100Hz

梯形波10-100Hz

第三章硬件电路的设计

3．1系统框图

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。

89S52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89S52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

低频信号发生器系统主要由CPU、D/A转换电路、基准电压电路、电流/电压转换电路、按键和波形指示电路、电源等电路组成。

89S52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