基于51单片机的高频函数信号发生器.docx
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基于51单片机的高频函数信号发生器
函数信号发生器设计报告
参赛人员：
朱秋
王嘉文
房开兰
指导教师：
***
二00九年七月十四日
摘要
波形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。
本函数发生器采用STC89C52单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、运放电路（uA741）、倍频电路（CD4046）、按键和LCD显示电路等。
电路采用STC89C52单片机和一片DAC0832数模转换器组成数字式低频信号发生器。
函数信号发生器，它具有价格低、性能高和在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等特点。
由于采用了uA741运算放大器和滤波电路，使其电路更加具有较高的稳定性能，性能比高。
此电路清晰，出现故障容易查找错误，操作简单、方便。
通过按键控制可产生方波、三角波、正弦波，同时用LCD1602显示幅值和频率。
所产生的波形VP-P范围为0~5V，由倍频电路使频率范围为100Hz~1MHz,波形准确并且平滑。
本系统设计简单、性能优良，具有一定的实用性。
关键词：
单片机；倍频；调频；调幅；LCD1602
Abstract
Waveformgeneratorisacommonsignalsource,widelyusedinelectroniccircuits,automaticcontrolsystemsandexperimentsinareassuchasteaching.FunctiongeneratorusedasacontrolcoreSTC89C52single-chip,externaldigital/analogconvertercircuit（DAC0832）,operationalamplifiercircuit（uA741）,frequency-doublingcircuit（CD4046）,andbuttonsandLCDdisplaycircuit.STC89C52circuitandasingle-chipdigitalDAC0832DigitaltoAnalogcomponentoflow-frequencysignalgenerator.Functionsignalgenerator,ithasalowprice,high-performanceandlow-frequencyrangeofgoodstability,convenientoperation,smallsize,lowpowerconsumptionandsoon.UA741Asaresultoftheoperationalamplifierandfiltercircuittocircuitwithhighstabilityandmoreperformance,highperformance.Thiscircuitclears,easytofindfailureerror,simpleandconvenient.
Keyscanbegeneratedthroughcontrolofsquarewave,trianglewave,sinewave,LCDdisplayatthesametimewiththeamplitudeandfrequency.WaveformgeneratedbyVP-Prangeof0~5V,sothatbythemultipliercircuitforfrequencyrange92.592593Hz~217.3913Hz,accurateandsmoothwaveform.Thesystemisdesignedtobesimple,excellentperformance,withacertaindegreeofpracticality.
Keywords:
microcomputer;frequency;FM;AM;LCD1602
一、系统方案
题目要求实现的任务是设计并制作一个函数信号发生器，能产生正弦波，方波，三角波，要求不用DDS和专用的波形产生芯片，频率范围100Hz~1MHz，幅度0~5V，方波占空比可调，实时显示频率和幅度。
根据要求对下面方案进行论证与比较。
1、1信号发生部分
方案一：
采用模拟分立元件或单片压控函数发生器，可产生正弦波，方波，三角波，通过调整外部元件可改变输出频率，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使使用单片函数发生器，参数也与外部元件有关，外接的电阻电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定性较差，精度低，抗干扰能力低，成本也高，而且灵活性较差，不能实现任意波形以及波形运算输出等智能化的功能。
方案二：
采用锁相式频率合成方案。
锁相式频率合成是一个高稳定度和精确度的大量离散频率的技术，它在一定程度上解决了既要频率稳定精确，又要频率在较大范围可变的矛盾。
但频率受VCO可变频率范围的影响，高低频率比不可能做的很高，而且只能产生方波或正弦波，不能满足任意波形的要求。
方案三：
采用单片机和数模/转换DAC0832实现波形的产生。
波形的产生是通过STC89C52执行方波波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。
通过CD4046与CD4518分频实现倍频，已达到最高1MHz的频率。
在89C52的P2口接5个按扭,通过软件编程来选择各种波形、幅值电压和频率，每种波形对应一个按钮。
此方案的有点是电路原理比较简单，实现起来比较容易。
经比较，方案三能更好地实现题目要求，三种波形的产生可由程序控制，并通过按键选择波形输出，在示波器上显示波形。
波形的周期与频率步进也可以用程序改变，方波占空比通过按键加减，具有线路简单、结构紧凑等优点。
在本设计的基础上，加上LCD显示器，则可通过按钮设定所需要的波形频率，并在LCD上显示频率、幅值电压。
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。
1、2显示部分
方案一：
数码管显示，由于本题要求实时显示输出信号的幅度，频率，而数码管不能显示字符。
方案二：
LED点阵显示，LED点阵显示虽然能显示字符和数字，但显示效果不好，且不易编程。
方案三：
LCD液晶显示，LCD液晶不但能显示字符和数字，而且显示效果较好，容易编程实现。
二、系统设计
2、1总体设计思路
根据题目要求，经过仔细考虑，充分考虑各种因素，制定了整体设计方案：
以STC89C52单片机为控制核心，P0口接DAC0832信号输入并数模转换，程序控制产生三种波形，通过P1口接8个按键，控制频率、幅值和占空比，由按键选择三种波形的输出。
由uA741运放实现DAC0832输出电流到电压的转换，通过CD4046与CD4060组成的100倍频电路，尽量达到题目频率要求。
在LCD1602上实时显示频率与幅值，波形在示波器上显示。
2、2总体框图
本系统总体框图如图2、1所示。
图2.1系统框图
三、硬件电路
本系统由单片机、波形转换（D/A）电路、显示接口电路、倍频电路等四部分构成。
电路图附在后面。
3、1单片机电路
3、1、1功能与基本原理
功能：
形成扫描码，键值识别、键处理、参数设置；形成显示段码；产生定时中断；形成波形的数字编码，并输出到D/A接口电路和显示驱动电路。
AT89S51外接12M晶振作为时钟频率，并采用电源复位设计。
复位电路采用上电复位，它的工作原理是，通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过对电容充电。
RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始工作。
产生方波程序思路：
根据定时器溢出的时间，将频率值换算为定时器溢出的次数（T1_over_num）。
使用变量（T1_cnt）暂存定时器T1的溢出次数，当达到规定的次数（T1_over_num）时，将输出管脚的状态取反达到方波的产生。
另外，采用查询的方式实现按键的扫描和LCD液晶的显示，中断服务程序实现方波的产生和连续按键的计时功能。
3、1、2资源分配
软、硬件设计是设计中不可缺少的，为了满足功能和指标的要求，资源分配为：
单片机用12M晶振，P0口与DAC0832相连；P1口接八个按键，实现频率、幅度、占空比的调节，以及波形选择；P2口接LCD1602液晶显示器，实时显示频率与幅值。
3、2波形转换（D/A）电路
功能：
将波形样值的编码转换成模拟值，完成的波形输出。
由一片0832和uA741运放组成。
DAC0832是一个具有两个输入数据寄存器的8位DAC。
目前生产的DAC芯片分为两类，一类芯片内部设置有数据寄存器，不需要外加电路就可以直接与微型计算机接口。
另一类芯片内部没有数据寄存器，输出信号随数据输入线的状态变化而变化，因此不能直接与微型计算机接口，必须通过并行接口与微型计算机接口。
DAC0832是具有20条引线的双列直插式CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换，故不需要外加电路。
0832是电流输出型，示波器上显示波形，通常需要电压信号，电流信号到电压信号的转换可以由运算放大器uA741实现。
单片机向0832发送数字编码，产生不同的输出。
先利用采样定理对各波形进行抽样，然后把各采样值进行编码，收到的数字量存入各个波形表，执行程序时通过查表方法依次取出，经过D/A转换后输出就可以得到波形。
假如N个点构成波形的一个周期，则0832输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，即一个周期。
重复输出N个点，成为第二个周期。
利用单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制了输出的波形的频率。
这样就控制了输出的波形及其幅值和频率。
具体连接如图3、1所示。
图3、1D/A转换电路
3、3显示接口电路
功能：
驱动LCD1602液晶显示，扫描按钮。
由LCD1602液晶显示器和7个按钮组成。
当某一按钮按下时，扫描程序扫描到之后，通过P2口将数字信号发送到LCD1602。
LCD1602种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，它的外接电压也是+5V。
扫描利用软件程序实现，当某一按键按下时，扫描程序立即检测到，随后调用子程序，执行相应的功能。
其与单片机的连接如图3、2所示。
图3、2显示接口电路
3、4倍频电路
功能：
实现100倍频，使输出频率达到题目要求。
CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高（约100MΩ），动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。
CD4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～{15}.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；{11}脚～{14}脚）。
由锁相环CD4046与计数器CD4518实现100倍倍频。
当从14脚输入频率f1的信号时，在3脚（相位比较信号输入信号）、4脚（压控振荡器输出信号）之间接计数器4518，输出端4脚频率f2=100f1。
具体电路连接如图3、3所示。
图3、3倍频电路
四、软件设计及流程
主程序和子程序都放在89S52单片机中。
主程序的功能是：
开机以后负责查键，即做键盘扫描及显示工作，然后根据用户所按的键转到相应的子程序进行处理。
子程序的功能有：
延时子程序程序、中断子程序、调幅子程序、调频子程序、显示等。
主程序流程图为：
五、调试与测试结果
采用分别调试各个单元模块,调通后再进行各单元电路联机统调的方法,提高调试效率。
5、1硬件调试
整个硬件调试过程基本顺利，由于采用了分单元模块制作，各单元电路工作稳定，给调试工作带来很大的方便。
1）放大模块部分在实物模拟时，出现发送信号不稳定、跳变的问题。
经过仔细检查电路线路路径和线路连接问题，最终发现电路在连接时出现未连接牢固的问题，从而得以解决。
2）调试过程中，锁相环倍频电路未能实现100倍频，没有达到预期效果，频率未能达到1MHz。
各单元调试通过以后，进行整机调试，调试结果显示，整个系统能够正常工作。
5、2软件调试
由于对51系列单片机编程比较熟悉，在软件的仿真调试过程中没有遇到太大的问题。
各软件功能均正常实现。
六、结束语
经过近几个月的锻炼和学习,我们学到了许多书本上没有的知识,从方案的论证、课题的选择、电路原理，到电路上元器件的焊接、电路的调试，程序的编写，调试下载，一步步，我们收获很大。
在设计中，我们力求硬件电路简单，充分发挥软件灵活方面的特点，满足系统设计要求。
这中间，我们也遇到了许多困难，在老师的帮助下，一个个也都战胜了。
由于我们这个团队接触单片机时间还不长，有很多东西我们还没有学好，学精，所以，设计的方案可能不是最好的，但我们已经尽到我们最大努力来完成此次作品，希望取得好的结果，能学到更加多得知识。
所以，在以后的学习中，我们要更加努力，才能处于不败之地。
在此，要感谢我们的指导老师，给我们进行了很多的辅导，不仅在技术上给了我很大帮助，也在系统需求和设计方面给予了我很大帮助。
老师的谆谆教导，使我们受益匪浅。
七、参考文献
[1]李勋，刘源.单片机实用教程.北京：
北京航空航天大学出版社，2000
[2]李珍付，植桐.单片机原理与应用技术.北京：
清华大学出版社，2003
[3]李朝清.单片机原理及接口技术.北京：
北京航空航天大学出版社，1999
[4]胡汉才.单片机原理及系统设计.北京：
清华大学出版社，2002
[5]万福君，潘松峰.单片机微机原理系统设计与应用.合肥：
中国科学技术大学出版社，2001
[6]陈明英.8051单片机课程设计实训教材.北京：
清华大学出版社，2002
[7]张洪润，易涛.单片机应用技术教程（第二版）.北京：
清华大学出版社，2003
[8]张淑清，片微型计算机接口技术及应用.北京:
国防工业出版社,2001
[9]王松武，常用电路模块分析与设计指导.清华大学出版社，2007
八、附录
8、1元件清单
PartTypeDesignator
1MR2
2.2uC5
6.8KR3
10KR1
10kRP1
10uFC1
12MS12
20pS10
20pS11
89S52U1
100KR4
1000pC2
4046U5
CAPC3
CAPACITORPOLC4
CD4518U6
CON5J1
DAC0832U4
SW-PBS5
SW-PBS2
SW-PBS7
SW-PBS3
SW-PBS9
SW-PBS4
SW-PBS1
SW-PBS8
SW-PBS6
uA741U2
8、2电路原理图
8、3程序清单
#include
#defineucharunsignedchar
sbitrs=P3^0;
sbitrw=P3^1;
sbiteg=P3^2;
ucharcodetable[]={"Volt"};
ucharcodetable2[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};
ucharcodetosin[256]={0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,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,0xff,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,0x89,0x86,0x83,0x80,0x80,0x7c,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,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00
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,0x60,0x63,0x66,0x69,0x6c,0x6f,0x72,0x76,0x79,0x7c,0x80};//正弦波数据
ucharb=0,c=0,d=0,e=0,i,k,tl,th;
intww=0,qw=0,bw=9,sw=3,gw=3,n=20,chh=50;//ww为万位数字,qw为千位数字,bw为百位数字,
//sw为十位数字,gw为个位数字.
intt,f,m,choice=1,zk=50;//t为时间变量，f为频率变量，choice为波形类型选择变量，zk为占空比变量，默认占空比为50%//延时程序，延时Xms****************************************************
voiddelay（unsignedintx）
{
inti,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<120;j++）;
}
//写指令函数*****************************************************
voidwritezl（unsignedcharzl）
{
rs=0;
rw=0;//满足写指令的条件；
P2=zl;
delay（5）;
eg=1;
delay（5）;
eg=0;
}
//写数据函数**************************************************
voidwritesj（unsignedcharsj）
{
rs=1;
rw=0;//满足写数据的条件；
P2=sj;
delay（5）;
eg=1;
delay（5）;
eg=0;
}
//初始化程序**************************************************
voidinitial（）
{
eg=0;
writezl（0x38）;//显示模式设置；
writezl（0x0c）;//开显示，不开光标，光标不闪烁；
writezl（0x06）;//写数据时，每写一个数据，指针后移动一位，但是整屏不动；
writezl（0x80+0x00）;//在显示器的第一行第一位开始写数据；
}
//显示函数********************************************************
voiddisplay（）
{inti;
for（i=0;i<3;i++）
writesj（table[i]）;
writezl（0x80+0x04）;
writesj（table2[chh/10]）;
writezl（0x80+0x05）;
writesj（'.'）;
writezl（0x80+0x06）;
writesj（table2[chh%10]）;
writezl（0x80+0x07）;
writesj（'V'）;
writezl（0x02）;//清除指针，但是不清楚显示内容；
writezl（0x80+0x40）;//跳转到下行的第一位开始置显示；
writesj（'F'）;
writezl（0x80+0x41）;
writesj（'r'）;
writezl（0x80+0x42）;
writesj（'e'）;
writezl（0x80+0x43）;
writesj（table2[ww]）;
writezl（0x80+0x44）;
writesj（table2[qw]）;
writezl（0x80+0x45）;
writesj（table2[bw]）;
writezl（0x80+0x46）;
writesj（table2[sw]）;
writezl（0x80+0x47）;
writesj（table2[gw]）;
writezl（0x80+0x48）;
writesj（'H'）;
writezl（0x80+0x49）;
writesj（'z'）;
writezl（0x80+0x50）;
writesj（''）;
}
/*１键选择发波类型,1为正弦波,2为三角波,3为方波*/
voidkey1（void）
{
if（choice<4）
choice=choice+1;
else
choice=1;}
//幅度加************/
voidkey2（void）
{
if（chh!
=50）
chh++;
elsechh=chh;
}
//幅度减************/
voidkey3（void）
{
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