可叠加信号发生器.docx

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可叠加信号发生器

学号2

密级___________

大学学士学位论文

基于51单片机的信号可叠加的信号发生器设计

院（系）名称：

信息与通信工程学院

专业名称：

电子信息工程

学生姓名：

指导教师：

摘要

信号发生器作为基础的激励和测控检测仪器，早已渗透在实验教学、科学研究等多项领域，各种功能多样的信号发生器的研制和推广成为当今科技的一大课题。

本文介绍了一种采用STC89C52为主控芯片，利用芯片定时/计数器，通过程序查表的方法通过芯片三组I/O口输出离散化处理的波形信号，并经三片DAC0832数模转换，uA741运放使电流转换成电压并控制电压幅度增减的数字式波形发生器，可同时产生正弦波，方波，三角波等波形图。

通过示波器观察波形准确平滑，种类可以自由切换，周期、、幅度、初相均可调，编写一定算法，根据需要选择某种波形一周期内某段截取，对两种或三种截取波形叠加以产生新的波形，波形的截取、叠加控制彼此不受影响，波形截取起始终止点可在示波器上显示。

基于51单片机的可叠加的波形发生器，价格低廉、精度高、程序控制，并且体积小，操作方便，功率低，有很高的实验和应用价值。

关键词：

单片机；信号发生器；截取；可叠加；程控

ABSTRACT

Waveformgeneratorisacommonsignalsource,whichiswidelyusedinelectrniccircuits,automaticcontrolsystemandteachingexperimentetc.ThispaperintroducesakindofSTC89C52chip.Withthetimer/counter,themethodofprogrammingandsoftwarelook-uptable,thediscrete-processedsignalisoutputedbythethreegroupsofI/Oportchip.ThenthroughthreepiecesofDAC0832chipstomakeD/AconversionandthreepiecesofuA741op-ampchipstomakecurrentintovoltage,uA741op-ampcanalsocontrolthevoltageamplitudeincreaseordecrease,wegetadigitalwaveformgenerator,whichcangeneratesinewave、squarewave、triangularwaveetc.Throughtheoscilloscopeobservation,thewaveformisaccurateandsmooth,Speciesisfreetoswitch,cycle,,amplitudeandinitialphaseareadjustable.Bytheadoptionofacertainalgorithmandprogram,wecanchooseaperiodofaweekofawaveformaccordingtoneedtointercept,thensuperposethetwoorthreeinterceptedwaveformtogenerateanewwave.Thecontrolofinterceptingandsuperposingofwaveformisnotaffectedbyeachother.Thestartingandendingpointsofwaveforminterceptioncanbeshowedbytheoscilloscope.Asuperimposedsignalgeneratordesignbasedon51microcontroller,lowcost,highprecisionandcanbeprogrammedandsmallvolume,convenientoperation,lessconsumption,hasahighexperimentandapplicationvalue.

Keywords：

microcontroller;wavegenerator;interception;superpose;programcontrol

第1章绪论

1.1选题背景和目的

随着现代各种测控仪器的产生和发展，人们对电子测量的精度和稳定度的要求越来越高，促使各种信号发生器种类不断增加，各种性能和功能也层出不穷。

但在90年代后微处理芯片发展的越来越快，信号发生器已经发生了质的飞越，与传统的信号发生器已有很大不同。

当今的大部分信号发生器都是处理器控制，波形的产生已不再过度靠人的实时控制，一切都趋向于自动化[1]，可以和计算机或其他测量仪器联合使用，通过人的操作控制达到想要的目的，有非常好的人性化设置。

因此信号发生器在慢慢走向智能化、耗能低、功能多样的道路。

低频信号发生器的应用已屡见不鲜，包括工业工程控制、材料测试、生物工程、医学成像、仪器驱动、动态分析的领域都能看到低频信号发生器的身影。

在这些领域中，主要的应用波形是锯齿波。

三角波、正弦波、方波等基础波形[2]。

比如为了使数字电路各芯片正常运转，常需要一定频率的时钟信号作为芯片驱动。

信号发生器由传统再到高端已经有了很大的改善，但业界和市场上出现的信号发生器在有些领域功能还是显得略为单一，随着各类半导体集成芯片的产生和升级，频带宽、功率低、高频率精度、多功能低频信号发生器正逐渐变为可能。

在生产仪器的过程中，产品需要更加具有智能性而且需要体积变小，而在现代电子生产和测控领域，单纯的基础波形已跟不上科研的脚步。

能够人为控制输出各式各样的波形比如任意波、叠加波、任意起止相位波都成了迫在眉睫的任务。

其实现在在以上领域已有很好的突破和发展，相信随着科技的发展和人们想法的突破，频带宽、功率低、高频率精度、多功能信号发生器的发展一定会越来越好。

1.2信号发生器和单片机

信号发生器，是实验室基本的测控和驱动仪器。

通过基本元器件可以建立常规的信号发生器，这种发生器产生的波形比较少，只能生成基础的波形。

产生电路主要包括阻容振荡回路、555定时器等等。

555定时器产生正弦波、三角波和方波是非常方便的，不用处理器控制，通过调节外接电阻便可轻松改变波形的幅度和周期，但是这种电路也存在很多的不足，不仅对于生成的波形来说不容易操作且效果不明显，可调的范围有很大的限制，而且整个电路结构比较复杂。

随着科学生产的发展，越来越多的领域使用了低频信号源，例如生物医学工程、工程控制等领域，而此时若采用硬件电路，低频信号源所需的阻容值很大；高精度的电阻、电容的生产成本太高，各项指标准确度也难以把握；耗电大、不便携、容易漏电更让其跟不上时代潮流，而且纯硬件电路一旦固定已不能再添加各种功能，因此功能的单一也是受较大限制，一旦有新的需求，改变将会变得非常困难。

而现在，单片机技术作为一项全新的技术正不断走向深入，给传统的自动控制和检测注入新的活力。

一块单片机芯片就是一台微型计算机，由它作为基础芯片做出的仪器具有高可靠性、高性能价格比，其应用已扩展到办公工具和智能仪表等领域，并出现在居民家庭中，从电子锁、收音机、油烟机再到交通工具处处都有其应用[3]。

正是基于单片机的这些特殊构造和功能，在很多领域，它代替了很多大型计算机完成各项任务，因此在关于单片机的得到了巨大的发展。

单片机具有集成度高、体积小、可靠性高，控制功能强，低电压、低功耗的优点。

通过对单片机进行编程输出的低频信号波形稳定、频率幅度方便调节，并且原理易懂、电路简单、防干扰能力强，能够通过程序对波形做任意的调整以满足随时提出的需求。

1.3设计任务和要求

基于51单片机设计一个信号可叠加的信号发生器，输出的波形为正弦波、三角波、方波，波形的频率、周期、幅度、初相位可以控制调节，并可根据需要选择波形的某段对两个波形进行叠加产生新的波形。

波形输出可以通过按键选择，最后在示波器上显示频率，幅度，初相和截取起始光标[4]。

最终实现信号任意截取并可叠加的信号发生器的硬件设计；使用C语言完成对单片机的程序编写。

1.4研究设想和实现

基于51单片的信号发生器的设计是工程设计类一个比较传统经典的课题，也是本次设计实现的基础平台，而真正的重点和难点实现信号的任意段截取和叠加以产生新的信号。

首先，信号发生器是第一位的，频率，幅度要连续可调，结合编程和软件查表的方法通过芯片I/O口输出离散化处理的信号编码，经D/A转换和运放输出模拟电压，频率可通过单片机定时器中断控制，幅度调节有程序和硬件两种选择，但要求幅度连续可调，这在数字量上调节会很困难，所以选择在模拟输出端通过可变电阻调节，这是很多信号发生器设计采用的思想[5]。

其次，波形的任意段截取是难点，三种波形的截取段选取是互不干扰的，这只能在数字端用程序控制，具体需要用算法改变单片机波形编码的输出顺序和起止点。

最后，对截取波形的叠加也是重点，一种方案是使用存储器先把截取的一段波形区间的编码存储下来，待到下次波形某段的截取结束后再取出进行叠加，这对程序和芯片的时序控制要求很高；另一种方案是用模拟加法器，在模拟输出端进行叠加，降低了软件的难度。

1.5预期结果

（1）信号可叠加的信号发生器硬件系统产生方波，三角波，正弦波等基础波形，波形在示波器上显示，波形频率统一在1K-4K可调，初始频率为2K，步进步减为100HZ，电压在0-5V统一连续可调。

（2）对某种波形任意段进行截取，对两种甚至三种波形截取段进行叠加产生新的波形。

（3）波形初相可以调节，在示波器上寻找并显示初相和截取起始点光标。

第2章系统方案的选择和简述

2.1方案的提出和论证

2.1.1信号发生方案的论证

首先，必须要做出一个满足各项指标的信号发生器作为硬件平台；其次在信号发生器的平台基础上实现截取与叠加模块，这是我的总体思路和顺序。

比较传统的信号产生原理有：

（1）采用振荡回路实现信号的输出，包括LC振荡电路、RC振荡电路等传统无源器件，不涉及芯片的控制，完全用模拟电路产生。

其中正弦波的产生是基础，再通过各种元件组成的积分、微分、延时的电路变换产生其他波形，但产生的波形质量差，参数不易调控，电路受外部因素影响较大，输出不稳定。

（2）采用集成函数发生器8038，并通过对组合的RC联调可产生幅度、频率可控的信号，如图2.1所示。

这种方法电路较易实现，但各项指标不好实现和调控，而且工作量过于简单。

图2.18038原理图和引脚

（3）采用D/A数模转换，通过查表法使单片机产生离散化的波形采样点值储存起来，然后通过定时器逐个输出，最后经滤波器滤除高频阶梯噪声。

采用这种方法能够实现各种需要的波形的输出，成本低廉，操纵性强，可编程，外接电路也不复杂。

但是单片机I/O口使用较多，这也意味着不会扩展太多的额外功能。

综合各项考虑，本文选择方案3。

2.1.2单片机方案论证

方案1：

利用通过查表法使单片机内部产生正弦波、方波、三角波一周期的离散化采样点并送到EPPROM储存，逐个通过单片机三组I/O口输出这些采样电压，再通过三片独立的DAC0832做数模转换输出离散的模拟波形，而后通过一个三端输入的模拟加法器进行任意两种波形叠加最后低通滤波输出，波形的截取和初相、频率调节通过按键中断控制，此方案硬件较多。

方案2：

利用通过查表法使单片机内部产生正弦波、方波、三角波一周期的离散化采样点并送到EPPROM储存，但是只用一组I/O口输出和一片DAC0832做数模转换，波形选择、频率调节、和截取、叠加由按键控制，一次只能输出一种波形。

选择一种截取后用外部存储器储存，等到下一种波形截取后再取出在数字量进行叠加后经单片机输出、数模转换和低通滤波后输出，此方案对软件要求很高。

综合各项考虑，本文选择方案1。

2.2系统总体概述

2.2.1系统总体框图和模块

总体模块包括：

单片机最小系统，D/A转换，运放，模拟加法器，低通滤波，单片机按键中断控制：

波形截取，初相控制，频率控制。

各模块彼此协调，其中剩下P2八个I/O口作为单片机按键中断控制模块[5]。

系统总体框图如图2.2所示。

2.2.2系统总体原理概述

根据系统框图，本次选用的是STC89C52单片机通过查表法使单片机产生离散化的波形采样点值储存起来，然后通过定时器逐个输出，经过DAC0832数模转换，转化为对应的模拟信号。

为了能对三种波形同时截取而且互不干扰，我选择用单片机的P0，P1，P3口分别控制三角波，正弦波，方波的产生经过三片DAC0832同时输出三种模拟波形，在三个输出端接一个三位拨码开关来使波形自由切换为其中一种、两种甚至三种；再连接一个三端输入的模拟加法器以达到任选波形叠加的目的，模拟加法器上接有反馈电阻，将其替换成可变电阻以调节幅值，这样波形的叠加和幅度可调就在一个模块上实现；波形的频率调节可以利用单片机内部定时器中断控制，设定计数初值（也就是初始频率），通过按键中断控制计数范围达到频率可控；波形截取和初相调节是通过软件利用按键中断设定表中波形编码的起止点和偏移量。

图2.2系统总体框图

2.3本章小结

信号的先一步产生是本选题的关键，只有把信号做好，才能使后面的截取、叠加变得顺利，在经过各种方案的对比之后，选择单片机作为信号发生器的主控芯片既避免了采用传统纯硬件构成信号发生器难以调控、不稳定和集成信号发生器电路简单、对RC要求较高的缺点，又保证了设计任务基本实现、人为控制操作简便的优点。

波形截取采用软件控制，叠加采用模拟加法器实现，这就避免了外部存储器的使用，降低了程序的难度，而目标完全能实现。

第3章功能模块及其原理

3.1单片机模块

3.1.1STC89C52

STC89C52单片机是系统的主控芯片.STC89C52是一种功率低、性能高的8位微控制器，内部具有8KB可编程存储器。

芯片沿用传统的51芯片内部核心，但内部结构的升级和改造使其具备了很多新的功能。

内部芯片中，拥有的8位CPU和可编程闪存，让它能够高效、迅速的嵌入到各项系统中。

具有以下标准功能：

8KB闪存，512KB的随机存储RAM，2个输入输出口，看门狗定时器，内置4K字节可擦除只读存储器，复位电路，定时/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构，全双工串行口。

而且芯片的静态逻辑操作可以在0HZ频率下工作。

空闲状态下，CPU不运转，但允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

断电时，RAM内容保存，振荡器停止运转，当等到下一个中断或硬件复位才开始工作。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

如图3.1所示。

图3.1STC系列单片机引脚和外观图

3.1.2单片机最小系统

1、主电源

GND（20脚）接地；VCC（40脚）接+5V。

2、时钟电路

XTAL1（19脚）接外部晶体的一端。

它是芯片内部振荡电路输入端。

当使用外部晶振信号时信号时，对于HMOS单片机而言，此引脚应当接地；对于CHMOS单片机而言，此引脚作为驱动端；XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端。

它是芯片内部振荡电路输出端。

振荡电路的频率是晶振频率。

本次选用12M晶振，采用两个30PF稳频电容，最短的计数周期为1us。

图3.2单片机最小系统

3、RST（9脚）

单片机接通VCC，内部各寄存器处于待定义的随机状态，如果在此引脚处输入一个大于晶振振荡周期24倍宽度的高电平，单片机即可复位最初状态。

如图采用按键复位法，按下S1键单片机即复位。

4、ALE/

（30脚）

在访问片外存储时，ALE产生控制锁存扩展地址低位字节的信号。

如果没有外部存储器，此引脚输出1/6晶振频率的正脉冲。

5、

（29脚）

访问片外程序存储器时，存储器读选通信号是该引脚输出的一个负脉冲。

当CPU在向片外存储器读程序时，在12个晶振周期中此引脚产生两次有效信号，若数据是从外部存储器传输，不会产生这两种信号。

6、

/VPP（31脚）

输入高电平时，CPU执行内部程序存储器的程序。

当地址超出4KB时，将自动执行外部程序存储器的程序。

输入低电平时,CPU仅访问片外存储器。

本次只需将此引脚接VCC，不需要访问片外存储器。

7、I/O引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位于P0、P1、P2、P3口，每组口8根I/O口。

每一根引脚都可以编程。

P0口（Pin39~Pin32）：

P0.0~P0.7，通用双向I/O口线，输出时需接上拉电阻；P1口（Pin1~Pin8）：

P1.0~P1.7，通用准双向I/O口线，不需接上拉电阻；P2口（Pin21~Pin28）：

P2.0~P2.7，可做通用准双向I/O口线，当系统扩展片外存储时，不能做I/O口使用，只能做高8位地址输入端；P3口（Pin10~Pin17）：

P3.0~P3.7，准双向I/O口线，不做输出时有第二功能[6]。

3.1.3单片机产生波形原理

本次使用单片机的三组I/O口分别控制输出正弦波，方波，三角波的产生，每种波形由256个离散化采样点表示，由单片机内部产生并储存到单片机的EPPROM中，通过I/O口输出给D/A转换模块。

通过单片机的定时/计数器控制溢出，计数每溢出一次，单片机输出一个采样点，一个周期内共有256个采样点编码需重复256次操作，这也是波形频率控制的原理。

由于单片机是不断地的从存储区取数据送到D/A转换,所以得到的模拟波形是一种离散波，也就是由一个个离散的点组成的波形。

所以，对波形要有足够数量的采样点才能逼近原有的连续波形。

为此，需要对模拟信号进行精确的离散化处理。

对于正弦信号，如图3.3所示，先把一个周期正弦信号离散成由D1，D2，D3~DN这些离散采样点组合而成的数字波形。

D1，D2，D3~DN所代表的电压值是模拟波形在此处的电压值，可由单片机产生，然后再将这些离散采样点逐个输出。

在统计不同的采样点数后。

得出相应的波形失真度如表3.1所示。

由表3.1可知，采样点越多，失真度越低。

离散时取得的采样点越多，D/A的转换精确度越高，但由于是计数输出的方式，点数增多，波形的频率会下降[7]。

图3.3正弦波的离散化处理

表3.1采样点数与失真度的关系对比

不同的采样点数N

10

100

1000

4096

失真度α

过18%

2.0%

0.63%

0.044%

3.2D/A转换模块

3.2.1DAC0832引脚和结构

DAC0832是8位标准的并行输入D/A转换器，基准电压在正负10V内可变，转换频率为1MHZ，正常工作电压范围为5V-15V。

两个八位寄存器和一个八位D/A转换同时使用两个寄存器可以使芯片进行两级缓冲操作，使芯片的运转更加活跃，其转换原理与T型解码网络一样，由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。

DAC0832输出的是电流，必须外接运放器。

属于该系列的芯片还有DAC0830，DAC0831，它们可以互换。

如图3.4和3.5所示

（1）

：

芯片片选输入端，输入低电平。

（2）

：

DAC0832输入寄存器的写选通输入端，只有在输入宽度大于500ns的负脉冲才能有效。

（3）

：

DAC寄存器写选通输入端，只有在输入宽度大于500ns的负脉冲才能有效。

（4）ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，输入高电平有效。

（5）

：

数据传输控制信号输入端，输入低电平有效。

（6）D0~D7：

并行数据输入端，只有输入数据信号时间大于90ns才会有效，不然锁存器会发生乱码；

图3.4DAC0832引脚图图3.5DAC0832内部结构图

（7）Rfb：

反馈电阻端，可外接一个电阻以提高波形分辨率，芯片内部已接有一个15千欧的电阻。

（8）Iout1：

电流输出端，当8位输入端输入为0xff时，输出的电流最大。

（9）Iout2：

电流输出端，输出的电流与Iout1输出的电流相加为定值。

（10）AGND：

模拟GND，模拟信号和基准电源的参考地。

（11）DGND：

数字GND，工作电源地和数字逻辑地，工作时和模拟GND连接与基准电源共地

（12）VCC：

电源电压端，电压范围是+5V到+15V。

（13）Vref：

基准电压输入端输入电压范围为-10V到+10V[8]。

3.2.2DAC0832转换计算

虽然与T型解码网络电路转换原理一样，但DAC0832输出的是电流，必须附加I/V转化电路输出电压,DAC0832由I/V电路的接法不同可分为输出单极性输出和双极性输出，本次采用单极性输出的接法，如图3.6所示，输出电压的计算公式为：

（3-1）

D=0-255，是输入数字量的十进制表达，

FSB=1/256，MSB=255/256，

当

=+5V时，

=5

D/256（3-2）

当

=-5V时，

=-5

D/256（3-3）

由于DAC0832的寄存器的有不同工作模式，因此可有：

单缓冲方式、双缓冲方式和直通方式三种工作方式。

因为本次三片DAC独立不受单片机选通控制，每片只有一路模拟输入，因此本文使用单缓冲方式。

因为是用三片DAC0832来分别转换来自单片机三组I/O口输出的不同波形的数字量，因此不需要用单片机控制DAC0832的选通控制，ILE引脚接高电平，

引脚都接低电平，当DAC0832的并行输入口读到数据，转换网络立刻进行数模转换，输出模拟值。

RFB

DAC0832-

来自MCU+Vout

图3.6DAC0832单极性输出

3.3运放模块

3.3.1uA741引脚和结构

uA741广泛应用于各种集成电路，其主要功能是放大电流或电压，可做电压反相、比较器、积分微分器，还可以做加减法电路。

主要参数有：

放大倍数、增益、最大输入输出失调电压、共模输入电阻、转换速率等各项参数。

随着科学技术发展，集成运放在信号运算、信号转换、信号发生等方面得到了广泛应用[9]。

uA741是放大器中最常使用的运放器，有反相和同相输入两种方式，要处理的目标信号从输入端输入，目标信号包括电流或电压信号。

uA741在正常工作时需要一对大小相同、极性不同的电压做±VCC，范围是±12V到±18V，最常用的是±15V。

uA741运算放大器正常工作时，将±VCC分别接在芯片的7脚和4脚。

当芯片的同相输入、反相输入端一旦检测到有电位差的存在，芯片马上就将其放大并于6脚输出，电压放大倍数由外界的反馈电阻决定，输出电压值在±VCC间通过外接电阻调控，不会超过±VCC，若经理论计算输出的电压值超出±VCC，其值会等于±VCC，这种输出电压大于＋VCC和－VCC的现象叫做运放饱和现象。

uA741运算放大器输入信号同相输入则信号同相输出，若输入信号反相输入则信号反相输出。

而当芯片的同相输入和反相输入都接有电压

时，输出电压则是（

）乘以反馈电阻和输入电阻的比值，图3.7是uA741的引脚图，图3.8是其内部等值图。

3.3.2uA741的电源供应

uA741正常工作需要在一对正负电源，电源可以有很多种选择，本