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低频信号发生器设计论文
低频信号发生器设计
摘要：
本文设计低频信号发生器，以AT89C52单片机为核心，通过键盘输入控制信号类型和频率的选择，采用D/A转换芯片输出相应的波形，同时以LCD显示器进行实时显示信号相关信息。
软件采用C语言，可实现正弦波，方波和三角波三种波形的产生，且波形的频率可调。
经测试该设计方案线路简单，结构紧凑，性能优越，价格低廉，满足设计要求。
关键字：
低频信号发生器，单片机，D/A转换
Lowfrequencysignalgeneratordesign
Abstract：
Lowfrequencysignalgeneratorisdesigned,withAT89C52single-chipcomputerasthecore,throughthekeyboardinputcontrolsignaltypeandfrequencyofchoice,usingD/Aconversionchipoutputcorrespondingwaveform,atthesametimewithLCDreal-timedisplaysignalinformation.SoftwareusingClanguage,whichcanrealizesinewave,squarewaveandtriangularwave,threekindsofwaveformandwaveformfrequencyisadjustable.Thetestdesignofthecircuitissimple,compactstructure,superiorperformance,lowprice,meetthedesignrequirements.
Thekeyword：
Lowfrequencysignalgenerator，Singlechipmicrocomputer，D/Aconversion
目录
1绪论1
1.1研究的目的及其意义1
1.2国内外研究现状1
1.3主要内容和目标2
1.3.1内容2
1.3.2目标2
2方案研究3
2.1总体方案论证与设计3
2.1.1信号发生电路方案论证3
2.1.2单片机的选择论证3
2.1.3显示方案论证3
2.1.4键盘方案论证4
2.2总体系统设计4
3硬件电路设计5
3.1硬件原理框图5
3.2模块具体设计5
3.2.1单片机最小系统的设计5
3.2.2波形产生模块设计8
3.2.3显示模块的设计11
3.2.4键盘显示模块的设计11
4软件设计13
4.1软件总体设计13
4.2软件流程图13
4.3仿真13
4.3.1方波14
4.3.2三角波15
4.3.3正弦波16
5调试17
5.1调试过程17
5.2调试结果17
结论19
设计心的及体会19
致谢20
参考文献21
附录一源程序22
附录二系统电路图29
1绪论
1.1研究的目的及其意义
随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。
尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。
现在，信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。
当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率、精度、多功能、自动化和智能化方向发展。
在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、材料试验、动态分析、机械振动试验、生物医学、教学实验等领域，常常需要用到低频信号发生器。
而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，正弦波、矩形波和锯齿波信号是常用的基本测试信号。
在示波器、电视机等仪器中，为了使电子能够按照我们想要的规律运动，从而在荧光屏上显示图像，就经常用到锯齿波信号发生器作为时基电路。
信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。
但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。
加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。
便携式和智能化越来越成为仪器的基本要求，对传统仪器的数字化，智能化，集成化也就明显得尤为重要。
平时常用信号源产生正弦波，方波，三角波等常见波形作为待测系统的输入，测试系统的性能。
单在某些场合，我们需要特殊波形对系统进行测试，这是传统的模拟信号发生器和数字信号发生器很难胜任的。
利用单片机，设计合适的人机交互界面，使用户能够通过手动的设定，设置所需波形。
该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的了解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：
波形的设定，D/A转换，显示和各模块的连接通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。
1.2国内外研究现状
在70年代前，信号发生器主要有脉冲波发生器与正弦波发生器两种，函数发生器就介于两类之间，能够提供几种常用标准波形，比如正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等，然而如果需要产生其它波形，则要使用较复杂的电路和机电结合的方法。
这个时期的波形发生器多采用模电技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且电路结构非常复杂。
同时还有两个比较突出的问题，一是输出频率的调节需要通过电位器来实现，所以使频率很难在一个值固定；二是脉冲的占空比不可调节。
在70年代后，随着微处理器的出现，可以使用处理器、A/D和D/A模块，硬件和软件使波形发生器的功能变得越来越全面，继而产生更加复杂的波形。
这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。
二十一世纪，由于集成电路技术的发展极其快速，所以出现了很多工作频率可以超过GHz的DDS芯片，同时也极大的推动了函数波形发生器的发展。
1.3主要内容和目标
1.3.1内容
根据设计目标通过调研、查阅相关资料确定以单片机和D/A转换器为核心的低频信号发生器方案。
主要包括：
1）电源电路设计；
2）键盘电路设计；
3）D/A数模转换电路设计；
4）信号放大及低通滤波电路设计；
5）显示电路设计；
5）应用软件（主程序及用于改变频率和信号类型的中断服务程序）设计等。
1.3.2目标
设计出一款以单片机和D/A数模转换电路为核心的低频信号发生器。
信号类型不低于3种。
系统能显示信号类型及频率。
通过该设计及安装调试，达到掌握小型电子系统设计方法和常用设计软件、调试仪器使用的目的。
2方案研究
2.1总体方案论证与设计
2.1.1信号发生电路方案论证
方案一：
通过单片机控制D/A，输出三种波形。
此方案输出的波形不够稳定，抗干扰能力弱，不易调节。
方案二：
使用传统的锁相频率合成方法。
通过芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。
方案三：
利用MAX038芯片组成的电路输出波形。
MAX038是精密高频波形产生电路，能够产生准确的三角波、方波和正弦波三种周期性波形。
以上三种方案综合考虑，方案一电路简单、成本低；方案二，电路复杂，干扰因素多，不易实现；方案三成本高，程序复杂度高，所以选择方案一。
2.1.2单片机的选择论证
方案一：
AT89C52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、而且其价格便宜。
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8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。
除了具有标准8052的数字外设部件，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，而且执行速度快。
但其价格较贵
以上两种方案综合考虑，方案一性价比高，价格便宜；方案二虽然执行速度快，但是其价格较贵，所以选择方案一
2.1.3显示方案论证
方案一：
采用LED数码管。
LED数码管由8个发光二极管组成，每只数码管轮流显示各自的字符。
由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间隔小于1/16s时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。
使用数码管显示编程较易，但要显示内容多，而且数码管不能显示字母。
方案二：
采用LCD液晶显示器1602。
以上两种方案综合考虑，方案一只能显示数字；方案二功率小，效果明显，显示编程容易控制，能显示字母，所以选择方案二。
2.1.4键盘方案论证
方案一：
矩阵式键盘。
该键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。
当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线都断开，行线都呈高电平。
当某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线被短路。
方案二：
独立式键盘。
该键盘的程序编制相当简单，但每个按键都会占用一条I/O线，当按键数量较多时，I/O口利用率相当低。
所以该键盘适用于按键较少的场合。
以上两种方案综合考虑，由于该设计所需按键较少，所以选择方案二。
2.2总体系统设计
该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析以及信号的处理和变换，采用按键输入，利用液晶显示电路输出数字显示的方案。
将设计任务分解为按键电路、液晶显示电路等模块。
图2-1为系统的总体框图
图2-1总体方框图
3硬件电路设计
硬件原理硬件电路的设计决定一个系统的的功能，是设计的基础所在，而一般设计的目标：
可靠，简洁，高效，优化，好的硬件电路可以给程序的编写带来极大的优势，同时使可以很好的提高该信号设计的精度和灵敏度，使整个系统工作协调有序。
3.1硬件原理框图
对于该低频信号发生器的设计，我们采用了以AT89C52单片机芯片作为核心处理器，编程实现各种不同类型信号的产生，最后通过DA转换输出到示波器。
结构简单，思路仅仅有条，而根据设计的基本要求，我们又把其细分为不同的功能模块，各个功能模块相互联系，相互协调，通过单片机程序构成一个统一的整体，其整体电路原理框图如图3-1所示：
图3-1硬件电路基本图
3.2模块具体设计
3.2.1单片机最小系统的设计
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
用80C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3-2所示
图3-289C52单片机最小系统
该单片机最小系统由一个89C52单片机，复位电路以及时钟电路组成的。
其中复位电路连接单片机RESET口，其主要功能为上电复位。
时钟电路则分别连接单片机的X1和X2口。
（1）功能特性
1、兼容MCS51的指令系统
2、8kB可反复擦写FlashROM；
3、32个双向I/O口；
4、256x8bit内部RAM；
5、3个16位可编程定时和计数器中断；
6、0-24MHz的时钟频率；
7、2个串行中断，可编程UART串行通道；
8、2个外部中断源，共8个中断源；
9、2个读写中断口线，3级加密位；
10、具有低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；
11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式。
图3-3单片机引图
（2）引脚
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
P2口：
P2口的功能与P1口基本相同。
此外在使用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）或访问外部程序存储器时，P2口送出高八位地址
P3口：
P3口的功能与P1口基本相同。
此外P3口也可以作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
表3-2AT89S52P3口第二功能表
脚号
第二功能
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT0（外部中断0）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器写选通）
RST:
复位输入。
晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/PROG：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
PSEN:
外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。
在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
内部时钟发生电路和振荡器反相放大器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
3.2.2波形产生模块设计
由单片机采用编程方法产生三种波形、通过DA转换模块DAC0832在进过滤波放大之后输出。
其电路图如下：
（a）
（b）
图3-4波形产生电路
如上图所示，单片机的P0口经过排阻连接DAC0832的八位数据输入端，DAC0832的输出端链接一个电压跟随器LM358，再由LM358的输出端连接放大器OP07，经过放大后输出所要的波形。
（1）工作原理
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片，由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器及转换控制电路四部分构成。
8位输入锁存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字得到缓冲和锁存，并加以控制；8位DAC寄存器用于存放存放待转换的数字量，并加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流，由与门、与非门组成的输入控制的输入电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。
WR2和XFER同时有效时，8位DAC寄存器端为高电平“1”，此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D也就是出入寄存器Q端得电平变化，反之，当端为低电平“0”时，第一级8位输入寄存器Q端得状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便第三极8位DAC转换器进行D/A转换。
DAC0832的为八位数据并行输入的，其结构图如下：
图3-5DAC0832的内部结构
（2）DAC0832的主要特性参数
1）单一电源供电（+5V～+15V）；
2）其线性度只需在满量程下调整；
3）电流稳定时间1us；
4）可以用单缓冲、双缓冲或直接数字输入；
5）8位分辨率；
6）20mW的低功耗。
（3）DAC0832引脚功能简介
D0～D7：
8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大图3-6DAC0832引脚图
于90ns（否则锁存器的数据会出错）；
CS：
片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；
ILE：
数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；
WR1：
数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由ILECS、WR1的逻辑组合产生LE1。
当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；
XFER：
数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；
WR2：
DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；
IOUT1：
电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；
IOUT2：
电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；
Rfb：
反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；
Vcc：
电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；
VREF：
基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；
AGND：
模拟信号地；
DGND：
数字信号地。
3.2.3显示模块的设计
该设计的液晶显示模块是由LCD1602连接单片机来完成的，LCD1602由16个引脚组成，其中7-14（D0-D7）号引脚连接单片机P1口，6号连接T0口，5号连接单片机INT1口，4号连接INT0口，其电路图如下：
图3-7液晶显示模块
（1）LCD1602引脚功能介绍
VSS为电源地；
VDD接5V电源；
VO需要与地短接显示屏工作；
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器；
RW为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作；
E端是液晶的使能端；
D0~D7为8位双向数据端；
VCC电源；
GND地。
图3-8LCD引脚图
3.2.4键盘显示模块的设计
本系统采用独立键盘，其连接电路图如下：
图3-9键盘
图中键盘独立键盘引出的线分别接单片机的P2口。
如图开关1用来调节频率、开关2用来控制波形的输出、开关3用来切换输出波形。
当按开关1时输出波形的频率减小，按下开关2，即确认输出波形，再按一下开关2，则停止波形输出。
4软件设计
4.1软件总体设计
本系统采用AT89S52单片机，用编程的方法来产生三种波形，并通过编程来切换三种波形以及波形频率的改变。
具体功能有：
（1）各个波形的切换；
（2）频率增减等。
4.2软件流程图
图4-1软件流程图
首先对程序初始化，再判断是否有按键按下，则计算相关参数，一方面利用中断定时和查询查表输出波形，另一方面发送段选口和位选口数据使LCD显示相关波形类型和频率，最后反馈回去构成循环，判断按键相关信息。
4.3仿真
当程序经过初始化，液晶屏上第一行会显示“FREQ：
”和频率，当不按开关三，此时输出波形为方波，按一下时输出为三角波，按二下时输出为正弦波。
开关二则是确认是否输出波形。
另外一个开关可以调节频率，三种波形的频率可调范围不同，分别如下：
方波：
1——3.2KHZ
三角波：
1——312HZ
正弦波：
1——312HZ
本次设计通过软件（proteus）仿真。
按照设计的电路连接好，电路接好后，按照预先设定好的调试步骤，逐步对电路进行系统调试，调试结果做如下：
4.3.1方波
当液晶屏上第二行显示为“SQRE”时，示波器中显示为方波，此时频率的大小受频率档位选择键的控制。
图4-2方波图形
程序如下：
if（type==0）
{write_cmd（0xc0）;
write_dat（'S'）;
write_dat（'Q'）;
write_dat（'R'）;
write_dat（'E'）;
switch（Dat）//获取方波频率
{
case1:
Fr=3189;break;
case2:
Fr=1718;break;
case3:
Fr=1183;break;
case4:
Fr=898;break;
case5:
Fr=723;break;
case6:
Fr=605;break;
case7:
Fr=521;break;
case8:
Fr=456;break;
case9:
Fr=407;break;
case10:
Fr=367;break;
case11:
Fr=334;break;
case12:
Fr=306;break;
case13:
Fr=283;break;
case14:
Fr=217;break;
}
4.3.2三角波
当液晶屏上第二行显示为“TRIG”时，示波器中显示为三角波，此时频率的大小受频率档位选择键的控制。
图4-3三角波图形
程序如下：
if（type==1）
{write_cmd（0xc0）;
write_dat（'T'）;
write_dat（'R'）;
write_dat（'I'）;
write_dat（'G'）;
Fr=1000000/（256*12.52*Dat）;//获取三角波频率
}
4.3.3正弦波
当液晶屏上第二行显示为“SINE”时，示波器中显示为正弦波，此时频率的大小受频率档位选择键的控制。
图4-4正弦波图形
程序如下：
if（type==2）
{write_cmd（0xc0）;
write_dat（'S'）;
write_dat（'I'）;
write_dat（'N'）;
write_dat（'E'）;
Fr=1000000/（256*12.52*Dat）;//获取正弦波频率
}
5调试
5.1调试过程
1． 在不通电的情况下，用万用表根据电路图检查各线路连接是否正常。
2． 调试单片机部分，D/A和运算放大器芯片不接，用STC_ISP_V483软件通过串口下程序，看是否可以正常下程序。
3．当可以正常下程序时，给单片机下一个让所有I/0口输入0，延时，再输出1，以此类推。
用万用表测量各I/O口得电压是不是一会儿高，一会儿低。
4．装上D/A和运算放大器芯片，给单片机下一个输出正弦波的测试程序，通过示波器看波形输出是否正常。
5． 给单片机下一个完整的程序，分别按下S3，看波形是否改变。
按下S1，看频率是否改变。
5.2调试结果
经过以上步骤调试，最后得到结果如下图
图5-1未通电的电路板
图5-2通电后的电路板
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