基于单片机的信号发生器的设计毕业设计.docx
《基于单片机的信号发生器的设计毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的信号发生器的设计毕业设计.docx（47页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机的信号发生器的设计毕业设计
基于单片机的信号发生器的设计
基于单片机的信号发生器设计
摘要
波形发生器在生产、科研中使用十分广泛，因而低成本、高实用性的波形发生器显得非常重要，本文首先介绍了使用Intel公司的MCS-51系列8位单片机设计波形发生器的方法。
在此基础上设计实现了一个波形发生器，该信号发生器以AT89C52单片机和DAC0832芯片为核心进行设计。
单片机和D/A芯片通过直接数字合成技术来生成正弦波、三角波和方波,波形的类型和幅度在一定范围内可变，另外本设计可以以10Hz为单位步进，线性度高、波形失真小。
液晶显示屏的引入也使得人机交互性得以增强。
该信号发生器具有价格低、性能稳定、升级方便的优点。
关键词波形发生器；AT89C52单片机；DAC8032转换器
DesignofWaveformGeneratorBased
onMicrocontroller
ABSTRACT
Waveformgeneratorsarewidelyusedinproductionandscientificresearch,andthusthewaveformgeneratoroflowcostandhighpracticabilityisveryimportant.ThispaperdescribesthemethodofuseofIntelcompany'sMCS-51serieswaveformgeneratorwhichissingle-chipdesign.ThispaperintroducesthemethodofusingIntelcompany'sMCS-51serieswaveformgeneratorwhich is single-chip design,and the signal generator is designed with the core of AT89C52MCU and DAC0832 chip.MCUandD/Achipgeneratesinewave,trianglewaveandsquarewavebymeansofdirectdigitalsynthesistechnology.Thewaveformtypeandamplitudevaryinacertainrange,andthedesigncanbein10Hzasaunitstep,highlinearityandsmallwaveformdistortion.Liquidcrystaldisplaymakestheintroductionofhuman-computerinteractioncanbeenhanced.Thesignalgeneratorhastheadvantagesoflowprice,stableperformanceandeasyupgrade.
KEYWORDS:
signalgenerator;AT89C52microcontroller;DAC0832Converter
1绪论
信号源作为一种基本的电子设备在通信、雷达、导航、测量、科研及教学等领域，有着广泛的应用。
特别是任意波形发生器，由于其可以产生用户所需的各种实际信号，使得用户以前需要在现场进行的调试，现在可以在实验室进行，大大缩短了研发及现场安装的进度。
目前，直接数字频率合成技术以其能输出各种波形，并且具有频率分辨率高、转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点，成为中高档信号源发展的主流。
1.1课题背景
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。
在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，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，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。
譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。
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。
1.2国内外在该方向的研究现状及分析[1]
1.2.1国外研究现状
波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。
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。
波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。
而近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：
（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。
（2）与VXI资源结合。
目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。
（3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。
不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的已有很大的不同。
1.2.2国内研究现状
在1980年代以前，信号发生器全部属于模拟方式，借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。
频率的变动由机械驱动可变元件，如电容器或谐振腔来完成，往往调节范围受到限制，因而划分为音频、高频、超高频、射频和微波等信号发生器。
随着无线电应用领域的扩展，针对广播、电视、雷达、通信的专用信号发生器亦获得发展，表现在载波调制方式的多样化，从调幅、调频、调相到脉冲调制。
1980年以后，数字技术日益成熟，信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路，从一个频率基准由数字合成电路产生可变频率信号。
调制方式更加复杂，出现同相/正交调制至宽频数字调制。
数字合成技术使信号发生器变为非常轻便、覆盖频率范围宽、输出动态范围大、容易编程、适用性强和使用方便的激励源。
近年来中国低频信号发生器行业取得了很大的发展，但是行业发展中也存在一些问题，和国外相比仍有很大的差距。
中国制造业由于缺乏核心技术，贴牌生产仍然是“中国制造”普遍的生存模式。
很多高端产品表面上是中国生产，其实核心技术都来自国外。
为此，“十二五”明确指出必须坚持发挥市场基础性作用与政府引导推动相结合，科技创新与实现产业化相结合，深化体制改革，以企业为主体，推进产学研结合，让高端制造业成为国民经济的先导产业和支柱产业。
制造业的升级和转型，对于低频信号发生器行业有着深远影响和重大意义。
1.3本设计基本内容
信号发生器是一种能产生模拟电压波形的设备，这些波形能够校验电子电路的设计。
信号发生器广泛用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。
本次设计的信号发生器为一个多功能信号发生器，它应具如下的特点：
（1）可产生正弦波、方波、锯齿波及三角波。
（2）各种信号的频率范围为50HZ-2000HZ，本信号发生器既可实现产生低频信号，也可实现产生高频信号。
（3）硬件主要由AT89C52单片机[2]数模转换器DAC0832构成，电路简单，结构紧凑，硬件成本较低。
（4）波形及其参数可由软件设定，程序采用语言编译，使编译比较简单。
1.4研究的总体思路
在查阅、调研的基础上，进行总体理论分析与设计。
结合原理图设计实现一个函数信号发生器[3]，输出正弦波、方波、锯齿波和三角波四种波形。
再在熟悉电路的基础上，做出硬件设计电路。
2本设计的要求及整体思路
2.1设计目的、内容及要求
本设计采用89C52及其外围扩展系统，软件方面主要是应用C语言设计程序。
系统以89C52单片机为核心，配置相应的外设及接口电路，用C语言开发，组成一个多功能信号发生系统。
该系统的软件可运行于WindowsXP环境下，硬件电路设计具有典型性。
同时，本系统中任何一部分电路模块均可移植于实用开发系统的设计中，电路设计具有实用性。
2.1.1设计目的
（1）综合运用所学知识进行软硬件整体设计，提高综合应用能力。
（2）以单片机为基础，设计并开发能输出多种波形（正弦波、三角波、锯齿波、方波）且频率、占空比可变的波形发生器。
（3）通过综合设计，巩固所学知识，并熟悉Protues等软件的应用。
2.1.2设计内容
硬件要实现的主要功能是：
（1）单片机将信号的采样值或信号值写入到存储器（RAM）中。
（2）在信号值写入后，发出控制信号，使地址发生器有效。
（3）地址发生器产生周期性的地址信号，对存储器进行读操作，并将数据输出到数模转换器中。
（4）数模转换器将转换结果经放大器处理转换为电压信号后输出。
（5）对电路进行仿真并通过示波器观察和验证波形。
（6）可以通过频率、幅值控制器更改波形的主要参数。
该控制器应能提供一个简易的人机界面来对波形的频率和幅值进行更改。
软件的主要功能实现：
软件的主要功能包括：
（1）信号值的选取及各参数的初始化；
（2）数据传送软件，将信号值送入到存储器中；（3）判断软件数据是否传送完毕；（4）启动控制软件，启动地址发生器有效，读取存储器中的值送入数模转化器中。
2.1.3设计内容及技术要求
（1）借助现有的单片机系统；
（2）能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等波形；
（3）各种波形频率可调，频率范围为500Hz~10MHz；
（4）正弦波输出电压为0~10V峰峰值，方波、三角波、锯齿波输出电压为
0~10V；
（5）采用8位D/A转换器；
（6）进行硬件平滑滤波；
（7）编写程序并调试；
（8）提供程序清单；
（9）做出实际电路设计。
2.2整体设计思路
本节主要考虑系统性能、功能和器件选择。
包括两个主要内容：
系统分析和系统总体方案设计。
其中系统分析包括问题定义、可行性研究和需求分析。
问题定义中对设计的课题进行定义，详述设计环境。
可行性分析中分别从经济可行性、元器件具备程度和对可能遇到的问题的可解决性几个方面论证设计是否可行。
需求分析对系统功能要求、性能要求和运行环境要求说明。
系统总体方案设计包括算法设计、系统总体框图设计以及系统中使用的主要芯片。
2.2.1设计方案
方案1：
用分立元件组成的波形发生器。
通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。
方案2：
可以由晶体管、运放[3]等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。
早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。
方案3：
利用专用直接数字合成DDS芯片的波形发生器。
能产生任意波形并达到很高的频率，但成本较高。
方案4：
采用AT89C52单片机和DAC0832【4】芯片，直接连接键盘和显示。
该种方案主要对AT89C52单片机的各个I/O口充分利用。
P1口是连接键盘,P0口接显示电路，P2口连接DAC0832输出波形。
这样总体来说，能对单片机各个接口都利用上，而不在多用其它芯片，从而减小了系统的成本。
也对按照系统便携式低频信号发生器的要求所完成。
占用空间小，使用芯片少，低功耗。
综合考虑，方案4各项性能和指标都优于其他几种方案，能使输出频率有较好的稳定性，充分体现了模块化设计的要求，而且这些芯片及器件均为通用器件，在市场上较常见，价格也低廉，样品制作成功的可能性比较大，所以本设计采用方案4。
2.2.2元器件选择
根据方案4的分析，需要选择的元器件有：
单片机AT89C52系统，DAC0832芯片，运算放大器以及开关按键和若干电阻、电容。
主要芯片的内部结构：
1、AT89C52单片机介绍
（1）主要性能
A.与MCS-51单片机产品兼容
B.8K字节在系统可编程Flash存储器
C.1000次擦写周期
D.三级加密程序存储器
E.32个可编程I/O口线
F.三个16位定时器/计数器
G.八个中断源
H.全双工UART串行通信
I.低功耗的空闲和掉电模式
J.掉电后中断可唤醒
K.看门狗定时器
L.双数据指针
M.掉电标识符
（2）CPU的结构
CPU是单片机的核心部件。
它由运算器和控制器等部件组成。
A、运算器
运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心。
它可以对半字节、单字节等数据进行操作。
例如，能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算，完成与、或、异或、求反、循环等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。
运算器还包含有一个布尔处理器，用于处理位操作。
它以进位标志位C为累加器，可执行置位、复位、取反、位判断转移，可在进位标志位与其他可位寻址的位之间进行数据传送等操作，还可以完成进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。
B、程序计数器PC
PC是一个16位的计数器[4]，用于存放一条要执行的指令地址，寻址范围为64KB,PC有自动加1功能，即完成一条指令的执行后，其内容自动加1。
C、指令寄存器
指令寄存器用于存放指令代码，CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，由指令译码器译码后由控制电路产生相应的控制信号，完成指令功能。
D、程序存储器与数据存储器
89系列单片机可寻址的内部和外部程序存储器总空间为64KB。
每个外部程序和数据存储器可寻址范围高达64KB。
它没有采用程序存储器分区的方法，64KB的地址空间是统一的。
数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间：
一个为256字节的内部数据存储空间，一个为64KB外部数据存储空间。
（3）多功能I/O口
AT89S52共有4个8位的并行I/O口：
P0、P1、P2、P3端口。
P0口的功能：
P0口有两种功能：
第一，P0口可以作为通用的I/O接口使用，P0.7-P0.0用于传送CPU输入/输出数据。
输出数据时可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲。
第二，P0.7-P0.0在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写。
P1口的功能：
P1口的功能仅用于传递I/O输入/输出数据。
P2口的功能：
P2口既能作为通用的I/O口使用，也能作为地址总线用于输出片外存储器的高8位地址。
P3口的功能：
P3口既能作为通用的I/O口使用，也能做控制用，每个引脚都不同。
2、DAC0832芯片【5】
DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片（分辨率为1/255），集成电路内有两级输入寄存器。
DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。
DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。
A、DAC0832的主要特性参数如下：
分辨率为8位；
电流稳定时间1us；
可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；
只需在满量程下调整其线性度；
单一电源供电（+5V～+15V）；
低功耗，20mW。
B、DAC0832结构：
D0～D7：
8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存
器的数据会出错）；
ILE：
数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；
CS：
片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；
WR1：
数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由ILE、CS、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。
由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄
存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并
开始D/A转换。
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。
C、DAC0832的工作方式【6】：
根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：
直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。
DAC0832引脚功能电路应用原理图DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。
所以这个芯片的应用很广泛,关于DAC0832应用的一些重要资料见下图：
D/A转换结果采用电流形式输出。
若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。
运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。
DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。
DAC0832引脚功能说明：
DI0~DI7：
数据输入线，TLL电平；
ILE：
数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；
CS：
片选信号输入线，低电平有效；
WR1：
为输入寄存器的写选通信号；
XFER：
数据传送控制信号输入线，低电平有效；
WR2：
为DAC寄存器写选通输入线；
Iout1:
电流输出线。
当输入全为1时Iout1最大；
Iout2:
电流输出线。
其值与Iout1之和为一常数；
Rfb:
反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻；
Vcc:
电源输入线（+5v~+15v）；
Vref:
基准电压输入线（-10v~+10v）；
AGND:
模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地；
DGND:
数字地,两种地线在基准电源处共地比较好。
3、LCD1602
A、管脚功能
图们2-1LCD1602引脚图
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
VSS为电源地；
第2脚：
VDD接5V电源正极；
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）；
第4脚：
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；
第5脚：
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；
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端；
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端；
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
B、1602LCD的特性
+5V电压，对比度可调；
内含复位电路；
提供各种控制命令,如：
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；
有80字节显示数据存储器DDRAM；
内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM；
个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。
C、1602LCD特征及应用
微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
D、指令集
1602通过D0~D7的8位数据端传输数据和指令；
显示模式设置：
（初始化）；
00110000[0x38]设置16×2显示，5×7点阵，8位数据接口；
显示开关及光标设置：
（初始化）；
00001DCBD显示（1有效）、C光标显示（1有效）、B光标闪烁（1有效）；
000001NSN=1（读或写一个字符后地址指针加1&光标加1）；
N=0（读或写一个字符后地址指针减1&光标减1）；
S=1且N=1（当写一个字符后，整屏显示左移）；
s=0当写一个字符后，整屏显示不移动；
数据指针设置：
数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码（0-27H，40-67H）；
其他设置：
01H（显示清屏，数据指针=0，所有显示=0）；02H（显示回车，数据指针=0）。
2.2.3功能原理图
图2-1功能原理图
如图2-1所示为本信号发生器的硬件框图。
由键盘输入所要产生的波形，经AT89C52的P3口输入后，AT89C52单片机[7]用来执行某一波形发生程序，之后单片机的P1口向DAC0832转换器的输入端发送数据，将其转化成模拟量并通过运算放大器调节波形的幅值，经过滤波器的滤波[8]，从而在输出端得到所需的波形。
在进行D/A转换的同时，与P2口相连接的显示屏显示出所要产生波形的对代码。
选择需要的波形之后，还可以通过键盘改变波形的占空比或者波形的频率，经AT89C52单片机执行后，最终在示波器上显示出来。
3系统的硬件设计
本章介绍电路中各个模块的功能及其作用，主要有电源模块，单片机模块，D/A转换器模块等。
3.1电源模块
图3-1电源电路
如图3-1所示：
电源部分主要是产生正负12伏和正5伏的电压。
电路由1个整流桥、3个三端稳压管、5个极性电容、5个非极性电容组成。
220V交流电经过变压器，产生12伏的交流电压，再经过整流桥，经整流后变成12伏的直流电压。
通过电容的滤波作用后，进入三端稳压管[9]，在三端稳压管稳压作用下得到稳定的正负12伏的电压。
同理，在12伏的电压后面加上两个滤波电容和一个正5伏的三端稳压管，就可以得到稳定的正5伏的电压了。
设计好电源电路，获得稳定的所需的正负12伏电压和正5伏电压。
3.2单片机模块
图3-2单片机电路
图3-3单片机输入的按键电路
如图3-2所示：
设计中主要采用ATC89C52型单片机，它具有如下优点：
（1）拥有完善的外部扩展总线[10]，通过这些总线可方便地扩展外围单元、外围接口等。
（2）该单片机内部拥有16K字节的FLASHROM程序存储器空间和256字节的RAM数据存储空间，完全可以满足程序的要求。
由于该芯片可电擦写，故可重复使用。
如果更改程序内容，可将芯片拿下重新烧写。
（3）该单片机与工业标准的MCS－51型机的指
升级会员 