毕业设计基于C8051F340的低频函数信号发生器设计.doc

毕业设计基于C8051F340的低频函数信号发生器设计.doc

《毕业设计基于C8051F340的低频函数信号发生器设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计基于C8051F340的低频函数信号发生器设计.doc（47页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

毕业设计

基于C8051F340的低频函数信号发生器

指导教师

副教授

学院名称

工程学院

专业名称

电子信息工程

论文提交日期

    年  月

论文答辩日期

    年  月

答辩委员会主席____________

评阅人____________

摘要

函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。

现今社会上出现的函数信号发生器多种多样，频率的范围也在变得越来越来宽，产生的波形也有多种的波形可供选择。

在电子行业的基础设施和制造等领域，函数发生器都是有效的通用仪器。

它可以生成不同频率和幅度的大量信号，用来评估新电路的运行情况，代替时钟信号，对新产品进行制造测试，及用于许多其它用途。

函数信号发生器长期以来都是模拟电路构成的。

本设计主要介绍了基于单片机的多路信号发生器构造及其原理。

本次设计的主要任务是产生低频的信号源，其产生的波形包括正弦波、三角波和方波，频率从1HZ到1000HZ可调变化，幅度从0V到10V可调变化。

在本次设计中，主要利用单片机采用程序设计方法产生相应的波形，通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，并通过不同颜色的LED来区分不同的波形和通过LED数码管显示相应的频率数值，再通过D/A转换器将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来。

系统大致包括信号发生部分、数/模转换部分以及LED显示部分三部分，其中尤其对数/模转换部分和波形产生和变化部分进行详细论述。

设计正文分为前言、系统总体设计、系统硬件设计、系统软件设计和硬件电路制作及调试五大部分。

其中第三、四、五章是本文的中心，它介绍了设计者的思路和系统原理和制作过程。

本次设计所得出的正弦波、三角波和方波失真度较小，波形平滑好看，在显示部分，频率的数值是由4位数码管来显示，波形类型的显示是由3个不同颜色的LED灯来显示，十分的直观且价格实在。

关键词：

函数信号发生器单片机数码管按键D/A转换

目录

1前言 1

1.1论文背景 1

1.2国内外研究现状 1

2系统总体设计 3

2.1设计任务 3

2.2系统总体方案的确定 3

2.2.1方案对比 3

2.2.2系统功能分工 5

2.2.3操作设计 5

3系统硬件电路设计 6

3.1系统硬件电路的总体框图及原理 6

3.2主电路设计及原理 6

3.2.1单片机电路模块 6

3.2.2D/A转换电路模块 9

3.2.3键盘电路模块 13

3.2.4显示电路模块 13

4系统软件设计 16

4.1人机互换模块 16

4.1.1显示子模块 16

4.1.2键盘处理子模块 18

4.2波形产生模块 18

5硬件电路制作及调试 19

5.1硬件单元电路制作 19

5.1.1电路原理图及PCB板制作 19

5.1.2硬件电路调试 20

5.2各模块软件调试 21

5.2.1Keiluvision3环境介绍 21

5.2.2软件调试 22

5.3软硬件联调 23

5.4调试及测试仪器 25

6总结 26

致谢 27

参考文献 28

英文摘要 29

附录1：

各波形在各频率下的波形图

附录2：

硬件电路原理图及PCB图

附录3：

作品实物图

附录4：

系统完整程序

毕业论文成绩评定表

1前言

1.1论文背景

  信号源是根据用户对其波形的命令来产生信号的电子仪器。

信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其他仪表测量感兴趣的参数。

可见信号源在电子试验和测试处理中，并不测量任何参数，而是根据使用者的要求，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。

信号源有很多种分类方法，其中一种方法可分为混合信号源和逻辑信号源两种。

其中混合信号源主要输出模拟波形；逻辑信号源输出数字码形。

混合信号源又可分为函数信号发生器和任意波形/函数发生器，其中函数信号发生器输出标准波形，如正弦被、方波、任意波/函数发生器输出用户自定义的任意波形；逻辑信号发生器又可分为脉冲信号发生器和码型发生器，其中脉冲信号发生器驱动较小个数的方波或脉冲波输出，码型发生器生成许多通道的数字码型。

如泰克生产的AFG30000系列就包括函数信号发生器、任意波形/函数信号发生器、脉冲信号发生器的功能。

   另外，信号源还可以按照输出信号的类型分类，如射频信号发生器、扫描信号发生器、频率合成器、噪声信号发生器等等。

信号源也可以按照使用频段分类，不同频段的信号源对应不同的领域。

综上所述，函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途；在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。

频率越高、产生波形种类越多的发生器性能越好，但器件成本和技术要求也大大提高，因此在满足工作要求的前提下，性价比高的发生器是我们的首选。

1.2国内外研究现状

下面是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:

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

函数发生器的使用最广的通用信号源，提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等波形，有的还同时具有调制和扫描功能。

函数波形发生器在设计上分为模拟式和数字合成式。

众所周知，数字合成式函数信号源（DDS）无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均由于模拟式，其锁相环（PLL）的设计让输出信号不仅式频率精准，而且相位抖动（phaseJitter）及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但数字式信号源中，数字电路与模拟电路之间的干扰始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器，如今市场上的大部分函数信号发生器均为DDS信号源。

在现代电子的各个领域,常常需要用到频率范围广、精度高、稳定度高及输出波形种类丰富的信号源。

随着半导体芯片制造业的迅速发展和研制水平的飞速提高,出现了很多功能强大且性能可靠的集成信号发生芯片,几乎代替了以前用分立元件搭成的信号发生电路模块。

例如ICL8038、MAX038及一系列DDS函数信号发生芯片。

基于ICL8038芯片构成的信号发生器电路设计简单,但输出信号频率低,最高输出频率约为300KHZ。

DDS函数信号发生芯片虽然输出信号频率高,但外围电路复杂且输出波形单一,只能输出正弦波。

而基于单片机的数字化函数信号发生器具有线路相对简单，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。

并且只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。

单片机的型号可以根据需要来具体选择，具体电路也可以有多种形式，现今单片机技术的应用已相当成熟，各个公司所生产的单片机也是互相兼容的，应用起来十分方便。

有单片机编程语言方面，C语言在各款单片机中可移植性很好。

当然随着电子技术的发展，对信号源性能的要求也越来越高，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的数字技术领域科研和教学的需求，所以提高信号源性能已经成为国内外工程师研究的主要方向。

2系统总体设计

2.1设计任务

设计要求的技术指标：

1、波形：

正弦波、方波、三角波

2、频率：

1HZ～1000HZ

3、幅值电压：

0V～10V

本课题研究的内容包括两大部分：

其一，整个系统的硬件组成，由单片机、键盘、显示接口电路，波形转换（D/A）电路等四部分构成。

其二，软件结构，程序由人机交互模块和波形产生模块组成。

2.2系统总体方案的确定

2.2.1方案对比

电子领域常用到信号发生器，它长期以来都是模拟电路构成的。

这类仪器作为信号源，其频率可高达几百兆赫，在高频范围内其稳定性高，可调性好。

然而，在科学研究和生产实践中，如过程控制，生物医学，地震模拟，机械震动，等领域常常需要低频号源。

按模拟电路构成低频信号其性能不能令人满意，而且，用于低频其RC要很大。

大电阻、电容制造上有困难，参数准确难以保证，体积大，漏电损耗显著。

利用单片机采用程序设计方法产生波形，频率低限几乎无限制，稳定度好，频率幅值控制方便。

波形参数存储器里存放着各种波形的参数（如正弦波、三角波、方波）在微处理器的控制下，从存储器中连续重复读出这些信息，经接口电路实现频率与幅值的选择控制，在经D/A转换及滤波放大即可得到所需波形。

20世纪70年代中期，微型电子计算机在数字逻辑运算、推理、实际控制方面显示出强大的能力。

在性能指标上赶超小型机；二是发展了单片机，以满足价格低廉、功能完善，面向工业控制领域的急切要求。

本次设计是基于C8051F340控制的低频函数信号发生器，在查阅了大量的资料后，总结出了如下的三个方案：

方案一：

以MAX038集成块作为核心器件，单片机C8051F340完成对MAX038的控制和人机交互。

首先进行初始化，然后从片内RAM中读取按键按下标志位进行判断，如果没有按下则让MAX038输出初始频率和波形，按下则根据中断处理程序获得的有关数据进行处理。

进行处理时，首先根据输入的键值完成对输出波形、波段、幅度以及频率的选择，然后根据有关公式计算输出频率和幅值电压的编程数据送DA。

在MAX038的引脚19输出相应波形和频率的信号，最后调用显示子程序，在LCD上显示当前波形发生器的工作参数，即振荡频率、幅度、波形的类型。

单片机通过D/A转换器对MAX038的控制，实现频率和幅度的调控，能产生从10Hz～10MHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等信号。

该系统的优点有程控调节输出频率、输出幅度、输出精度高、频率范围宽、失真小。

但该系统做起来较硬件电路复杂、编程较难且成本较高。

方案二：

以单片机C8051F340为作核心器件，波形产生原理是由单片机定时输出数据给DAC0832，再由DAC0832把数据量转换为模拟量输出而得到相应波形，再由LM358进行放大输出的，能产生1HZ到几KHZ的频率。

显示子模块是由一个4位的数码管和三个不同颜色的LED灯所组成，3个不同颜色的LED灯分别代表三种波形“正弦波”、“三角波”和“方波”。

频率显示模块是由一个4位数码管和一片74LS164所组成的。

键盘部分由三个按键组成，一个“频率减”、一个“频率加”和一个“波形选择”按键。

这个方案的优点是它能产生所需的元器件较少且价格比较实在、LED数码管显示方便易看、方便易容操控的键盘模块。

方案三：

操控电路和显示电路都由单片机为核心进行控制，频率在数码管上显示。

波形的产生是采用锁相环式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。

这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。

但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。

而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率相信都很难控制。

综合上面的三个方案的性能和可行性的分析，我选择了第二个方案来作为本次设计的最终方案，因为该方案在能达到设计性能要求的同时，它的可行性好，硬件电路易实现且成本实在。

2.2.2系统功能分工

1、本设计采用C8051F340单片机作为核心芯片，它是整个系统的大脑，各部分的子电路模块都是由它去处理和控制。

其P1口做为键盘和发光二极管的接口，P2口作为74LS164的数据输入口和控制端口，P3口做为数码管的位选择接口，P4口作为DAC0832的数据输入口。

2、键盘电路由3个按键组成，分别为“波形选择”、“频率减”和“频率加”按键，波形的选择有正弦波、三角波和方波，频率的变化在1HZ、10HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ和1000ZH之间，这3个按键由单片机来控制。

3、显示电路由数码管驱动芯片74LS164、4位共阴极数码管和3个不同颜色的LED灯组成，单片机把要显示的频率值通过模拟串口输出给74LS164，再通过74LS164去驱动数码管，3个LED灯的选通由单片机控制。

4、D/A电路由DAC0832和LM358运放组成，单片机把数所输出给DAC0832，再由DAC0832把数字量转换为模拟量，再由LM358进行放大输出，其中幅值电压可由可调电阻去调节变化。

5、本设计的编程语言采用的是C语言，C语言在单片机中的应用已十分成熟，它具有简洁紧凑、灵活方便和可移植性好等特点。

在波形产生的软件部分，波形的产生是通过定时器中断去取点，然后输出给DAC0832来实现的。

而键盘部分的程序则采用扫描方式来实现。

2.2.3操作设计

1、上电后，3个LED灯都不亮，通过“波形选择”按键去选择相应的波形时，相应的LED灯就会发光。

2、上电后，系统初始化，数码显示4个“0”，等待输入来改变其频率值。

当在“频率减”、“频率加”按键上操作时，数码管显示相应波形所输出频率。

4、电压的幅值是通过可调电阻去实现变化的，其幅值可从0V到10V的范围内去变化。

5、要停止使用函数信号发生器，可按复位按钮，将系统复位，然后关闭电源。

3系统硬件电路设计

3.1系统硬件电路的总体框图及原理

本系统原理硬件框图见图1所示，主要由四部分组成:

单片机、键盘、显示电路和D/A转换电路部分。

C8051F340

键盘

数码管显示

D/A

转换器

LM358

74LS164

可调电阻

信号输出

LED灯

图1系统总体框图

本次设计的核心芯片采用的是单片机C8051F340，编程语言是用C语言来进行实现。

设计的大体思路是：

通过单片机C8051F340形成扫描码，键值识别、键处理；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。

其中，在D/A转换部分用到了1片DAC0832和1块LM358运放，DAC0832输出电压输给LM358，由LM358来把幅值电压放大，再由可调电阻去控制最终输出的幅值电压，频率的变化可按“频率加”和“频率减”来实现。

也就是说本函数信号发生器的幅值电压是可调的。

3.2主电路设计及原理

3.2.1单片机电路模块

1、C8051F340介绍

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，下面列出了一些主要特性：

·高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（可达48MIPS）

·全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）

·通用串行总线（USB）功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发器和1KFIFORAM

·电源稳压器

·真正10位200ksps的单端/差分ADC，带模拟多路器

·片内电压基准和和温度传感器

·片内电压比较器（两个）

·精确校准的12MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器

·多达64KB的片内FLASH存储器

·多达4352字节片内RAM（256+4KB）

·硬件实现的SMBus/I²C、增强型UART（最多两个）和增强型SPI串行接口

·4个通用16位定时器

·具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）

·片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器

·多达40个端口I/O（容许5V输入）

具有片内上电复位、VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是真正能独立工作的片上系统。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

片内SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。

调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。

在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。

每种器件都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-5.25V的电压工作。

电源电压大于3.6V时，必须使用内部稳压器。

对于USB通信，电源电压最小值为3.0V。

端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7采用48脚TQFP封装或32脚LQFP封装。

图2C8051F340结构框图

图3C8051F340系统框图

2、C8051F340的最小系统图

图4C8051F340最小系统图

C8051F340内部含有数字和模拟资源可以通过40个I/O引脚使用，每个端口引脚都可以被定义为通用I/O（GPIO）或模拟输入。

P0.0～P3.7可以被分配给内部数字资源。

设计者完全控制数字功能的引脚分配，只受I/O引脚数的限制。

这种资源分配的灵活性是通过使用优先权交叉开关译码器实现的。

不论交叉开关的设置如何，端口I/O引脚的状态总是可以被读到相应的端口锁存器。

本设计采用的是单片机C8051F340，该芯片内部有12M的内部高频振荡器，在出厂时已经校准，所以不需外接晶振，本系统只有单片机的P4口有外接上拉电阻，其他的都不外接上拉电阻，P0.0～P3.7可以通过跳过交叉端口来实现上拉。

3.2.2D/A转换电路模块

1、DAC0832的原理及结构

D/A转换器的作用是把数字量信号转换成于此数字量成正比的模拟信号，为单片机在模拟环境中的应用提供了一种数据转换接口。

目前单片机使用的D/A转换电路多是以集成D/A芯片的形式出现的，其转换时间一般在几十纳秒到极为秒之间，转换精度按芯片位数分为8位，10位，12位，16位等。

DAC0832是目前应用较为广泛的8位D/A转换芯片之一，单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作，电流建立时间为1us，CMOS工艺，低功耗20mW，可双缓冲、单缓冲或直接数字输入。

具有与微机接口简便，转换控制容易，使用灵活等优点。

DAC0832的内部结构如图。

由图2可见，DAC0832主要由一个8位输入锁存器、一个8位DAC寄存器与一个8位D/A转换器三个门电路组成。

这种结构使输入的数据能够有两次缓冲，因而在操作上十分方便与灵活。

图5DAC0832内部结构图

DAC0832为20脚双列直插塑封（见图6），各引脚信号及说明如下：

DIO-DI7：

8位数据输入线，TTL电平。

ILE：

数据锁存允许信号线，高电平有效。

：

片选信号输入线，低电平有效。

：

输入寄存器的写选通输入线，低电平有效。

该信号与ILE信号共同控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式；当ILE=1和=0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1和=1时，为输入寄存器锁存方式。

：

数据传输控制信号，低电平有效。

：

DAC寄存器写选通输入线，低电平有效。

该信号与信号合在一起控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式；当=0和=0时，为DAC寄存器直通方式；当=1和=0时，为DAC寄存器锁存方式。

OUT1：

电流输出线，当输入全为“1”时，输出电流最大。

OUT2：

电流输出线，其值和OUT1值之和为一常数。

RFB：

反馈电阻。

VCC：

电源电压线，范围为+5V-+15V。

V：

基准电压输入线，V范围为-10V-+10V。

AGND：

模拟地，为模拟信号和基准电源的参考地。

DGND：

数字地，为工作电源地和数字逻辑地。

图6DAC0832管脚

DAC0832利用ILE、 控制信号可以构成三种不同的工作方式。

（1）直通方式—— 数据可以从输入端经两个寄存器直接  进入D/A转换器后输出，无需控制使能端；

（2）单缓冲方式—— 两个寄存器之一始终处于直通，即=0或  =0，另一个寄存器处于受控状态。

（3）双缓冲方式—— 两个寄存器均于受控状态。

这种工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。

本设计只用到1个DAC0832，也是只有一路的模拟信号输出，采用直通方式可直接方便的实现，故本设计采用的是直通方式。

DAC0832与单片机的相接的电路原理图如图7所示。

图7DAC0832直通方式

2、LM358的原理及结构

集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合的放大电路。

为抑制零点漂移，所以对温度影响最大的第一级毫无例外的采用了差动放大电路。

为提高放大倍数，中间级一般采用有源负载的共射放大电路。

输出级为功率放大电路，为提高此电路的带负载能力，多采用互补对称输出级电路。

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

LM358的特性：

·内部频率补偿

·直流电压增益高（约100dB）

·单位增益频带宽（约1MHz）

·电源电压范围宽：

单电源（3V—30V）；双电源（±1.5V一±15V）

·低功耗电流，适合于电池供电

·低输入偏流

·低输入失调电压和失调电流

·共模输入电压范围宽，包括接地

　·差模输入电压范围宽，等于电源电压范围

·输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）