000单片机函数信号发生器设计文档格式.docx
《000单片机函数信号发生器设计文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《000单片机函数信号发生器设计文档格式.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
（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，和几年前的己有很大的不同。
这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。
而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。
1.3主要研究内容
（1）理论基础分析。
了解波形发生器的相关理论，包括几种常用波形，如正弦波、方波等，然后介绍了波形发生器的主要方案及原理。
（2）硬件系统设计。
主要包括以下几个模块：
串口电路；
键盘、LED显示电路；
单片机系统；
DAC芯片和放大电路设计。
（3）软件系统设计。
主要有：
系统总体流程设计；
串口程序设计；
单片机程序设计；
键盘响应程序设计；
LED显示程序设计；
DAC控制程序设计。
（4）系统仿真调试。
通过计算机进行模拟仿真调试。
2.信号发生器的理论分析与设计方案
在测试与测量技术过程中，常用到已知波形的数字化生成，它在许多与测量有关的领域有着不可替代的作用。
例如，数字化仿真，常被用于算法研究、模型研究、系统辨识或以蒙特卡罗法搜索模型与算法。
任意波形发生器出现以后，给人们提供的不仅是一个通用的基础技术平台，而是在人们面前打开了通往无限宽广空间的一扇门，使得人们对于信号波形的掌握与应用再也不必局限于简单的正弦波、方波等几种有限的波形了，它可以按照人们提供的测量序列产生出几乎任意形状的连续波形信号。
常用波形介绍
函数波形的一般表达式可以表示为
，下面来介绍几种常用的函数波形[3]：
2.1.1正弦函数
正弦信号与余弦信号，两者只是在相位上相差2π，可以统称为正弦信号。
其一般形式为f（t）=Asin（ωt+θ）
（1）
式中，A为振幅，ω是角频率，θ为初相位。
上述三量是正弦信号的三要素。
它的波形见图1。
正弦信号是周期信号，其周期T与频率f及角频率ω之间的关系为：
（2）
图1正弦波形
在实际应用中经常遇到单边指数衰减的正弦信号，其波形如图2所示，表达式为：
（3）
图2指数衰减的正弦信号波形
2.1.2方波波形函数
方波函数是一种常用的波形函数，其表达式为：
（4）
方波的波形如图2-3所示：
图3方波波形
2.2设计方案目前信号发生的主要实现方法由直接模拟法、直接数字法两种。
2.2.1直接模拟法
图4直接模拟法框图
这是传统函数发生器的简化基本结构，一般都是由自由振荡器产生原始波形，然后经过转换电路将原始波形转换成其他波形，在上图中三角波是由振荡器产生的，方波是三角波通过比较器转变而成的，正弦波是三角波通过一个波形整形电路（正弦波整形器）演变而来的，所需要波形经过放大和衰减输出，显然这种方式产生的波形种类有限，每增加一种波形，都要增加相应的转换电路，整个电路变得很复杂，最重要的是要产生用户所需要的任意波形复杂的波形几乎不可能[5]。
2.2.2直接数字法
直接数字法是采用直接数字合成（DirectDigitalSynthesis）的方法实现信号产生。
该技术具有频率转换速度快、频率分辨率高、易于控制的突出特点。
直接数字合成技术近年来发展得很快，而要产生任意波形就必须采用直接数字很成技术。
随着DDS技术的发展，出现了各种各样的直接数字合成的结构，但基本上可以发成两种：
（1）基于地址计数器的数字频率合成法；
（2）基于相位累加器的数字频率合成法。
由于直接数字法在设计上的的优点，本课题设计采用的是基于地址计数器的直接数字合成法。
1.2方案设计与论证
1.2.1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。
但此方案电路简单、成本低。
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。
此方案，电路复杂，干扰因素多，不易实现。
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。
但此方案成本高，程序复杂度高。
以上三种方案综合考虑，选择方案一。
1.2.2单片机的选择论证
AT89S52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，选择方案一
1.2.3显示方案论证
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。
采用LCD液晶显示器1602。
其功率小，效果明显，显示编程容易控制，可以显示字母。
以上两种方案综合考虑，选择方案二。
1.2.4键盘方案论证
矩阵式键盘。
矩阵式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。
编码式键盘。
编码式键盘的按键触点接于74LS148芯片。
当键盘上没有闭合时，所有键都断开，当某一键闭合时，该键对应的编码由74LS148输出。
以上两种方案综合考虑，选择方案一。
1.3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
（1）为系统的总体框图
图
（1）总体方框图
1.4硬件实现及单元电路设计1.4.1单片机最小系统的设计
89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用80C51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
（2）89C51单片机最小系统所示。
由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
其应用特点：
（1）有可供用户使用的大量I/O口线。
（2）内部存储器容量有限。
（3）应用系统开发具有特殊性。
图
（2）89C51单片机最小系统
1.4.2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：
图（3）波形产生电路
如上图所示，单片机的P0口连接DAC0832的八位数据输入端，DAC0832的输出端接放大器，经过放大后输出所要的波形。
DAC0832的为八位数据并行输入的，其结构图如下：
图（4）DAC0832的内部结构
1.4.3显示模块的设计
通过液晶1602显示输出的波形、频率，其电路图如下：
图（5）液晶显示
如上图所示，1602的八位数据端接单片机的P1口，其三个使能端RS、RW、E分别接单片机的P3.2—P3.4。
通过软件控制液晶屏可以显示波形的种类以及波形的频率。
1.4.4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（6）键盘
图中键盘独立键盘引出的八跟线分别接单片机的P2口，只用其第四列，因此在程序初始化时P2.7脚给低电平。
如图开关3用来切换输出波形、开关7和8用来调节频率的加减。
当按开关7时输出波形的频率增加，按开关8时输出波形的频率减小。
1.5软件设计流程本系统采用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）各种参数的设定；
（3）频率增减等。
软件调通后，通过编程器下载到AT89S52芯片中，然后插到系统中即可独立完成所有的控制。
软件的流程图如下：
图（7）程序流程图
#include<
reg51.h>
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitlcdrw=P3^3;
sbitlcdrs=P3^2;
sbitlcde=P3^4;
sbitd=P2^7;
sbits1=P2^0;
sbits2=P2^1;
sbits3=P2^2;
sbitcs=P3^5;
sbitwr=P3^6;
uchars1num,a,ys,j;
uintfre;
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};
/*正弦波码*/
voiddelay（uintz）//延时子程序
{
uchari,j;
for（i=z;
i>
0;
i--）
for（j=110;
j>
j--）;
}
voiddelay1（uinty）
uinti;
for（i=y;
i--）;
voidwrite_com（ucharcom）//1602写指令
{
lcdrs=0;
P1=com;
delay（5）;
lcde=1;
lcde=0;
voidwrite_data（uchardate）//1602数据
lcdrs=1;
P1=date;
}
voidinit（）//初始化
lcdrw=0;
wr=0;
cs=0;
write_com（0x38）;
write_com（0x0c）;
write_com（0x06）;
write_com（0x01）;
write_com（0x80+0x00）;
write_data（0x77）;
//写wave:
write_data（0x61）;
write_data（0x76）;
write_data（0x65）;
write_data（0x3a）;
write_com（0x80+0x40）;
//写f：
write_data（0x66）;
voidwrite_f（uintdate）//写频率
ucharqian,bai,shi,ge;
qian=date/1000;
bai=date/100%10;
shi=date/10%10;
ge=date%10;
write_com（0x80+0x42）;
write_data（0x30+qian）;
write_data（0x30+bai）;
write_data（0x30+shi）;
write_data（0x30+ge）;
write_data（0x48）;
write_data（0x5a）;
voidxsf（）//显示频率
if（s1num==1）
{
fre=（1000/（9+3*ys））;
write_f（fre）;
}
if（s1num==2）
fre=（100000/（3*ys））;
if（s1num==3）
fre=（1000/（15+3*ys））;
voidkeyscanf（）
d=0;
if（s1==0）
if（s1==0）
{
while（!
s1）;
s1num++;
if（s1num==1）
ys=0;
write_com（0x80+0x05）;
write_data（0x73）;
//写sine:
write_data（0x69）;
write_data（0x6e）;
write_data（0x20）;
}
if（s1num==2）
ys=10;
write_com（0x80+0x05）;
//写squrae
write_data（0x71）;
write_data（0x75）;
write_data（0x72）;
if（s1num==3）
//train
write_data（0x74）;
write_data（0x6e）;
if（s1num==4）
s1num=0;
P1=0;
write_com（0x80+0x05）;
write_data（0x20）;
write_com（0x80+0x42）;
}
if（s2==0）
{
if（s2==0）
{
s2）;
ys++;
if（s3==0）
if（s3==0）
s3）;
ys--;
}
voidmain（）
init（）;
while
（1）
keyscanf（）;
if（s1num==1）//正弦波//
{
for（j=0;
j<
255;
j++）
P0=tosin[j];
delay1（ys）;
}
if（s1num==2）//方波//
{
P0=0xff;
delay1（ys）;
P0=0;
if（s1num==3）//三角波//
{
if（a<
128）
P0=a;
delay1（ys）;
}
else
P0=255-a;
}
a++;
if（!
（s1&
s2&
s3））
xsf（）;
}}}
2、输出波形的种类与频率的测试
2.1、测量仪器及测试说明
测量仪器：
稳压电源、示波器、数字万用表。
测量说明：
正弦波、矩形波、三角波信号的输出，通过对独立键盘来实现其的不同波形的输出以及其频率的改变。
2.2测试过程
当
升级会员 