1、低频信号发生器大学论文低频信号发生器系 别： 电气电子工程系 学生姓名： 专业班级： 应用电子技术 学 号： 指导教师： 2012年 03月 20 日 独创性声明 本人声明所呈交的毕业论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日毕业论文版权使用授权书 本毕业论文作者完全了解学校有关保留、使用毕业论文的规定，即：学校有权保留并向有关部门或机构送交论文的复印件和
2、电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权XX职业技术学院要以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。 保密，在_年解密后适用本授权书. 本论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）毕业论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要本系统是基于AT89C52单片机的数字式简易低频信号发生器。用程序实现方波、锯齿波、三角波等信号，并在Protues电子设计平台上对方案进行了仿真。消除了传统信号发生器存在元器件分散性造成波形失真的弊端。系统采用AT89C52 单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0
3、832）、按键电路。通过按键控制可产生方波、锯齿波、正弦波。波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变，其设计简单、性能优良，可用于多种需要低频信号源的场所，具有一定的实用性。关键词：单片机；信号发生器；D/A转换目 录摘要.I 1 课题背景.(1)2系统设计.(3)2.1系统方案比较.(3)2.2 实验芯片简介.(3)2.2.1 AT89C52.(3)2.2.2 DAC0832.(5)3软件设计.(8)3.1初始化子程序.(8)3.2 键扫描子函数.(9)3.3 波形数据产生子函数.(9)3.4主函数.(10)4硬件设计.(11)4.1系统总体框图设计.(11)4.1.1单片机晶振电路.(11)
4、4.1.2单片机复位电路.(12)5 调试及仿真波形.(13)结 论.(16)附录 电路原理图.(17)致谢.(18)参考文献.(19)1 课题背景基于单片机的信号发生器设计，该课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，考察现在正在使用的信号发生器的基本功能，完成一个基本的实际系统的设计全过程。关键是这个实际系统设计的过程，在整个过程中我可以充分发挥自动化的专业知识。特别是这个信号发生器的设计中涉及到一个典型的控制过程。通过单片机控制一个有特殊功能的信号发生芯片，可以产生一系列有规律的幅度和频率可调的波形。这样一个信号发生装置在控制领域有相当广泛的应用范围。在现代社会中，自动化技术已经渗
5、透到社会生活的各个领域中。在超声波测量技术中,超声换能器(发射换能器和接收换能器) 是超声波检测技术的核心部件。高精度、宽频率范围、高稳定性的激励源对于发射换能器及超声检测系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。传统的波形发生器通常由晶体管、运放IC 等分离元件制成。与此相比,基于集成芯片的波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点。其中，信号发生器是自动化领域中的一个典型应用。因为现代的自动化控制中基本都会利用信号来控制设备的工作。利用信号的产生进行仪器的控制已经是自动控制中的一个重要的手段，那么一个幅度、频率、占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有使用价值。只要将这个信
6、号发生器设计的基本思路掌握，不但可以融会贯通所学的专业知识还可以在以后工作中利用到，作为用来控制其他设备或设计的一个参考。信号发生器是电子实验室的基本设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，且许多功能用不上。本文介绍一种由单片机AT89C52设计的简易信号发生器，该仪器结构简单，虽然功能及性能指标赶不上标准信号发生器，但满足一般的实验要求。其成本低、体积小、便于携带等特点，亦可作为电子产品维修人员的重要随身设备之一。本文主要分五大部分：绪论、系统概述和设计方案、硬件部分、软件部分，总结。绪论，首先对课题研究背景和所涉及的相关技术领域进行了介绍；第一
7、章对系统所要完成的功能和可扩展的功能进行描述，确定系统的设计方案主要参数计算，第二章对系统的硬件结构和各部分组成作了简要的介绍和讲解；第三章是软件部分，这部分重点介绍了主程序的流程框图及各个子程序的流程框图。最后对整篇文章进行了总结。2 系统设计 2.1 系统方案比较 方案一：采用函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片，（如图2-1）它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形，会寄生一些高次谐波分量，采用其他的措施虽可滤除一些，但不能完全滤除掉。 方案二：采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，然后根据需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等
8、波形发生器。这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。方案三：采用单片机和DAC0832数模转换器生成波形，由于是软件滤波，所以不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较纯净。它的特点是价格低、性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。经比较，方案三既可满足课程设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易控制，性价比较高，所以采用该方案。2.2实验芯片简介2.2.1 AT89C52AT89C52是一种低功耗、高性能的片内含有8 kB可编程/可擦除只读存储器的8位CMOS微控制器,使用高密度、非易丢失存储技术
9、制造,并且与80C51的引脚和指令系统完全兼容。芯片上的Flash存储器允许在线编程或采用通用的非易丢失存储编程器重复编程。AT89C52将具有多种功能的8位CPU与Flash存储器结合在一个芯片上,为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案,其性能价格比远高于8751。89C52的主要性能包括:片内有8 kB可在线重复编程的快闪擦写存储器;宽工作电压范围VCC可为2. 7V6V;全静态工作可从0Hz至33Hz;程序存储器具有3级加密保护; 32条可编程I/O线; 3个16位定时器/计数器;中断结构具有8个中断源; 21个特殊功能寄存器; 1个可编程全双工串行通道;空闲状态维持低功耗
10、和掉电状态保存存储内容。AT89C52的引脚图及作用如下：P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端使用。在访问外部数据存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节。而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，
11、此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2的输出缓冲可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。此外，P3口还接收一些用
12、于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RET：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟震荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。:程序存储允许输出的是外部程序存储器的选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据时），每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次信号。/VPP:外部访问允许
13、。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），端必须保持低电平。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.2.2 DAC0832DAC0832是美国资料公司研制的8位双缓冲器D/A转换器。芯片内带有资料锁存器，可与数据总线直接相连。电路有极好的温度跟随性，使用了COMS电流开关和控制逻辑而获得低功耗、低输出的泄漏电流误差。芯片采用R-2RT型电阻网络，对参考电流进行分流完成D/A转换。转换结果以一组差动
14、电流IOUT1和IOUT2输出。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： DAC0832主要性能参数：分辨率8位； 转换时间1s;参考电压10V；单电源+5V+15v；功耗20mW。DAC0832引脚功能说明：DI0DI7：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。
15、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. 采用ADC0809实现A/D转换。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T
16、TL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。3 软件设计单片机内部数据只有0、1之分,所产生的信号也都是离散信号。为了能够让单片机输出所需的数字信号,我们采用对信号采样、量化的方法来实现由单片机产生所需信号。在设计中,对正弦信号进行采样,通过查表来实现输出不同的幅度值。采样点越密,信号失真度也就越小。对于三角波,就是实现2次循环,通过由最小值到最大值和由最大值到最小值的循环来实现三角波的输出。方波的输出时间间隔由键盘输入,然后由软件通过定时、计数器来控制。因此,通过控制不同的计数初值就可以控制整个方波信号的频率,其计数初值=65 536-输入值。对于其他波形,程序根据输入频率值计算出波形的输出
17、时间参数,即波形中每2点的时间间隔C。程序设定寄存器T0作定时器,T1作计数器。当计算出C65 536时, CPU只使用T0。当C65 536时,CPU将T0和T1串联起来使用。T0/T1被调用后开始计数,总定时时间到,输出一个点,反复循环,从而在一个周期内输出完整波形。设计中软件分为初始化模块、显示模块、键盘扫描模块、键值处理模块和波形产生模块。3.1 初始化子函数初始化子函数的主要工作是设置定时器的工作模式、初值预置、开中断和打开定时器等。在这里，定时器T1工作于16位定时模式，单片机按定时时间重复的把波形送到DAC0832的寄存器。其程序流程图如图所示：图3-13. 2键扫描子函数键扫描
18、子函数的任务是检查3个键是否有键按下，若有键按下，则执行相应的功能。这里3个键分别用于频率增加、频率减小和正弦波，锯齿波和方波的选择功能。其程序流程图如图3-2所示： 图3-2 查键子函数程序流程图3.3波形数据产生子函数波形数据产生函数是定时器T1的中断程序。当定时器溢出时，发生一次中断。当发生中断时，单片机按次序将波形数据表中的波形数据一一送到DAC8032，DAC8032根据输入的数据大小输出对应电压。波形数据产生子函数流程图如图3-3所示：图3-3 波形数据产生子函数流程图3.4 主函数主函数的任务是进行上电初始化，并在程序运行中不断查询按键情况执行相应的功能。4 系统硬件设计4.1
19、系统总体框图设计本系统是以单片机AT89C51和8位D/A转换芯片DAC0832共同实现正弦波，方波，锯齿波这三种常见波形的产生及显示相互切换的功能。 图4-1 系统总体框图4.2 单片机晶振电路对于MCS-51一般的晶振可以在1.2MHZ12MHZ之间选择，这是电容C可以对应的选择10pf-30Pf。对于本设计的电容C用30pF，晶振选用12MHZ。晶振电路解法图3-2，一条引脚接在XTAL1,另一条接在XTAL2。电路图如图所示。4.3 单片机复位电路复位是单片机的初始化工作，复位后中央处理器CPU和单片机内的其它功能部件都处在一定的初始状态，并从这个状态开始工作。为了防止程序执行过程中失
20、步或运行紊乱，此处我们采用了上电复位及手动复位电路，电路图如图所示。5 调试及仿真波形硬件电路的调试比较简单，只要元器件安装无误，一般都能一次成功。软件调试主要是各子程序的调试，对于频数的增减按键，由于计数器为16位定时器，最大值为65535，在加减时用255作为减数，这样频率的调整变化较快些，但是在接近最高频率变化太快；如果加减时用一作加减数，那么在频率的高端变化平稳，而在频率的低端则变化太慢。调试时可根据应用特点选择加减数的大小。简易低频信号源输出频率指标实际测试如下：（1）当按下K3键一下时，波形为正弦波。仿真图如图5-1所示： 图5-1 正弦波仿真图（2）当按下K3键两下时，播行为三角
21、波。仿真图如图5-2所示：图5-2 三角波仿真图（3）由P2.0口直接可输出方波。仿真图如图所示。K1键是频率增加键，K2键是频率减小键本次设计的信号发生器正弦波的频率范围在0.01HZ83HZ，方波的输出频率范围在1.310.6KHZ。在对系统进行波形仿真时可以在虚拟示波器上观察到锯齿波、三角波、正弦波和方波的波形。其中锯齿波、三角波以及正弦波的输出误差较大，方波波形较为理想。这一方面与电路设置的参数有关，另一方面也与使用的仿真软件有关。对于上述问题的解决办法是：改变仿真电路的参数或着换用版本较高的仿真软件。当然一般产生这种情况的原因多由于电路的参数设计不合理所制。但从仿真波形上可以看出输出
22、波形的频率大致与程序中的设置吻合。波形的幅度与程序设置的最大值有关，而频率受机器周期的控制。当仿真时，由于存在一定的系统误差，波形效果不是很好。简易低频信号源输出的频率不是很高，在设计时每周期波形用255个采样点合成，波形不是很光滑。如果增加采样点，则输出的频率会更低，所以在设计时应根据应用特点选择合理的采样点数。用单片机产生低频信号的最大优点是可以输出产生复杂的不规则波形，这是一般通用信号源无法做到的。6 结论一个好的信号发生器系统应该具有价格低、性能高,在低频范围内稳定性好、操作方便,产品体积小、耗电少等特点,才能在生活中各个领域内被广泛使用。本系统按实际应用需求而设计。硬件电路主要由AT
23、89C52和DAC0832构成，所以产品体积小、耗电少。本次设计正弦波形、三角波信号频率范围为0.01HZ83HZ,方波的频率范围为1.310.6KHZ。可以通过相应的按键控制信号的频率。信号电压范围1V1.5 V。实验调试表明该数字式低频任意信号发生器在技术指标上完全达到了设计要求。但由于设计简单，只是由单片机控制D/A转换产生波，所以滤波效果不是很好，调试出的波形并不是很稳定。若实际需要质量好一点的波形，得考虑加上滤波电路。附录 电路原理图致 谢本课题在选题及研究过程中得到王振宇老师的悉心指导。王振宇老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。王振宇老师一
24、丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却终生受益。对王振宇老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢王振宇老师、苏咏梅老师、郑小梅老师、李道军老师等对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。感谢我的同学张彦锋、张蕴、林俊涛、刘斌三年来对我学习、生活的关心和帮助。 参考文献1龚运新等.单片机实用技术教程 .北京：北京师范大学出版社，2005.2李光飞等.单片机C程序设计实例指导. 北京：北京航空航天出版社，2005.3黄仁欣等.单片机原理及应用技术.北京：清华大学出版社，2005.4张毅刚等.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.5刁修睦等.模拟电子技术及应用.北京：北京大学出版社，2008.6唐德洲等.数字电子技术.重庆：重庆大学出版社，2000.
