毕业设计（论文）-基于单片机的信号发生器的设计

1 芜湖职业技术学院 毕 业 论 文 题 目 基于单片机的信号发生器的设计 院系名称： 芜湖职业技术学院信息工程系 专业班级： 09计算机应用 1 学生姓名： 徐文武 学 号： 90401133 指导教师： 周先飞 2011 年 11 月 15 日 2 摘 要 波形发生器即简易函数信号发生器，是一个能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、方波、正弦波等波形电路。函数信号发生器在电路实验和设备仪器中具有十分广泛的用途。通过对函数发 生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、锯齿波、方波、正弦波的函数波形发生器。在工业生产和科研中利用函数信号发生器发出的信号，可以对元器件的性能及参数进行测量，还可以对电工和电子产品进行指数验证、参数调整及性能鉴定。常用的信号发生器绝大部分是由模拟电路构成的，当这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的 样不仅参数准确度难以保证，而且体积和功耗都很大，而由数字电路构成的低频信号发生器，虽然其性能好但体积较大，价格较贵，因此，高精度，宽调幅将成为数字量信号发生器的趋势。 本文介绍的是利 用 89信号幅度和频率都是可以按要求控制的。文中简要介绍了89及与设计电路有关的各种芯片。文中着重介绍了如何利用单片机控制 D/号频率幅度也按要求可调。 本设计核心任务是：以 合 D/仿真软件设计硬件电路，用 实现程序控制产生正弦波、三角波、方波、 三 种常用低频 信号。可以通过键盘选择波形和输入任意频率值。 关键词： 片机 函数波形发生器 方波 三角波 正弦波 3 目 次 1 引言 . 4 2 系统设计 . 6 . 6 . 6 . 6 . 7 . 7 ，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 读存储器 种 I/时器 /计 时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 波形发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常。用一般的信号发生器，不但笨重，而且只发一些简单的波形，不能满足需要。例如用户要调试串口通信程序时，就要在计算机上写好一段程序，再用线连接计算机和用户实验板，如果不正常，不知道是通讯线有问题还是程序有问题。用 的波形发生器功能，就可以定义串口数据。通过逻辑探勾输出，调试起来 简单快捷。 基于单片机的简易波形发生器是一种常用的信号源 ,它广泛地应用在电子技术实验、自动控制系统和其他科研领域。 目前 , 简易波形发生器的构成方法有很多 ,例如采用 的任意波发生器、采用专用的信号发生芯片 本设计源于 2007年全国大学生电子制做大赛 ,通过分析比较后采用传统的方法来实现多功能波形发生器。借助高性能单片机运算速度高 ,系统集成度强的优势 ,设计的这种信号发生器 ,比以前的数字式信号发生器具有硬件简单 ,理解及实现起来 较容易 ,该方案的设计思路较为清晰 ,且容易对频率和幅值进行控制等优点。 5 低频信号发生器采用单片机波形合成发生器产生高精度，低失真的正弦波电压，可用于校验频率继电器，同步继电器等，也可作为低频变频电源使用。 以单片机为核心设计了一个低频函数信号发生器。信号发生器采用数字波形合成技术 ,通过硬件电路和软件程序相结合 ,可输出自定义波形 ,如正弦波、方波、三角波及其他任意波形。波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。介绍了波形的生成原理、硬件电路和软件部分的设计原理。介绍了单片机控制 D/件编程、 、 于产生不同低频信号的信号源的设计方案。该信号发生器具有体积小、价格低、性能稳定、功能齐全的优点。 6 2 系统设计 案 ： 利用 弦波、矩形波三种波形，再通过 D/波放大，最终由示波器显示出来，通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示其各自的类型 以及数值。 设计要求 1) 、利用单片机采用软件设计方法产生三种波形 2）、三种波形可通过键盘选择 3）、波形频率可调 4）、需显示波形的种类及其频率 件选择 1、通过单片机控制 D/A，输出三种波形。 2、 位单片微型计算机。它把构成计算机的中央处理器 储器、寄存器、 I/而构成较为完整的计算机、而且其价格便宜。 3、 采用 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。 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 7 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 图 2件实现及单元电路设计 片机最小系统的设计 89此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用 89要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图 89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/ (2) 内部存储器容量有限。 (3) 应用系统开发具有特殊性。 标准的 52为 8128 字节的 32条端口， 5个中断， 2 个定时 /计数器， 12个时钟周期执行一条基本指令，最长的除法为 48个周期。 52为8256 字节的 32条端口， 6个中断， 3 个定时 /计数器。 放大 输出 D/主控芯片 示 键盘 8 图 2机最小系统 D/A 转 换器 位 D/A 转换器。能完成数字量输入到模拟量 (电流 )输出的转换。图 主要参数如下：分辨率为 8位，转换时间为 1 s，满量程误差为 1考电压 (+10/10)V，供电电源为(+5 +15)V，逻辑电平输入与 图 3 一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为 二级锁存器称为 的锁存信号也称为通道控制信号 / 9 V 8G 1245679G T 111T 21213141516X F E 218 ( B Y 1 /B Y 2 )1908 3 2图 2图 2 选信号 /写信号 /入寄存器控制信号为 1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当 /制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中， 这样输 入寄存器的输出端不再随外部数据 对第二级锁存来说，传送控制信号 /写信号 /级锁存控制信号为高电平， 8位的 后，当 /制 信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到 图 2 (1) 8位的数据输入端， (2) 模拟电流输出端 1，当 时，输出电流最大，当 时，输出电流为 0。 (3) 模拟电流输出端 2， 数。 10 (4) 反馈电阻引出端， 部已经有反馈电阻，所以 器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。 (5) 参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定 0至 255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度， +10 。 (6) 芯片供电电压，范围为 (+5 15)V。 (7) 模拟量地，即模拟电路接地端。 (8) 数字量地。 算放大器电路 本系统的放大电路如图 2 图 2 21是耦合电阻， 3都为分压式反馈电阻。 1的电压比例为1： 2， 5v0v,在第二级运放中要把 v 之间的电压转变为v，即第一级运放转换成电压量的值没增加或减少 1v,第二级运放产生的电压就减少或增加 2v。 11 示器接口电路 常用的 称发光二极管） 称数码管和 光二极管可显示两种状态，用于系统显示；数码管用于数字显示； 于字符显示） 1数码管结 构 数码管由 8 个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同组合可用来显示数字 .”。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。 2. 数码管工作原理 共阳极数码管的 8个发光二级管的阳极（二极管正端）连接在一起。通常会共阳极接高电平 该数码管导通并点亮。共阴极数码管的 8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。公共阴极接低电平（一般接地）当某个阳极接高电平，则该数码管并点亮。 图 2码管与单片机接口 形产生 原理及 模块设计 波形产生的原理： 12 1、 内存中首先存储波形的数字量值数组 2、 52单片机读取数组中的值，送入 D/ 3、 D/ 4、 D/ 由单片机采用编程方法产生三种波形、通过 电路图 2 13 图 2显示模块的设计 通过液晶 1602显示输出的波形、频率，其电路图如图 2如上图 21602的 八位数据端接单片机的 ，其三个使能端 W、 过软件控制液晶屏可以显示波形的种类以 14 及波形的频率。 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 2图 2用来切换输出波形、开关 2和 3用来调节频率的加减。当按开关 2时输出波形的频率减小 ，按开关 3时输出波形的频率 增加 。 件设计流程 件中的重点模块 51 单片机， D/A 模块和基准 电压 ，输出驱动（运放）。 基准电压： 最小输出电压 v/256 最大输出电压 v 波形形成： 正弦波：015 0000000000由于 精度的转换器，其计算如下： 80 5v/256(即 80 82 方波： 0其计算如下： 16 80 5v/256(即 80 7c 三角波： 000000000计算如下： 5a 5v/256(即 5a 下面依次类推。 本系统采用 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； 17 （ 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 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 2开始 初始化 有键按下？ 下 下 下 输出正弦波 液晶显示 出方波 液晶显示 出三角波 液晶显示 输出 延时增 F 减小 延时减 F 增大 液晶 显示 f 液晶 显示f 18 3 输出波形的种类和调试 试环境 1， 试 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。 试 过程 当程序下进去时经过初始化，液晶屏的上只显示“ 和“ f：“，当开关一 按一下是此时输出波形为正弦波，按两下时输出为方波，按三下时输出为三角波。另外两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： 正弦波： 1 180 波： 1 角波： 1 180据示波器的波形频率的显示计算出三种波形的频率计算公式如下： 正弦波： f=(1000/(9+3* 方 波： f=(100000/(3* 三角波： f=(1000/(15+3*其中 由单片机采用编程方法产生三种波形、通过 19 正弦波程序： if(1) /正弦波 / j=0;j #33; 32; 34; d=; 20; 21; 22; 35; 36; a,ys,j; 56= 0000000000000000000 28 0000;/*正弦波码 */ z) /延时子程序 i,j; i=z;i0;j=110;j0; y) i; i=y;i0; /1602写指令 ; P1=); ; ); ; /1602数据 ; P1=); ; ); ; /初始化 ; ; ; 29 ; /写 /写 f： /写频率 000; 00%10; 0%10; ge=0; /显示频率 if(1) 1000/(9+3*; if(2) 30 100