集成电路课程设计-基于单片机的低频信号发生器设计.doc

集成电路课程设计 基于单片机的低频信号发生器设计 XXX集成电路课程设计基于单片机的低频信号发生器设计院 系：专 业：学 号： 姓 名：指导教师：报告提交日期： 2010 年 9 月- 29 -集成电路课程设计 基于单片机的低频信号发生器设计 XXX目 录摘要1关键词11 引言2 1.1 本课题研究的现状2 1.2 选题及其意义22 低频信号发生器的设计要求4 2.1 功能要求4 2.2 技术指标43 系统设计规划 5 3.1 设计方案比较5 3.2 系统设计原理5 3.3 系统设计思想64 主要元器件介绍7 4.1 STC80C52简介 7 4.1.1 STC80C52结构 7 4.1.2 管脚说明 7 4.2 DAC0832简介 9 4.2.1 工作原理 9 4.2.2 引脚图及其功能 9 4.3 字符液晶LCD1602简介 105 信号发生器硬件设计12 5.1 硬件原理框图12 5.2 主控电路12 5.3 数/模转化及放大电路13 5.4 键盘接口电路14 5.5 时钟电路15 5.6 显示电路166 信号发生器软件设计177 信号发生器的实物图及其输出波形展示18 7.1 正弦波测试18 7.2 方波测试19 7.3 三角波测试20 7.4 锯齿波测试208 结束语22参考文献23致谢24附录25基于单片机的低频信号发生器设计摘 要：信号发生器是一种用于产生标准信号的电子仪器，它广泛用于工业生产、科研和国防等各个领域中。本系统是基于STC80C52单片机的数字式低频信号发生器。采用STC80C52单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路(DAC0832)、运放电路(LM324)、按键和LCD显示电路等。通过按键可以控制产生方波、正弦波、三角波和锯齿波并且实时改变输出波形的频率和幅度，同时用LCD显示输出的波形名称、频率和幅度。关键词：信号发生器，单片机，数字/模拟转换电路，频率，幅度Design of Low Frequency Signal Generator Based on MCU Abstract: Signal generator is the electronic instruments used to produce the standard signal. It is widely used in many fields such as industrial production, scientific research and defense. The system is a digital low frequency signal generator based on MCU(STC80C52). As the control microcontroller core, the system is composed by digital/analog conversion(DAC0832), imply circuit(LM324), buttons and LCD. It can generate the square, sine, triangle and sawtooth wave. Whats more, the frequency and amplitude of these signals are under the real time transformation by the buttons. At the same time, the type, frequency and amplitude of the waveform can be displsyed by LCD. Keywords: signal generator, MCU, digital/analog conversion circuit, frequency, amplitude1引言 能够产生各种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为信号发生器1。信号发生器又称信号源或振荡器。它在通信、广播、电视系统，在工业、农业、生物医学等领域内都有着广泛的应用，同时在实验和设备检测中有着必不可少的地位1。 1.1 本课题的研究现状信号发生器可以构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪、频谱分析仪以及自动检测设备的组成部分。信号发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源，可使相应的系统检测过程大大简化，降低检测费用并且极大的提高了检测精度。信号发生器的总体趋势将向着高频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按照频带分为以下几种： (1)超高频：频率范围为1MHZ以上，可达几十兆赫兹。 (2)高频：几百KHZ到几百MHZ。 (3)低频：频率范围为几十HZ到几百KHZ。 (4)超低频：频率范围为零点几赫兹到几百赫兹1。 超高频信号发生器产生波形一般用LC振荡电路。高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，及RC振荡电路，通过改变电阻和电容值来改变频率6。用以上原理设计的信号发生器，其输出波一般只有两种，即正弦波和脉冲波，其零点不可调，而且价格比较贵，一般在几百元左右。在实际应用中，超低频和高频波一般是不用的。采用单片机STC80C52，加上一片DAC0832就可以做成一个简单的信号发生器，加上按键电路、显示电路及放大电路，就可以实现频率幅值可调。这样的信号发生器体积小，价格便宜，耗电少，频率适中，便于携带。 1.2 选题及其意义 信号发生器是一种经常使用的设备，由纯粹的物理器件构成的传统设计方法存在许多弊端，如体积大、重量大、移动不够方便、信号失真较大、波形种类过于单一、波形形状调节过于死板，无法满足用户对精度、便携性、稳定性等要求，研究设计出一种具有稳定频率、准确、波形质量好、便携性好等特点的信号发生器具有较好的市场前景，以满足军事和民用对信号源的要求。 本设计的主要目标是学习运用单片机的外围硬件电路设计及软件设计，了解DAC0832的数模转换原理及其其内部结构，实现利用单片机STC80C52和8位D/A转换芯片DAC0832共同实现正弦波、方波、三角波和锯齿波这四种常见波形的产生，并且通过按键实现波形的切换、频率和幅值调节。其输出的频率范围为50HZ至100HZ。 在无标准函数发生器时，本设计可以作为简单的函数发生器使用。本次设计力求在成本较低廉的前提下完成，性能指数都不是很高。通过本课题的设计掌握了单片机系统的软硬件设计及开发过程和基本信号产生原路、测量及误差分析方法，同时掌握了信号发生器的开发流程，培养了综合运用所学的基本知识、基本理论和基本技能的能力，学习解决一般工程技术和有关专业问题的能力，学习工程设计和科学研究的基本方法，完成对所学知识的综合训练。 2低频信号发生器的设计要求 2.1 功能要求 1.波的输出频率范围：下限频率50HZ，上限频率为100HZ 2.输出波中不能产生尖峰干扰 3.按键可前后切换波形 4.按键可上下调节频率 5.按键上下可调节幅值 6.利用LCD液晶显示输出波的名称、频率和幅值 2.2 技术指标 1.波形失真度：5% 2.LCD1602显示3信号发生器设计规划 3.1 设计方案比较信号发生器的设计方案可用多种方案来实现。在设计前对各种方案进行比较：方案一：用车分放大电路实现三角波到正弦波以及集成运放组成的电路实现信号发生器。波形不换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好；三角波的幅度应正好使晶体接近饱和区域或者截止区域2。方案二：用三极管折线近似电路以及集成电路的运放组成的电路实现信号发生器。根据二极管折线近似电路实现三角波正弦波的变换频率调节部分设计时，可先按三个频段给定三个电容值：1000pF、0.01uF、0.1uF然后再计算R的大小3。手控与压控部分的线路要求更换方便。方案三：利用单片机STC80C52和8位D/A转换芯片DAC0832共同实现正弦波、方波、三角波和锯齿波这四种常见波形的发生，并且可以接受外部按键来切换波形，调节频率和幅值。可行性分析：上面三种方案中，方案一与方案二中三角波正弦波部分原理虽然不一样，但是他们有共同的地方就是都要搭建波形变换电路图4。而方案三利用单片机构成的应用系统有较高的可靠性，系统的扩展和系统的配置灵活方便。容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软硬件利用参数。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。 综上所述我们选择了第三种设计方案。 3.2 系统设计原理数字信号可以通过数/模转换成模拟信号，因此可以通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法获得所需要的波形。单片机本身就是一个完整的微型计算机。具有组成微型计算机的各个组成部分：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等1，只要将单片机在配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换以及放大电路，则可实现波形的输出，即构成所需的信图1 系统原理框图号发生器，其原理框图如图1所示。单片机是整个波形发生的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样饿波形，并且通过键盘来进行各种波形的切换，并且实现波形的频率和幅度大小的调节。当数字信号经过接口电路到达转换电路，将其转换为模拟信号，即输出所需的波形。 3.3 设计思想(1) 将一个周期的信号分离成256个点(按X轴等分)，每两个点之间的时间间隔为T，用单片机定时产生，其表示式为：T=T256。如果单片机的晶振为12MHZ，采用定时方式1，则定时器初值为：X=216 -T/Tosc1。(2) 为了实现调整幅度，将一个周期的256个信号点分为四等分，每1/4周期的信号点为64个，调整幅度的时候可以将这1/4周期的点的幅度同时增大或者减小。(3) 对于生出的四种波形分别用波形生成器生成四个不同的波表。4主要元器件的介绍 4. 1 STC80C52简介 4.1.1 STC8052结构 单片机内部结构图如图2所示图2 STC80C52内部结构在设计中，STC80C52用于产生波形的数字信号，并控制信号的频率和幅。STC80C52是一种带4K字的程序存储器的低电压、高性能的COMS8位微处理器，又称单片机。它的内部结构按功能可分为8个组成部分：微处理器(CPU)、数据存储器(RAM)，程序存储器(ROM/EPROM)、特殊功能寄存器(SFR)、并行I/O口、串行通信口、定时器/计数器及中断系统4。本系统选择STC80C52作为主控芯片，不仅满足系统要求而且比较廉价，从功能实现和经济双方面考虑，选择是非常合理的。 4.1.2 管脚说明 单片机引脚图如图3所示。 P0口：P0口作为一个双向8位三态I/O口，当作为I/O口使用时，可以直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位和数据总线的分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。当P0脚第一次写入1时，被定义为高阻输入4。 P1口：P1为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或者输出线(作为输入口时，口锁存器必须置1)，可驱动4个TTL负载。 P2口：P2口为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可以直接连接外部I/O设备。它是地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。一般作为扩展时地址总线高8位使用。 P3口：P3口为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。 RST：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，用于锁存地址的低位字节。在编程期间时，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可作为外部输出脉冲或是用于定时目的。然而要注意的是：每当用外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载4。 PSEN：此输出为单片机访问外部程序存储器的读选通信号。在外部程序存储器取指令期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在此期间，每当访问外部存储器时，这两次的PSEN信号将不出现。该口同样可以驱动8个TTL负载5。图3 STC80C52引脚图 EA/VPP：当EA保持高电平时，单片机访问的是内部程序存储器，但当PC值超过某值时，将自动转向外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器而只访问外部程序存储器4。 4. 2 DAC0832简介 4.2.1 工作原理 DAC0832内部结构图如图4所示。 在设计中，DAC0832主要用来将数字信号转换为模拟信号。DAC0832是8位D/A芯片，片内带数据锁存器，电流输出。该系列产品包括DAC0830、DAC0831、DAC0832，它们可以完全相互代换。它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路组成5。图4 DAC0832内部结构 DAC0832可以有三种工作方式： 1、单缓冲方式 若应用系统中只有一路D/A转换或虽然有多路转换，但并不要求各路信号同步输出时，则采用单缓冲方式来接口。方法是：使锁存器和DAC寄存器同时接收数据4。 2、双缓冲方式 当多路D/A信号要求同步输出时，则采用双缓冲方式。方法是：分别使其输入锁存器接收数据；同时传送数据到其 DAC寄存器，以实现多路转换同步输出4。 3、直通方式 所有控制信号均有效，适宜于连续控制时。 4.2.2 引脚图及其功能 各引脚如图分布如图5所示。 DI7DI0：8位数据输入端，DI7为最高位。 IOUT1：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。 IOUT2：模拟电流输出端2，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，IOUT1和IOUT2的和为一个常数6。 RFB：反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以RFB端可以直接图5 DAC0832引脚图到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接到运算放大器的输出端和输入端之间。 VREF：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可以接一个负电压，它决定0 至255的数字量转换出来的模拟电压值的幅度。 4.2.3字符液晶LCD1602简介 字符液晶显示器根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等，这里介绍常用的1602液晶模块,可以显示2行每行16个字符。LCD1602采用标准的16脚接口，其引脚图如图6所示。其中: VSS：地电源 VDD：接5V正电源 VEE：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。图6 LCD1602引脚图 EN：使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 D0D7：8位双向数据线。 RS：寄存器选择，1：选择数据寄存器，0：选择指令寄存器。 RW：读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。RS=0，RW=0：写入指令或者显示地址，RS=0，RW=1：读忙信号，RS=1，RW=0：写入数据5。5信号发生器硬件设计 5.1 硬件原理框图 硬件原理框图如图7所示图7 系统硬件原理框图 5.2 主控电路 单片机STC80C52内部设置两个16为可编程的定时器/计数器T0和T1，它们具有计数方式和定时方式两种工作方式以及4中工作模式。在信号发生器中，将其作为定时器使用，用来精确地确定波形的两个采样点输出之间的延时时间。模式1是采用16位计数器，当T0或T1被允许计数后，从初值开始加计数，最高位产生溢出时向CPU请求中断。 中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理而设置的。当中央处理器CPU处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，转向处理这个紧急事件。在信号发生器中，只要片内定时器/计数器溢出时产生的中断请求，即在单片机输出一个波形的采样点信号后，接着启动定时器，在定时器未产生中断之前，单片机等待，直到定时器计数结束后，产生中断请求，单片机响应中断，接着输出下一个采样点信号，如此循环产生所需的信号波形。主控电路如图8所示。其中P0口用于输出数字信号，输入DAC0832后经过数模转换后输出相应的电压，生成相应的波形。P2口用于液晶的数据输入口，使得液晶能够显示出此刻输出波形的类型、频率以及幅值。P3.0到P3.5口用于键盘检测，当单片机接收到键盘的输入后可以产生相应的操作，达到切换波形，调整频率和幅值。P1.5到P1.7口用于液晶的控制端口，用于操作液晶显示。其中主控电路还包括复位电路和时钟电路，晶振选用12MHZ的。图8 主控电路 5.3数/模转换及放大电路 由于单片机产生的是数字信号，要想的到所需的波形，数字信号转换成模拟信号，所以选用价格低廉、接口简单、转换控制容易并且具有8位分辨率的数模转换器DAC0832。DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。但实际上，DAC0832输出的电量也不是真正能够联系可调，而是以其绝对分辨率为单位增减，是准模拟量的输出。DAC0832是电流型输出，在运用时应该利用外界运放使之成为电压型输出7。 数/模转换及放大电路如图9所示。由于此电路只有单通道，所以选用的是DAC0832的单缓冲方式应用接口电路。 其中输出波经过了滤波和二级放大才得到最终的波形。图9 数/模转换及放大电路 5. 4键盘接口电路 按键接口电路如图10所示。 这种特殊的接法为了避免按键与单片机相连时出现不确定状态。当按键没有按下时，单片机与键盘接口对应的I/O输入为高电平；当有按键按下时，产生一个下拉，使得单片机接口输入为低电平，因而可以产生相应的操作。 当按下S1键时，每按一次则输出波形频率加1HZ，当频率达到100HZ时，再按一次则还原为50HZ，当按下S2键时，每按一次则输出波形频率减1HZ，当频率达到50HZ时，再按一次，则频率变为100HZ。按键S3和S4分别进行波形的正反向切换，时输出端口输出不同的波形：正弦波、锯齿波、方波、三角波。S5和S6分别进行幅度正方向调节，本设计总共设置了四种幅度的档位选择。图10 键盘接口电路 5.5 时钟电路 单片机有两个引脚(XTAL1，XTAL2)用于外接石英晶体和微调电容，从而构成时钟电路，其电路图如图11所示。电容C1和C2对振荡频率有稳定作用，其电容量选择为30pf ,振荡器的选择频率为12MHZ的石英晶体。由于频率较大时，三角波、正弦波、锯齿波中每一点的延时时间只有几微妙，故延时时间还要加上指令时间才能获得较大的频率波形。图11 时钟电路5.6显示电路 显示电路如图12所示。图12 液晶显示模块电路显示电路时用来显示波形信号的频率和幅度以及输出波形的类型，使得系统更加的合理。从经济的角度出发，选用LCD1602比较合理。6 信号发生器软件设计 程序流程图如图12所示。 本程序的子程序选择是通过键盘的输入来实现的，在取得按键值之后启动相应的中断服务程序，再直接根据查询值来切换波形以及实现幅度和频率的调整。图13 系统软件流程图7 信号发生器的实物图及其输出波形展示 通过前面的软硬件设计以后，整个电路的设计基本完成，系统在以Proteus7.2这款软件为平台，对正弦波、方波、锯齿波和三角波进行了仿真与测试，通过仿真证明了电路软硬件设计的正确性。最后就是进行焊接实物图并且测试实物图的正确性。 系统硬件的整体实物图如图14所示。图14 系统硬件的整体实物图 7. 1 正弦波的测试 正弦波的测试如图15所示。 此波的幅度可调整，有四个幅度档位。频率可调，频率的调节范围为50HZ至100HZ，按键每按一次，则频率可加减1HZ。并且可以通过液晶显示详细信息。波形的缺陷在于在峰值处由于点的叠加造成有少许重叠，不过，不影响整体的完整性，失真也较小。如图显示的是幅度第三档位，频率为50HZ的波形。图15 正弦波的实物测试 7. 2 方波的测试图16 方波的实物图测试 方波的测试如图16所示。 此波的幅度可调整，有四个幅度档位。频率可调，频率的调节范围为50HZ至100HZ，按键每按一次，则频率可加减1HZ。并且可以通过液晶显示详细信息。失真较小。如图显示的是幅度第四档位，频率为50HZ的波形。 7. 3 三角波的测试 三角波的测试如图17所示。 此波的幅度可调整，有四个幅度档位。频率可调，频率的调节范围为50HZ至100HZ，按键每按一次，则频率可加减1HZ。并且可以通过液晶显示详细信息。波形失真也较小。如图显示的是幅度第四档位，频率为50HZ的波形。图17 三角波的测试 7. 4 锯齿波的测试 锯齿波的测试如图18所示。 此波的幅度可调整，有四个幅度档位。频率可调，频率的调节范围为50HZ至100HZ，按键每按一次，则频率可加减1HZ。并且可以通过液晶显示详细信息。波形的失真较小。唯一缺陷在于有一点圆角造成失真。如图显示的是幅度第三档位，频率为50HZ的波形。图18 锯齿波的测试8 结束语这种基于单片机的信号发生器已经展现出很好的性能，而且有着较高的性价比。此外，它产生的波形也模拟电路波形相比，波形有着更好的平滑性，其周期也更加稳定。应经越来越多的应用到各种电子设备中，给人们日常的生活带来了极大的方便。由于我个人的所学知识有限，此次设计中的低频信号发生器也有其不足之处，有些指标还有待提高，例如可调频率的范围不够宽，没法提高到更高的频率，同时，其幅度并不是连续可调，只有四个档位。我将会在今后的学习中更加踏实地学好各个知识点。参 考 文 献1 程全. 基于AT89C52实现的多种波形发生器设计J. 周口师范学院学报, 2005.22(5)：5758.2 华成英，童诗白. 模拟电子技术基础(第四版)M. 北京：高等教育出版社.2006.3 阎石. 数字电子技术基础(第五版)M. 北京:高等教育出版社.2006.4 杨恢先，黄辉先. 单片机原理及应用M. 北京：人民邮电出版社.2009.5 张道德. 单片机接口技术(C51版)M. 北京：中国水利水电出版社.2008.6 康华光. 电子技术基础数字部分(第四版)M. 北京：高等教育出版社.2000.7 康华光. 电子技术基础模拟部分(第四版)M. 北京：高等教育出版社.2006.致 谢 本文的研究工作是在唐明华教授的悉心指导、帮助和督促下完成的。唐老师无论是在授课和指导课程设计过程中都做到一丝不苟、严格要求，他的积极负责给我留下了深刻的印象，他身上的这种精神将称为我以后人生的宝贵的精神财富，我衷心地感谢他。 同时我想感谢提供我良好的研究环境和实践条件的各位研究生学长们，是你们给予了我大量的指导和支持。 在本文完成之际，谨向为我倾注了大量心血的指导老师及帮助过我我老师学长和同学们表示最诚挚的感谢和深深地敬意！附 录程序部分代码：#include#includemain.hvoid init_timer0()EA=1;ET0=1;AUXR=AUXR|0x80;TH0=TM0H;TL0=TM0L;TMOD=0x01;void init_ccap0()CMOD=0X08;CL=0;CH=0;CCAP0L=0XC0;CCAP0H=0XC0;CCAPM0=0X42;void timer_0(void) interrupt 1ET0=0;TH0=TM0H;TL0=TM0L;if(slec=1)CCAP0H=mul*sinindex;P0=mul*sinindex;else if(slec=2)CCAP0H=mul*squindex;P0=mul*squindex;else if(slec=3)CCAP0H=mul*triindex;P0=mul*triindex;else if(slec=4)CCAP0H=mul*sawindex;P0=mul*sawindex;index+;if(index=255)index=0;ET0=1;void main()unsigned char key,k;wr=0;TM0H=0Xfc;TM0L=0Xbf;init