【精品】信号发生器论文

1、guilin university of electronic technology单片机综合设计 实训论文说明书题 目：院（系）：专 业：电子信息工程学生姓名：学 号：指导教师：2012年6月22日摘要信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和 教学实验等领域。目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器，且特殊波形 发生器的价格昂贵。所以本设计利用单片机stc89c52采用程序设计方法产生锯齿 波、正弦波、矩形波三种波形，再通过d/a转换器dac0832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，能产lhz-3khz的波形。通过键盘来 控制三种波形的类

2、型选择、频率变化，并通过液晶屏1602显示其各自的类型以及 数值，系统大致包括信号发生部分、数/模转换部分以及液品显示部分三部分， 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。关键词：信号发生器；单片机；波形调整目录摘要i目 录ii第一章绪论11.1课题背景11.2课题意义1第二章信号发生器的方案研究22.1总体方案论证与设计22.1.1正弦函数22.1.2方波波形函数32.2模块结构划分4第三章 硬件电路整体设计73.1基木原理73.2资源分配7第四章 硬件模块设计84.1复位电路84.2时钟电路84.3最小应用系统94.4按键电路94.5显示模块114.6 d/a传换电路设计

3、114.7原理图154.8 pcb154.9实物图16第五章软件设设第计165.1软件总体设计165.2源程序17第六章总结与展望30致谢31参考文献32绪论第一章绪论1.1课题背景随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的 迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器 的出现，史促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号 发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形 成和修止等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成口动测 试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、 多功能、自动

4、化和智能化方向发展。1. 2课题意义该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的 解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：波形 的设定，d/a转换，单片机（51单片机，显示电路，键盘控制），显示和各模 块的连接通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方 法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信 号处理方面的实际工作能力。第二章信号发生器的方案研究2. 1总体方案论证与设计信号发生器的实现方法通常有以下几种：方案一：用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高， 其工作不很稳定，不易调试。方案二：

5、可以由晶体管、运放ic等通用器件制作，更多的则是用专门的函 数信号发生器ic产生。早期的函数信号发生器ic,如l8038、ba205、xr2207/2209 等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只冇300khz,无法产生更高频率的信 号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。方案三：利用专用直接数字合成dds芯片的函数发生器：能产生任意波形 并达到很高的频率。但成本较高。方案四：采用stc89c52单片机和dac0832芯片，直接连接键盘和显示。该种 方案主要对at89c51单片机的各个i/o口充分利用.p1 口是连接键盘以及接显示电 路,p2i i连接dac0832输

6、出波形这样总体來说，能对单片机各个接i i都利用上,而 不在多用其它芯片，从而减小了系统的成本也对按照系统便携式低频信号发生 器的要求所完成.占用空间小，使用芯片少，低功耗。综合考虑，方案四各项性能和指标都优于其他几种方案，能使输岀频率有较 好的稳定性，充分体现了模块化设计的耍求，而h这些芯片及器件均为通用器件, 在市场上较常见，价格也低廉，样品制作成功的可能性比较大，所以本设计采用 方案四。常用波形介绍函数波形的一般表达式可以表示为y =(q,c2.c”j),下面来介绍几种常用 的函数波形：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2tt,可以统称为正弦信号。 其一般形式为/

7、(r)=asin(a)r+0 )(1)式中，彳为振幅，3是角频率，0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3之间的关 系为：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： ae at sin cot (t > 0)/(0 = l 0 (r < 0)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:a(0"<f)-<r<t)/(0 =(4)方波的波形如图2-3所示:图3方波波形2. 2模块结构划分本次设计所研究的就是对所需要的某种波形输出对应的数字信号，

8、在通 过d/a转换器和单片机部分的转换输出一组连续变化的0 5v的电压脉冲值。 在通过显示部分显示其频率，和波形。在设计时分块来做，按照波形设定， d/a转换，51单片机连接，键盘控制和显示五个模块的设计。最后通过联调 仿真，做出电路板成品。从而简化人机交互的问题，具体设计模块如图显示频率幅值11滅形 设定d/a转换51单片机显示（滅形tt键盘控制模块介绍：1 波形设定：对任意波形的手动设定2.d/a转换：主耍选用dac0832來把数字信号转换为模拟信号，在送入单片机进行处理。r2u24p25678910 cs 4.wr2 'l3cs wr1gnd di3di2di1 dio vref

9、rfbgnddac0832<t£xt>蟲wr214151617didid di0ut2i0ut120_.19仃 t16d445d5 .44d643d7 :42+i2v15k木h l;:二<? xt> 15k=t>t>- ；12v:a：0 -<text> .v: . 亠: 讨：；： ：7：；dl4cu“图1 da0832电路3单片机部分：最小系统ij1；clth-龄.'c2 -3jp :r&c31k佰-x1.134:te>：t：s-；3tr4.«k xtal1pottamjpo.1/ad1poawzxtal

10、2poak3po.wad4-poa&sp 口 jsad6rstpn?ad7p2iwgp2.v/8p2aofsbtp2a11alep2.4/a1z耳pzagpzjffaupz.7/a15p1dt2p3xyfv®pf.vtncp3.1ft>®pinp-ti'iwiup,二pinrrrp1.*p3.<rapispasnp1 jgp1.7p3.7/wdfltn37 w 35 ujm3*c5-h3ps=f f ""-rci?b倍空_fg_nnp.图2最小系统4键盘：用按键來控制输出波形的种类和数值的输入rp1ui<9>axf

11、al2n.ll:m.np>.rpillis pl.iirzx p»2pi 3pi ap«ap3ump2jia3 pzjiaio p23ah p2xai2 p2a«3 p2hai4p2.hai2ieurxdp3.»irwr33 w£d raarjrtraawrfa.nro-23d'9ard2430aqa学为r23e312692« 1：z23ga do 2mui=a亠鱼 ±tt±tfh哼 上二-oo_ r£xz图3按键电路5.显示部分：采用lcd显示波形的频率lcd1lm01bl * ,<

12、text>i】iiiiiiiiiiiiiiii.»co q ujac73 q lus 壬cdlcco 寸 s9r> > >qt cl uj qqqqqqqq1 a11 1l11 r-jco寸_ -ml1j9卜036otttc-jtcot寸tiai >iaaorixlu,ot(77co寸tlj9r-图 4 1602系统要求是便携式低功耗的，所以在硬件电路建立前首先粗略计算一 下整个系统所需的功耗。考虑单片机部分（有最小系统，d/a转换，键盘接口，扩展部分显示等部分）的功耗大小，机器体积小，价格便宜，耗电少，频率适屮,便于携带。硬件电路整体设计第三章硬件电路

13、整体设计3. 1基本原理复位电路lcd显示at89c51d/a转换芯片按键波形输出电流电压转 换电流信号发生器系统主要由cpu、d/a转换电路、电流/电压转换电路、按键和显 示电路、电源等电路组成。其工作原理为当按下第一个按键就会分别出现方波、锯齿波、三角波、正弦 波，并且lcd显示器波形数据和频率。3. 2资源分配 主控芯片采stc89c52； 采用12mhz的晶振器为89c52提供吋钟信号； 提供12v、-12v和5v电压; 对于89c52内存分配p1 口的p1.0-p1.4分别与五个按键连接，分别控制锯齿波、三角波、止弦波 和方波以及他们频率的调节和占空比，pl. 5-p1. 7以及p0

14、 口与lcd连接，p2 口 与dac0832的di0-di7数据输入端相连。p2 口的数据采用74ls373进行锁存后经 过dac0808进行d/a转换； 采用lcd 1602显示频率；8位d/a转换器采用dac080&运算放大器采用lm324。第四章 硬件模块设计4. 1复位电路复位屯路和时钟屯路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通 常分为两种：上电复位和手动复位。va>-hirstr1单片机gnd图5上电复位c2rqtvlllhr3s?rjxo丄swpblr2单片机图6手动复位有吋系统在运行过程屮出现程序跑飞的情况，在程序开发过程屮，经常需要 手动复位。所以本次设计

15、选用手动复位。42时钟电路高频率的吋钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。c1xtal13 opxti112.00mc2 nrxtal23 op图7吋钟屯路合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，木次设计选取12. 000m无源晶振接入xtal1和xtal2引脚。并联2个3opf陶瓷电容帮助起振。43最小应用系统单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括

16、:单片机、品振电路、复位电路.卜'面给出一个51单片机的最小系统电路图在智能化仪器仪表屮，控制核心均为微处理器，而单片机以高性能、高速度、 体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微 控制器。单片机结合简单的品体振荡电路和复位电路即可构成单片机最小系统, 它是智能化仪器仪表的基础，也是测控、监控的重要组成部分。4.4按键电路1.查询工作方式这种方式是直接在主程序中插入键盘检测子程序，主程序每执行一次，则键 盘检测子程序就对键盘进行检测一次。如果没冇键按下，则跳过键识别，直接执 行其他程序；如果有键按下，则通过键盘扫描了程序识别按键，得到按键的编码 值。然后根

17、据编码值进行相应的处理，处理完后再回到主程序执行。键盘扫描子程序流程如图所示。编码ta调用12ms延时子程序?判闭合键，编码入栈保护键盘扫描流程图2.中断工作方式如图所示，就是屮断工作方式，当有屮断的吋候，就去执行扫描程序,没有中断的时候，cpu tij*以去做其他的事情。这样可以提高cpu的效率。8051intor或1 p1f1p1円pjp1p1p1vcc图9键盘中断工作方式4. 5显示模块通过液晶1602显示输出的波形、频率，其电路图如下:lcd1lm01bl r<text> icd q lu二c/3 q ujc/3 >o r- cm co 寸 s9z> >

18、>iz (x lu qqqqqqqq1111 1l11 c-j03寸in9卜oj0ottcot寸t-iii aii i圧cllu,otc-4co寸9r-图10 1602接线如上图所示，1602的八位数据端接单片机的pl 口，其三个使能端rs、rw、 e分别接单片机的pl. 5-p1. 70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。4.6 d/a转换电路设计dac0832是cmos工艺制造的8位d/a转换器，属于8位电流输出型d/a转 换器，转换时间为lus,片内带输入数字锁存器。dac0832与单片机接成数据直 接写入方式，当单片机把一个数据写入dac寄存器时，dac0832

19、的输出模拟电压 信号随之对应变化。利用d/a转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、正弦 波、锯齿波等以及它们组合产生的复合波形和不规则波形。1. dac0832主要性能:输入的数字量为8位；采用cmos工艺，所有引脚的逻辑电平与ttl兼容；数据输入可以采用双缓冲、单缓冲和直通方式;转换时间：1us;精度:1lsb；分辨率：8位；单一电源：515v,功耗20mw；参考电压：-10+10v；dac0832内部结构资料:芯片内有两级输入寄存器，使dac0832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）。d/a转换结果采用电流形式输出。要

20、是需要相应的模拟信号， 可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通 过rfb端引用片内固冇电阻，述可以外接。该片逻辑输入满足ttl电压电平范围，可直接与ttl电路或微机电路相接，下 血是芯片屯路原理图图11 dac0832电路原理图如图3-20所示，待转换的8位数字量出芯片的8位数据输入线d0d7输入，经 dac0832转换后，通过2个电流输出端i0ut1和i0ut2输出，i0ut1是逻辑电平为 1 的各位输出电流之和，i0ut2是逻辑电平为0的各位输出电流之和。另外，ile、 茂、wr|、wr2和xfer是控制转换的控制信号。dac0832±8位输入寄存

21、器、8位dac寄存器和8位d/a转换电路组成。输入寄存 器和dac寄存器作为双缓冲，因为在cpu数据线直接接到dac0832的输入端时，数 据在输入端保持的时间仅仅是在cpu执行输出指令的瞬间内，输入寄存器可用于 保存此瞬间出现的数据。有吋，微机控制系统要求同时输出多个模拟量参数，此 时对应于每一种参数需要一片dac0832,每片dac0832的转换时间相同，就可采用 dac寄存器对cpu分时输入到输入寄存器的各参数在同一时刻开始锁存，进而同时 产生各模拟信号。控制信号ile、cs、wr用来控制输入寄存器。当ile为高电平，cs为低电 平，wri为负脉冲时，在le产生正脉冲；其屮le为高电平时

22、，输入寄存器的状态 随数据输入线状态变化，le的负跳变将输入数据线上的信息存入输入寄存器。控制信号wr2和xfer用来控制8位a/d转换器。当xfer为低电平，'用2输入 负脉冲吋，则在le产生正脉冲；其中le为高电平时，dac寄存器的输入与输出的 状态一致，le负跳变，输入寄存器内容存入dac寄存器。dac0832的数据输出方式在微机应用系统中，通常使用的是电压信号，而 dac0832输出的是电流信号，这就需要由运算放大器组成的电路实现转换。其屮 有输出电压各口极性固定的单位性输出和在随动系统中输出电压有止负极性的 双极性输出两种输出方式。3. dac 0832同cpu的连接微处理器

23、与dac0832之间可以不加锁存器，而是利用dac0832内部锁存器，将 cpu通过数据总线直接向dac0832输岀的停留时间很短的数据保存，直至转换结束。dac0832同cpu的接口如图所示.dac0832作为微处理器的一个端口，用地址 92h的选通作为氏和wr的控制信号，微处理器的写信号直接来控制xfer和wrj厶u2u3+2+vd2vv亠片cw15k汀2v1458 <text> *10 dac0832<text>2019.cs 4wr2342 54 60 7uovuuwr1ile(by1>fy2)gndwr2di3xferdi2di4dmdi5diodibv

24、refdi7i c 1 1 t*%rr bloutzgndi0ut1仃 t46d415d5 #140613d7 t1211l«r3r2+ 1215k<txt>u4r141sb-<text> 7k5<txt>-00图12 da0832接法c1xtal1xta12sp1itt2p1.1ft2b<p12p13pi.*p1sp1j6p1.7up:yec31uf _ _伙. 匸 tu1pdxyaca p0.1/ad1 pdauz pdata p 口处d pds/ad6 pdj&ad6 p0.7/aotbd卫b137uz35uj35ub33b6j

25、zur1-；3tpsbtaleattssrpzn*>gpz.1/8 pzzfxu pz3m pz.4/ag pzsag p2j&ah p2.7/aspmngp3.1hxcipz32/dejp3wttp3.4hd p3st1p3j&1顾p3.7/w图13单片机各接口4. 7原理图图14原理图4. 8 pcb图15 pcb封装4.9实物图图16实物图第五章软件设设第计5. 1软件总体设计应用系统中的应用软件是根据系统功能要求而设计的，能可靠地实现系统的 各种功能。一个优秀的应用系统的应具冇下列特点：(1) 根据软件功能要求，将系统软件分成若干个独立的部分。设计出软件的 总体结

26、构，使其结构清晰、流程合理。(2) 要树立结构化程序设计风格，各功能程序模块化、子程序化。既便于调 试、链接，乂便于移植、修改。(3) 建立正确的数学模型。即根据功能要求，描述各个输入和输出变量z间 的数学关系，它是关系到系统好坏的重要因素。(4) 为提高软件设计的总体效率，以简明、直观法对任务进行描述，在编写 应用软件之前，应绘制出程序流程图。(5) 要合理分配系统资源，包括rom、ram、定时数器、屮断资源等。(6) 注意在程序的有关位置处写上功能注释，提高程序的可读性。(7) 加强软件抗干扰设计，它是捉高系统应用可靠性的冇利措施。本系统的软件包括以卜几个程序模块：(1) 初始化程序；(2

27、) 显示程序;(3) 键盘扫描程序与处理程序；(4) 定时器0服务程序；(5) 止弦波发生程序及其服务程序；(6) 三角波发生程序；(7) 方波发生程序；(8) 锯齿波发主程序。5. 2源程序#include<reg52 h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit lcdrs=p2a5;sbit lcdrw=p2a6;sbit lcde=p2a7;sbit d=p2a7;sbit sl=p2a0;sbit s2=p2al;sbit s3=p2a2;sbit cs=p3a5;sbit wr=p3a6;uchar

28、 s lnum, a, ys, j;uint fre;void delay (uint z)uint i, j;for (i=z; i>0; i-)for (j=110; j>0; j);void delayl (uint y)uint i;for (i=y; i>0; i-);uchar code tos in 256=0x80,0x82, 0x85,0x88, 0x8b,0x8e,0x91,0x94,0x97,0x9a,0x9d,0xao, 0xa3, 0xa6,0xa9, oxac, oxaf, 0xb2, 0xb6, 0xb9, oxbc, oxbf, 0xc2, 0

29、xc5, 0xc7, 0xca,oxcc,oxcf,oxdl, 0xd4, 0xd6, 0xd8, oxda, oxdd, oxdf, oxel, 0xe3, 0xe5, 0xe7, 0 xe9,oxea,oxec,oxee,oxef,oxfl,0xf2,oxf 4,oxf5,oxf 6,0xf7,0xf8,0xf9,oxfa,0 xfb,oxfc,oxfd,oxfd,oxfe,oxff,oxff,oxff,oxff, oxff, oxff, oxff, oxff, oxff, 0 xff,oxff,oxff,oxfe, oxfd, oxfd, oxfc, oxfb, oxfa, oxf9,

30、oxf8, oxf7, oxf6, oxf5, 0 xf4,0xf2,oxfl,oxef,oxee,oxec,oxea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,oxel,oxde,oxdd,0 xda,0xd8,0xd6,0xd4,oxdl,oxcf,oxcc,oxca,0xc7,0xc5,0xc2,oxbf,oxbc,oxba,0 xb7,0xb4,oxbl,oxae,oxab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c, 0x99, 0x96, 0x93, 0x90, 0 x8d,0x89, 0x86,0x83, 0x80,0x80, 0x7c, 0x79, 0x76, 0x72,

31、0x6f, 0x6c, 0x69, 0x66, 0x63, 0x60, 0 x5d,0x5a, 0x57, 0x55, 0x51, 0x4e, 0x4c, 0x48, 0x45, 0x43, 0x40, 0x3d, 0 x3a,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,oxle,oxlc,0 xla,0x18,0x16,0x15,0x13,oxll,0x10,oxoe,oxod, oxob, 0x0a, 0x09, 0x08, 0x07, 0 x06, 0x05,0x04,0x03, 0x02, 0x02, 0x01, 0x0

32、0, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,0x00, 0x00, 0x01, 0x02, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0a,oxob,oxod, oxoe, 0x10, oxll, 0x13, 0x15, 0x16, 0x18, oxla,oxlc,oxle,0 x20, 0x22, 0x25,0x27, 0x29, 0x2b, 0x2e, 0x30, 0x33, 0x35, 0x38, 0x3a, 0x3d, 0x40, 0x43, 0x45, 0x4

33、8,0x4c, 0x4e, 0x51, 0x55, 0x57, 0x5a, ox5d, 0x60, 0x63, 0x66, 0x69, 0 x6c,0x6f,0x72,0x76,0x79, 0x7c, 0x80;void write_com(uchar com)lcdrs=o;lcdrw = 0;p0=com;/ /写指令操作delay (10);lcde=l;delay (10);lcde=0;delay (10);void write-data(uchar date)lcdrs=l;lcdrw = 0;p0=date;/写数据操作delay (10);lcde=l;delay (10);l

34、cde=0;delay (10);void ini t ()lcdrw=0;lcde=0;wr=0;cs=0;write-com (0x38); (0x0c); (0x06); (0x01); (0x80+0x00);write-data (0x77);/写 wavewrite-data (0x61);write-data (0x76);write.data (0x65);write.data (0x3a);write_com(0x80+0x40);/写 fwrite.data (0x66);write.data (0x3a);void wr i te_f (uint date) /写频率uc

35、har qian, bai, shi, ge;qian= date/1000;bai= (date/100) %10;shi= (date/10) %10;ge= date%10;wri te_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);void xsf ()/显示频率if (slnum=l)(fre= (1000/ (9+3*ys);wri te.f (fre)

36、;if (slnum=2)(fre= (100000/ (3*ys);wri te.f (fre);if (slnum=3)(fre=(1000/ (15+3*ys);wri te.f (fre);void keyscanf ()(d=0;if (sl=0)delay (20);if (sl=0)while (!si);slnum+;if(slnum=l)ys=0;(0x80+0x05);/写 sine:write-data (0x73);write.data (0x69);write-data (0x6e);write.data (0x65);write.data (0x20);write.

37、data (0x20);if (slnum=2)ys=10;write-com(0x80+0x05);write-data (0x73);/写 squraewrite-data (0x71);write_data (0x75);write.data (0x61);write-data (0x72);write-data (0x65);if (slnum=3)ys=0;write-com(0x80+0x05);/写 trainwrite.data (0x74);write_data (0x72);write.data (0x61);write.data (0x69);write-data (0x

38、6e);write.data (0x20);if (slnum=4)slnum=o;p0=0;(0x80+0x05);write.data (0x20);write-data (0x20);write_data (0x20);write.data (0x20);write-data (0x20);write.data (0x20); (0x80+0x42);write_data (0x20);write.data (0x20);write-data (0x20);write.data (0x20);write.data (0x20);write_data (0x20);if (s2=0)delay (20);if (s2=0)while (!s2);ys+;if