数字信号发生器课程设计

1、数字信号发生器的设计摘要信号发生器也叫做振荡器或是信号源，在现在的科技生产实践中有着广泛而重耍的 应用。现在的特殊波形发生器在价格上不够经济，有些昂贵。而基于at89c51单片机 的函数信号发生器可以满足此要求。根据傅里叶变换，各种波形均可以用三角函数的相 关式子表示出来。函数信号发生器能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波、方 波和正弦波。本文通过在单片机的外围加上键盘，控制波形的种类和输出频率的大小，加上led 显示出和应信息。单片机输出为数字信号，于是在输出端用dac0832进行d/a转换， 再通过两级运放对波形进行调整。最终在示波器上显示出来。关键词：信号发生器，at89c51,

2、d/a转换，波形调整目录1绪论11课题研究背景11.2波形介绍12系统设计32方案选择32.2框图设计32.3单片机模块42.4按键控制与显示电路设计62.5 d/a转换电路72.6显示电路92.7放大电路设计122.8整体的电路原理图132.9元件清单133软件设计153程序流程图153.2程序代码154系统仿真及调试184.1系统仿真图184.2系统调试19总结21致谢22参考文献231绪论 1.1课题研究背景随着经济与科技不断发展，相应的测试仪器与手段也冇了许多改善与提高，但是对 z要求也不断提高。波形发生器的信号已知，使用者然后根据具体的耍求，将其作为激 励源，测得感兴趣的参数。信号源

3、仿真各种测试信号，给待测屯路，从而满足现实需求。 信号发生器在仿真实验占有重要地位，对于测试仪器来说也同样不可缺少。因此对相关 信号发生器的研究开发有着一定的意义。传统的信号发生器电路复杂，控制灵活度不够，成本也相对较高。虽然我国所研制 的波形发生器在一定程度上已有了一些成果，但与国外技术确实还存在一定差距，因此 很冇必要提高相关方面的研究。利用单片机的控制灵活性，外设处理能力强等特点，实现频率与幅度可调的多种波 形，这就克服了传统的缺点，具有良好的实用性。同时根据程序的易控制性，可以容易 实现各种较复朵的调频调幅功能。1.2波形介绍正弦波，正弦信号可用如下形式表示f(t)=asin( 3 /

4、+ 0 )(1 )英屮，a为振幅，3是角频率，0为初相位。正弦函数为一周期信号如下图1所示:方波方波函数是我们常用且所熟知的简单波形函数，做脉冲等，其表示形式如门r a（°“于）/（）= . t 2 （2）2方波波形如图2。图2图形当方波下半段幅值为0吋，就为矩形波，一个原理，所以不再赘述矩形波。锯齿波，锯齿波如图3所示。三角波，三角波波形如下图4所示。2系统设计2.1方案选择方案一：利用单片的函数发生器的传统方式，比如8038就行。它可很容易地产生 止弦波和方波等波形，而后用数/模转换器对电压进行调制，也可以用数字调控对频率实 现改变，但这种方法产生频率不稳定。方案二：采用频率合成

5、器，锁相环式的。对于所选择的频率，用vco （压控振荡 器）加以选定。这种方法较第一种性能上好，但是对于频率的输出范围难以达到。而且 冇一个特点，即电路较为复杂。方案三：可以利用单片机编程的方法来实现波形的输出。可选用at89c51作为控 制器，输出相应波形的数字信号，再用d/a转换器输岀相应波形的模拟信号。用dac0832 作为d/a转换器，再经过两级放大后输出，最终在示波器上显示。可以使用按键扫描来 实现波形的变化。由于方案一的输出信号的频率不稳定述冇二方案的电路较为复杂，频率可调范围难 以达标等缺点，所以决定采用方案三的设计方法。方案三的设计用软件可以很方便的实 现对駛件的控制，输出需要

6、的波形。而且方案三中涉及的器件都是容易得到而且价格较 为便宜的，所以价格上也有优势。2.2框图设计基于at89c51单片机的函数信号发生器由电源电路、单片机主控电路、信号输出电路和按键控制电路四部分组成，整体设计框图如图5所示图5函数信号发牛器系统图at89c51单片机是整个函数信号发生器的主控部分，通过电脑对程序改写，可以产 生不同波形，也可对同种波形的频率幅度进变换。当单片机输出数字信号经过转换电路 后输岀相应模拟信号。上图中输出电路包涵转换电路与整波电路。图6为函数信号发生 器的原理图。图6信号发生器原理框图2.3单片机模块2.3.1单片机最小系统8051片内有4kb的rom/eprom

7、,因此只需要外接晶振电路和复位电路就可以构成最小系统了，如图7所示。121314151617xellxim2rst eawp psen alep3.0rdp3d/txd p3.24mo p3.3anh p3.4top3.5t1 p3.6mr p3.7aovccpooado p0.1/ad1po.2/ad2po.3/ad3po.4/ae4p03ad5pq6ad6p0.7/ad7pi.qt2p1.1/i2exp2(ya8p21/a9 p2.2/a10 p23a11 p2.4/a12lbsn74ls138n20p2.5/a13p2&a14vssp27/a15s1s2s3sip2.40_393

8、83736353431_322_3_-45一6_-7_8一2122乃242526刀28p80c32ubpn图7单片机最小系统该最小系统的特点如下：(1) 由于片外没冇扩展存储器和外设，po、pl、p2、p3都可以作为用户i/o 接口使用。(2) 片内数据存储器有128b,地址空间为ooh7fh,片外没数据存储器。(3) 片内有4kb的程序存储器，地址空间为0000h0fffh,没有偏外存储器，ea 应接高电平。(4) 可以使用两个定时/计数器to和t1, 一个全双工的串行通信接口，5个中断 源。晶振电路工作原理及应用单片机冇18、19两引脚。分别为xtal1和xtal2。单片机采取内部振荡电路

9、时, 将这两引脚接石英晶体与微调电容。此设计采用的是12m品振和两个30pf的电容。在 芯片内部结构中，xtal1和xtal2引脚是一反相放人器的两个输入端，构成单片机内 部振荡器。同样，根据需要不同，也可采用外部吋钟方式。木次设计采用内部吋钟方式。vta t图8时钟电路单片机复位屯路工作原理及应用计算机在启动运行吋都需要复位，复位是使屮央处理器cpu和内部其他部件处于 一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。89c51单片机有一个复位引脚rst,高 电频冇效。在时钟电路工作以后，当外部电路使得rst端出现2个机器周期以上的高 电平后系统就会内部复位。我们采用按键复位方式。如图9所示。图9按钮

10、复位电路2.4按键控制与显示电路设计本次设计共设计了 4个按键,分别为开关si、s2、s3和s4。分别接单片机的p3.0、 p3.1、p3.3、p3.4 口。s1用来控制输出波的类别，每按一次，切换到另一个波形；s2 与s3则调节输出波形频率的增减，按s2时，输出平率增加，而s3则减小；s4则用来 显示波形的种类与频率的大小。如图10所示。pudtmu p0.vad1 pu2/m2 pu3tm3 pci .4/ad< pqsms po&rdg p 口 .7/ad7pnjdwsp2.1/a9 pzaid p23tmi p2.4/a12 p2<va13 p2&m p2.

11、7/a1sp3iyhxdp3.1hxd p3nttt p3nmp3.4/t0 p3stt1 paj&fnnr pm/ivo"37pqz f3835p0<pq5 '33pck '3zfspcdplji21z25zr云1dtt12图10按键电路2.5 d/a转换电路d/a转换器经常用于信号发生器的设计中，通过它可以生成各种波形。其基本原理 如下：利用d/a转换器输出模拟量与输入数字量成正比这一特点，通过程序控制cpu 向d/a转换器送出随时间成一定规律变化的数字，则d/a转换器输出端就可输出随时 间按一定规律变化的波形。2.5.1 d/a转换的必要性d/a是

12、先把数字量转换成模拟量，在单片机设计屮经常用到。众所周知，单片机输 出信号为数字量，而本设计旨在输出各种波形，属模拟量，所以单片机的数字量必须经 过d/a的转换变为模拟信号才能满足耍求。2.5.2 dac0832的特性及应用dac0832是一个8位的d/a转换器，为dac0830的一种。dac0832内部主要由 8为输入寄存器、8位dac寄存器、8位d/a转换器和控制逻辑屯路组成。由于dac0832 与单片机接口方便，其转换与控制较易实现，所以在实际工作中有其重要的作用，使用 的也较为频繁。其内部结构及引脚图如图11所示。uref 【0ut2 【0ut1rfbagnd图11 dac0832的内

13、部结构uccdgnd12345678910dirfcsagndd3d2dourefdgnddac 083220191817161514131211uccilexferd6io2lold4d5d7图12daco832的引脚图daco832是d/a转换器的一类，属电流型，所以后耍跟着i/v转换。数字输入端 口j以有单缓冲、双缓冲或直通方式输入。当引脚wr1、wr2、cs、xfer直接接地时,ile接电源，daco832处于直通工作方式。这种状态下，有输入就立即有输出，处理方式简单，但只能通过独立的i/o接 口连接。当连接ile、wr1、腋2、cs和xfer引脚，使得两锁存器分别工作在直通与受 控状

14、态，或者两个同事被控制，则dac0832处于单缓冲工作方式1。只要数据dac0832 写入8位输入锁存器，就立即开始转换。双缓冲方式即将对8位dac寄存器与对锁存器的控制分开进行，占用的i/o 口相 对较大。根据以上分析，此次设计选取单缓冲方式。如图13所示。jquti地址译码器图13 dac0832单缓冲方式的连接2.6显zf电路显示电路分为3部分，分别为led灯显示，led数码管显示，最后还有示波器显 示。 led灯显示本次设计共用了 4个led灯，分别表示示波器上显示了对应的波形，单片机的 p2. 4p2. 7分别控制相应灯的亮灭。屯路图如图14所示。vgc图14电路图 led数码管显示

15、本次led数码管的作用是用來显示相应输出信号的频率。led数码管显示电路尽管其所能显示的信息简单，但由于其清晰、亮度高使用吋间 长和所需电压要求低等优势，在单片机应用中有着应用频率较高。led数码管显示器是简单地发光二级管按特定的电路连接起来的显示性器件。而我 们在一些单片机设计中常用的是8段式的led数码管显示器，其分为两类，共阴和共阳 之分。其结构如图所示。本次设计采用共阴方式。e d com c dpdpodp外形和引脚共阳极结构gnu com共阴极结构图15 led数码管结构图常用数字和字符的编码如下表:表1常川宁段编码表显示字符共阴极字段码共阳极字段码显示字符共阴极字段码共阳极字段码

16、03fhcohc39hc6h106hf9hd5eha1h25bha4he79h86h34fhbohf7ih8eh466h99hp73h8ch56dh92hu3ehc1h67dh82ht3ihceh707hf8hy6eh91h87fh80hl38hc7h96fh90h8.ffh00ha77h88h“灭，00ffhb7ch83hled数码管在显示的方式上有动态显示和静态显示两种方法。当led静态显示时，公共端接地或接电源，根据共阴述是共阳决定。但每一段的段 选段都要与i/o接口连接。这种方式结构简单，程序也简单易理解。但缺点也因此点而 來，一个数码管就要8个i/o 口，数码管若多有几个，则就会占用

17、很多i/o 口。而当led采取动态显示吋，是将所有数码管的段选段并接在一起的，用公共的i/o 控制端，公共端不接地或是电源，而是连接i/o 口，实现位选，即选取那个数码管亮， 几个数码管轮流显示相应信息，这样不断循环。根据人限短暂滞留性，当循环周期足够 快时，看着就像几个一起显示的。此种方式优点是所用i/o 口少，线路较简单，但软件 与cpu的占用较大。一般当所用led显示器的个数少吋用静态显示。反之则用动态显示。木次设计采取 了动态显示的方案完成显示工作。led动态显示方式如图16所示。1/0(1)1/0(2)图16 led动态显示2.7放大电路设计可知，单片机出来的信号经d/a转换后的模拟

18、信号也只是电流信号，所以要将次电 流信号转换为电压信号。于是，需加上双极性转化电路。此电路需要两个放大器，若干 电阻，英具体电路如图17所示。12 8 9 7 n 11 ncswriwr2ile嚴7654 6 543<! <1 «1 «101234 5 67 i i n n i* il i i dddddddd2iooutvddvrefrfb1out1 /1out2 dac0832图17双极性转化电路图中第一个放大器的作用是将输出的电流信号传换成电压信号，第二个运算放大器和两电阻组成的是方向加法器。2.8整体的电路原理图6009222创二口 创二匚i 邑.创二i

19、二i合=耳4!'§创二口cm*2y.22122r-><£ri氏匚sess2sss§ § § § y一diis-iso3s dm 4d iss a 25&sas2ssffi §52si£ £iiiid12jm20 £1i8£i1fr1isii1igi11i1i-;一2.9元件清单ay电"i 口 6 j 一 自二图18整体仿真电路表2元器件元件名称型号数竝/个用途单片机at89c511主控芯片品振12mhz1晶振电路电容30pf2晶振电路电解电容10u

20、f1复位电路电阻10k欧1复位电路开关button1复位电路开关button4选择输出集成块dac08321d/a转换集成块lm3582运放电路集成块74ls5731驱动电路数码管共阴、蓝色1显示电路电阻10k欧、7k欧2运放电路滑动变阻器10k欧1运放电路电源+5v1提供电源排阻lk1显示电路发光二级管红色4显示电路3软件设计3.1程序流程图图19程序流程图3.2程序代码正弦波的代码可分为256个数值，相应时段付相应值，这样既可产生模拟的正弦波形，代码如下sm256= (0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x?c,0x9f,0xa2,0

21、xa5,0xa8,ox ab,0xae,0xbl,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf0xc2,0xc5,0xc7,0xc a,0xcc,0xcf0xdl ,0xd4,0xd6,0 xd8,0xda,0xdd,0xdf0xel,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef；0xfl,0xf2,0xf4,0xf5,0 xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xf0xfr,0xf0xf0xff,0xff；0xff,0xff,0xf f,0xff,0xf0xff,0xfe,0xfd,0xfd,0

22、xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf:l,0xf2,0xfl,0xe fi0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xel,0xde,0xdd,0xda,0xd8,0xd6,0xd4,0xdl,0xcf；0x cc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xbl,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x.?f0 x?c,0x99,0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,0x80,0x7c,0x79,0x76,0x7

23、2,0x6f',0x6 c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5 a,0x57,0x55,0x5 l,0x4e,0x4 c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d, 0x.3a,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1 e,oxl c,oxl a,0xl 8,ox 16,0xl5,0xl3,0xll,0xl0,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x0&0x07,0x06,0x060x04,0x03,0x0 2,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00

24、,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02 ,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x.0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x 11,0x13,0x15 ,0x16,0x18,ox.l a,ox.l c,0x1 e,0x20,0x22,0x25,0x27,0x29,0x2b,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0 x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x4&0x4c,0x4e ,0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,

25、0x63,0x66 ,0 x69,0x6c,0x6£0x72,0x76,0x79,0x7c,0x80 );正弦波码卩单片机输出正弦波三角波方波等信号的程序如下：按键s1按一下，输出止弦波ifffun=l) 32da0832=tosmb;卄按键si按两下，输出三角波else if(fun=2)2if(c<128)da0832=c*2 elseda0832=(255-c)*2 www、*申屮按键si按三下，输出方波else if(fun=3)vv7if(d<=128)da0832=0x00else da0832=0xff;www*/按键si按4下，输岀锯齿波else if(f

26、un=4)已+屮da0832=e;频率显示部分：当按键s4按下后，显示频率，频率计算公式为th0=(65535-temp)/256;tl0=(65535-temp)%256;/temp定义为定时器定义时间f= (int)(1000000/(temp*256); /f 为频率频率控制部分：根据按键控制temp的值，频率就会增大或减小。4系统仿真及调试4.1系统仿真图正弦波如下图20所示。图20仿真正弦波形三角波如下图21所示。图21仿真三角波形方波波形如下图22所示。图22仿真方波波形锯齿波波形如下图23所示。图23仿真锯齿波波形4.2系统调试本次设计是函数信号发生器，所以所用元器件尽量与理论的器件相符，这样是为 使谋差尽量减小。我们知道单片机的硬件调试与软件调试是分不开的。信号没有输出 是冇很多方面的，许多硬件错误是可以结合微调软件程序发现和纠正的。但是，从本 次设计的调试过程屮，可以发现硬件调试是最为重要和基础的。因为若存在明显的硬 件错误根本就不会有任何显示结果，更别谈软件的调试了。硬件调试主要目的是把电路中各参数值调整到最设计的理想要求。最开始就是 要先确保设计的止确性。其次就是排除小障碍，优化电路。参数值的取舍，短路断 路虚焊等单片机是本次设计的核心，一定要确保其连接的正确性。比如接电源的40脚是 否为+5v,晶振是否作用，复位脚r