单片机多功能函数信号发生器设计毕业设计.docx
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1、毕业论文题 目单片机掌握多功能信号发生器学生姓名学号系部电子工程系专业应用电子技术班级指导教师参谋教师I 绪论摘 要本文介绍一种用 AT89C51 单片机构成的波形发生器,可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波等多种波形,波形的周期可用程序转变,并可依据需要选择单极性输出或双极性输出,具有线路简洁、构造紧凑、性能优越等特点。文章给出了源代码,通过仿真测试,其性能指标到达了设计要求。关键词:单片机;DAC;信号发生器I目 录目 录摘 要I目 录II第一章 绪论11.1 单片机概述11.2 信号发生器的分类11.3 争论内容1其次章 方案的设计与选择22.1 方案的比较错误!未定义书签。2.2 设计原
2、理32.3 设计思想错误!未定义书签。2.4 设计功能错误!未定义书签。第三章 硬件设计错误!未定义书签。3.1 硬件原理框图错误!未定义书签。3.2 主控电路错误!未定义书签。3.3 数、模转换电路错误!未定义书签。3.4 按键接口电路错误!未定义书签。3.5 时钟电路错误!未定义书签。3.6 显示电路错误!未定义书签。第四章 软件设计4II目 录4.1 程序流程图错误!未定义书签。第五章 总结与展望8致 谢10参考文献19附录 1 电路原理图错误!未定义书签。附录 2 源程序19III 绪论第一章 绪论1.1 单片机概述随着大规模集成电路技术的进展,中心处理器(CPU)、随机存取存储器(R
3、AM)、只读存储器(ROM)、(I/O)接口、定时器/计数器和串行通信接口,以及其他一些计算机外围电路等均可集成在一块芯片上构成单片微型计算机,简称为单片机。单片机具有体积小、本钱低,性能稳定、使用寿命长等特点。其最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中,这是其他计算机和网络都无法做到的9,10。1.2 信号发生器的分类信号发生器应用广泛,种类繁多,性能各异,分类也不尽全都。依据频率范围分类可以分为:超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。依据输出波形分类可以分为:正弦信号发生器和非正弦信号发生器,非正弦信号发生器又包括:脉冲信号
4、发生器,函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。依据信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在肯定范围内连续可调, 并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器5。1.3 争论内容本文是做基于单片机的信号发生器的设计,将承受编程的方法来实现三角波、锯齿波、矩形波、正弦波的发生。依据设计的要求,对各种波形的频率和幅度进展程序的编写,并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序运行中,当接收到来自外界的命令
5、,需要输出某种波形时再调用相应的中断效劳子程序和波形发生程序,经1 目 录电路的数/模转换器和运算放大器处理后,从信号发生器的输出端口输出。2 方案的设计与选择其次章 方案的设计与选择2.1 方案的比较方案一:承受单片函数发生器如 8038,8038 可同时产生正弦波、方波等,而且方法简洁易行,用 D/A 转换器的输出来转变调制电压,也可以实现数控调整频率,但产生信号的频率稳定度不高。方案二:承受锁相式频率合成器,利用锁相环,将压控振荡器VCO的输出频率锁定在所需频率上,该方案性能良好,但难以到达输出频率掩盖系数的要求,且电路简单。方案三:承受单片机编程的方法来实现。该方法可以通过编程的方法来
6、掌握信号波形的频率和幅度,而且在硬件电路不变的状况下,通过转变程序来实现频率的变换。此外,由于通过编程方法产生的是数字信号,所以信号的精度可以做的很高。鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二的电路简单,频率掩盖系数难以达标等缺点,所以打算承受方案三的设计方法。它不仅承受软硬件结合,软件掌握硬件的方法来实现,使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证,而且它使用的几种元器件都是常用的元器件,简洁得到,且价格廉价,使得硬件的开销到达最省1,7。2.2 设计原理数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号,因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。 89C51 单片机本身就是一个完
7、整的微型计算机,具有组成微型计算机的各局部部件:中心处理器 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,只要将 89C51 再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指示灯及其接口等四局部,即可构成所需的波形发生器,其信号发生器构成原理框图如图 2.1 所示2。89C51单片机输出接口电路D/A转换器滤波放大图 2.1 信号发生器原理框图2 方案的设计与选择89C51 是整个波形发生器的核心局部,通过程序的编写和执行, 产生各种各样的信号,并从键盘接收数据,进展各种功能的转换和信号幅度的调整。当数字信号经过接口电路到达转
8、换电路,将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。2 方案的设计与选择2.3 设计思想(1) 利用单片机产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形,信号的频率和幅度可变。(2) 将一个周期的信号分别成 256 个点按X 轴等分,每两点之间的时间间隔为DT,用单片机的定时器产生,其表示式为:DT=T/256。假设单片机的晶振为 12MHz,承受定时器方式 0,则定时器的初值为:定时时间常数为:(2.1)X=213 DT/TmecTL =8192 DT/MOD256 (2.2)(2.3)MOD32 表示除 32 取余数TH=(8192DT)/256(3) 正弦波的模拟信号是 D/A 转换器的模拟量
9、输出,其计算公式为:(2.5)Y=A/2sin D t+A/2(其中A=VREF) (2.4)Dt=N DT(N=1256)那么对应着存放在计算机里的这一点的数据为:Di = (Y 255) / A =(sin Dt +1) 255 22.64一个周期被分离成 256 个点,对应的四种波形的 256 个数据存放在以 TAB1-T AB4 为起始地址的存储器中。2.4 设计功能(1) 本方案利用 8155 扩展 8 个独立式按键,6 个 LED 显示器。其中“S0”号键代表方波输出,“S1”号键代表正弦波输出, “S2”号键代表三角波输出,“S3” 号键代表锯齿波输出。2 方案的设计与选择(2)
10、 “S4”号键为 10Hz 的频率信号,“S5”号键为 100Hz 的频率信号,“S6”号键为 500Hz 的频率信号,“S7”号键为 1KHz的频率信号,6 个LED 显示器输出信号的频率值,选用共阳极 LED。(3) 利用两片DAC0832 实现幅度可调的信号源,其中一片用来调整幅度,另外一片用来实现信号源的输出。4频率范围:101000Hz。5输出波形幅度为 05V。2 硬件设计第三章 硬件设计3.1 硬件原理框图硬件原理方框图如图 4.1 所示。显示电路单数/模转换电路放大电路片键盘电路机复位电路波形输出图 4.1 硬件原理框图3.2 主控电路AT89C51 单处机内部设置两个 16
11、位可编程的定时器/计数器 T0 和T1,它们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及 4 种工作模式。在波形发生器中,将其作定时器使用,用它来准确地确定波形的两个采样点输出之间的延迟时间。模式1 承受的是16 位计数器, 当 T0 或 T1 被允许计数后,从初值开头加计数,最高位产生溢出时向CPU 恳求中断。中断系统是使处理器具有对外界异步大事的处理力量而设置的。当中心处理器 CPU 正在处理某件事的时候外界发生了紧急大事, 要求 CPU 暂停当前的工作,转而去处理这个紧急大事。在波形发生器中,只用到片内定时器计数器溢出时产生的中断恳求,即是在AT89C51 输出一个波形采样点信号后,接着启动
12、定时器,在定时器未产生中断之前,AT89C51 等待,直到定时器计时完毕,产生中断11 硬件设计恳求,AT89C51 响应中断,接着输出下一个采样点信号,如此循环产生所需要的信号波形6。如图 3.2 所示,AT89C51 从P0 口接收来自键盘的信号,并通过P2 口输出一些掌握信号,将其输入到 8155 的信号掌握端,用于掌握其信号的输入、输出。假设有键按下,则在读掌握端会产生一个读信号,使单片机读入信号。假设有信号输出,则在写掌握端产生一个写信号,并将所要输出的信号通过 8155 的 PB 口输出,并在数码管上显示出来。11 硬件设计图 3.2 主控电路图3.3 数/模转换电路由于单片机产生
13、的是数字信号,要想得到所需要的波形,就要把数字信号转换成模拟信号,所以该文选用价格低廉、接口简洁、转换掌握简洁并具有 8 位区分率的数模转换器 DAC0832。DAC0832 主要由 8 位输入存放器、8 位DAC 存放器、8 位D/A 转换器以及输入掌握电路四局部组成。但实际上,DAC0832 输出的电量也不是真正能连续可调,而是以其确定区分率为单位增减,是准模拟量的输出。DAC0832 是电流型输出,在应用时外接运放使之成为电压型输出。由图 3.3 可知,DAC0832 的片选地址为 7FFFH,当P25 有效时, 假设 P0 口向其送的数据为 00H, 则 U1 的输出电压为 0V;假设
14、 P0 口向其送的数据为 0FFH 时, 则 U1 的输出电压为-U51V+.U 2故+当U 3 U=10输出电R1R2R3压为 0V 时,由公式得:Vout= - 5V.当输出电压为- 5V 时,可得:Vout= +5V,所以输出波形的电压变化范围为- 5V+ 5V. 故可推得,当P0 所送数据为 80H 时,Vout为 0V4。12 硬件设计图 3.3 数模转换电路3.4 按键接口电路图 3.4 为键盘接口电路的原理图,图中键盘和 8155 的 PA 口相连,AT89C51 的 P0 口和 8155 的 D0 口相连,AT89C51 不断的扫描键盘,看是否有键按下,如有,则依据相应按键作出
15、反响。其中“S0”号键代表方波输出,“S1”号键代表正弦波输出,“S2”号键代表三角波输出。 “S3”号键代表锯齿波输出,“S4”号键为10Hz 的频率信号,“S5”号键为 100Hz 的频率信号,“S6”号键为 500Hz 的频率信号,“S7”号键为 1KHz 的频率信号3。图 3.4 按键接口3.5 时钟电路8051 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 4.5 所示。电容 C1、C2 对振荡频率有稳定作用,其容量的选择为 30pf, 振荡器选择频率为 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
16、间为几微秒,故延时时间还要加上指令时间才能获得较大的频率波形9。12 硬件设计图 3.5 时钟电路13 硬件设计3.6 显示电路显示电路是用来显示波形信号的频率,使得整个系统更加合理,从经济的角度动身,所以显示器件承受 LED 数码管显示器。而且LED 数码管是承受共阳极接法,当主控端口输出一个低电平后,与其相对应的数码管即变亮,显示所需数据。其器件模型如图 4.6 所示。图 3.6LED 显示电路13 软件设件第四章 软件设计4.1 程序流程图本文中子程序的调用是通过按键的选择来实现,在取得按键相应的键值后,启动计时器和相应的中断效劳程序,再直接查询程序中预先设置的数据值,通过转换输出相应的
17、电压,从而形成所需的各种波形。主程序的流程图如图 4.1 所示,在程序开头运行之后,首先是对 8155 进展初始化,之后推断信号频率值,如符合所需的频率,则重置时间常数,并通过显示器显示出来,不符则返回。在中断完毕后,还要来推断波形是否符合,如符合,则显示其频率,不符则返回,重推断。15 软件设件图 4.1 主程序流程图15 软件设件图 4.2 为各波形子程序的流程图。如下图,在中断效劳子程序开头后,通过推断来确定各种波形的输出,当推断选择的不是方波后,则转向对正弦波的推断,如此反复。假设选择的是方波, 则用查表的方法求出相应的数据,并通过 D/A 转换器将数据转换成模拟信号,形成所需波形信号
18、。图 4.2 子程序流程图16 软件设件16 总结与展望第五章 总结与展望这种基于单片机的信号发生器已经展现出很好的性能,而且有着很高的性价比。此外,它产生的波形与模拟电路的波形相比,波形有着更好的平滑性,其周期性也更加稳定。已经越来越多的应用到各种电子设备当中,给人们的日常生活带来了便利。在论文中简洁介绍了它的用途和进展趋势,依据它的一些根本学问,依据自己的想法设计了一类信号发生器,具体包括了设计方案以及相关参数的选取和计算,依据工作根本原理参加了一些相关的关心电路,并编写了相关的应用程序。有些指标还有待于进一步提高。例如,在精度及其它功能的扩展上还有较大的潜力可以挖掘,这些都有待于我们通过
19、对电路的改进和对元器件的最正确选择来进一步完善。而且由于本人所学学问有限,很多学问点的学习不够深刻,我会在以后的学习中更加踏实、认真的学好各个学问点。16 总结与展望致 谢时间匆忙如流水,转瞬便是大学毕业。人最贵重的年华有几个三年,在这里我度过了让我真正成长成熟的三年,记得刚进学校是我是多么的无助与生疏,三年的异地大学生活使我变的成 熟,坚强和独立。在论文马上完成之际,我的心情无法安静,从开头进入课题到论文的顺当完成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请承受我真诚的谢意!感谢我的全部任课教师,他们严谨细致、认真讲解,他们循循善诱的教育和不拘一格的思路赐予我无尽的启迪。感谢我大
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