數(shù)字信號發(fā)生器課程設(shè)計

1、課程設(shè)計說明 第II頁 數(shù)字信號發(fā)生器的設(shè)計摘 要信號發(fā)生器也叫做振蕩器或是信號源，在現(xiàn)在的科技生產(chǎn)實踐中有著廣泛而重要的應(yīng)用?，F(xiàn)在的特殊波形發(fā)生器在價格上不夠經(jīng)濟，有些昂貴。而基于AT89C51單片機的函數(shù)信號發(fā)生器可以滿足此要求。根據(jù)傅里葉變換，各種波形均可以用三角函數(shù)的相關(guān)式子表示出來。函數(shù)信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波、方波和正弦波。本文通過在單片機的外圍加上鍵盤，控制波形的種類和輸出頻率的大小，加上LED顯示出相應(yīng)信息。單片機輸出為數(shù)字信號，于是在輸出端用DAC0832進行D/A轉(zhuǎn)換，再通過兩級運放對波形進行調(diào)整。最終在示波器上顯示出來。關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器, A

2、T89C51,D/A轉(zhuǎn)換,波形調(diào)整目錄1 緒論11.1 課題研究背景11.2 波形介紹12系統(tǒng)設(shè)計32.1方案選擇32.2框圖設(shè)計32.3單片機模塊42.4按鍵控制與顯示電路設(shè)計62.5 D/A轉(zhuǎn)換電路72.6 顯示電路92.7 放大電路設(shè)計122.8整體的電路原理圖132.9元件清單133軟件設(shè)計153.1程序流程圖153.2程序代碼154系統(tǒng)仿真及調(diào)試184.1系統(tǒng)仿真圖184.2系統(tǒng)調(diào)試20總 結(jié)21致 謝22參考文獻23課程設(shè)計 第 23頁1 緒論1.1 課題研究背景隨著經(jīng)濟與科技不斷發(fā)展，相應(yīng)的測試儀器與手段也有了許多改善與提高，但是對之要求也不斷提高。波形發(fā)生器的信號已知，使用者然

3、后根據(jù)具體的要求，將其作為激勵源，測得感興趣的參數(shù)。信號源仿真各種測試信號，給待測電路，從而滿足現(xiàn)實需求。信號發(fā)生器在仿真實驗占有重要地位，對于測試儀器來說也同樣不可缺少。因此對相關(guān)信號發(fā)生器的研究開發(fā)有著一定的意義。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器電路復(fù)雜，控制靈活度不夠，成本也相對較高。雖然我國所研制的波形發(fā)生器在一定程度上已有了一些成果，但與國外技術(shù)確實還存在一定差距，因此很有必要提高相關(guān)方面的研究。利用單片機的控制靈活性，外設(shè)處理能力強等特點，實現(xiàn)頻率與幅度可調(diào)的多種波形，這就克服了傳統(tǒng)的缺點，具有良好的實用性。同時根據(jù)程序的易控制性，可以容易實現(xiàn)各種較復(fù)雜的調(diào)頻調(diào)幅功能。1.2 波形介紹正弦波，正弦

4、信號可用如下形式表示f (t)=Asin(t+ ) （1）其中，A 為振幅， 是角頻率， 為初相位。正弦函數(shù)為一周期信號如下圖1所示：圖1 正弦波方波方波函數(shù)是我們常用且所熟知的簡單波形函數(shù)，做脈沖等，其表示形式如下： （2）方波波形如圖2。圖2 圖形當(dāng)方波下半段幅值為0時，就為矩形波，一個原理，所以不再贅述矩形波。鋸齒波，鋸齒波如圖3所示。圖3 鋸齒波圖形三角波，三角波波形如下圖4所示。圖4三角波2系統(tǒng)設(shè)計2.1方案選擇方案一：利用單片的函數(shù)發(fā)生器的傳統(tǒng)方式，比如8038就行。它可很容易地產(chǎn)生正弦波和方波等波形，而后用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器對電壓進行調(diào)制，也可以用數(shù)字調(diào)控對頻率實現(xiàn)改變，但這種方法產(chǎn)生

5、頻率不穩(wěn)定。方案二：采用頻率合成器，鎖相環(huán)式的。對于所選擇的頻率，用VCO（壓控振蕩器）加以選定。這種方法較第一種性能上好，但是對于頻率的輸出范圍難以達到。而且有一個特點，即電路較為復(fù)雜。方案三：可以利用單片機編程的方法來實現(xiàn)波形的輸出。可選用AT89C51作為控制器，輸出相應(yīng)波形的數(shù)字信號，再用D/A轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)波形的模擬信號。用DAC0832作為D/A轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)過兩級放大后輸出，最終在示波器上顯示?？梢允褂冒存I掃描來實現(xiàn)波形的變化3。由于方案一的輸出信號的頻率不穩(wěn)定還有二方案的電路較為復(fù)雜，頻率可調(diào)范圍難以達標等缺點，所以決定采用方案三的設(shè)計方法。方案三的設(shè)計用軟件可以很方便的實現(xiàn)對硬

6、件的控制，輸出需要的波形。而且方案三中涉及的器件都是容易得到而且價格較為便宜的，所以價格上也有優(yōu)勢。2.2框圖設(shè)計基于AT89C51單片機的函數(shù)信號發(fā)生器由電源電路、單片機主控電路、信號輸出電路和按鍵控制電路四部分組成，整體設(shè)計框圖如圖5所示復(fù)位電路按鍵電路AT89C51主控電路輸出電路電源電路圖5 函數(shù)信號發(fā)生器系統(tǒng)圖AT89C51單片機是整個函數(shù)信號發(fā)生器的主控部分，通過電腦對程序改寫，可以產(chǎn)生不同波形，也可對同種波形的頻率幅度進變換。當(dāng)單片機輸出數(shù)字信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路后輸出相應(yīng)模擬信號。上圖中輸出電路包涵轉(zhuǎn)換電路與整波電路。圖6為函數(shù)信號發(fā)生器的原理圖。輸出波形濾波放大D/A轉(zhuǎn)換器接口電路

7、89C51單片機圖6 信號發(fā)生器原理框圖2.3單片機模塊2.3.1單片機最小系統(tǒng) 8051片內(nèi)有4KB的ROM/EPROM，因此只需要外接晶振電路和復(fù)位電路就可以構(gòu)成最小系統(tǒng)了，如圖7所示。圖7 單片機最小系統(tǒng)該最小系統(tǒng)的特點如下：（1）由于片外沒有擴展存儲器和外設(shè)，P0、P1、P2、P3都可以作為用戶I/O 接口使用。（2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器有128B，地址空間為00H7FH,片外沒數(shù)據(jù)存儲器。（3）片內(nèi)有4KB的程序存儲器，地址空間為0000H0FFFH，沒有偏外存儲器，應(yīng)接高電平。（4）可以使用兩個定時/計數(shù)器T0和T1，一個全雙工的串行通信接口，5個中斷源1。晶振電路工作原理及應(yīng)用單片機有

8、18、19兩引腳。分別為XTAL1和XTAL2。單片機采取內(nèi)部振蕩電路時，將這兩引腳接石英晶體與微調(diào)電容。此設(shè)計采用的是12M晶振和兩個30pF的電容。在芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，XTAL1和XTAL2引腳是一反相放大器的兩個輸入端，構(gòu)成單片機內(nèi)部振蕩器。同樣，根據(jù)需要不同，也可采用外部時鐘方式。本次設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式。XTAL1XTAL2圖8時鐘電路單片機復(fù)位電路工作原理及應(yīng)用計算機在啟動運行時都需要復(fù)位，復(fù)位是使中央處理器CPU和內(nèi)部其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，從這個狀態(tài)開始工作1。89C51單片機有一個復(fù)位引腳RST，高電頻有效。在時鐘電路工作以后，當(dāng)外部電路使得RST端出現(xiàn)2個機器周期以上

9、的高電平后系統(tǒng)就會內(nèi)部復(fù)位1。我們采用按鍵復(fù)位方式。如圖9所示。VccRSTVssMCS-511k200W圖9 按鈕復(fù)位電路2.4按鍵控制與顯示電路設(shè)計本次設(shè)計共設(shè)計了4個按鍵，分別為開關(guān)S1、S2、S3和S4。分別接單片機的P3.0、P3.1、P3.3、P3.4口。S1用來控制輸出波的類別，每按一次，切換到另一個波形；S2與S3則調(diào)節(jié)輸出波形頻率的增減，按S2時，輸出平率增加，而S3則減?。籗4則用來顯示波形的種類與頻率的大小。如圖10所示。圖10 按鍵電路2.5 D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換器經(jīng)常用于信號發(fā)生器的設(shè)計中，通過它可以生成各種波形。其基本原理如下：利用D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬量與輸入數(shù)

10、字量成正比這一特點，通過程序控制CPU向D/A轉(zhuǎn)換器送出隨時間成一定規(guī)律變化的數(shù)字，則D/A轉(zhuǎn)換器輸出端就可輸出隨時間按一定規(guī)律變化的波形1。2.5.1 D/A轉(zhuǎn)換的必要性D/A是先把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，在單片機設(shè)計中經(jīng)常用到。眾所周知，單片機輸出信號為數(shù)字量，而本設(shè)計旨在輸出各種波形，屬模擬量，所以單片機的數(shù)字量必須經(jīng)過D/A的轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號才能滿足要求。 2.5.2 DAC0832的特性及應(yīng)用DAC0832是一個8位的D/A轉(zhuǎn)換器，為DAC0830的一種。DAC0832內(nèi)部主要由8為輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器和控制邏輯電路組成。由于DAC0832與單片機接口方便，其轉(zhuǎn)

11、換與控制較易實現(xiàn)，所以在實際工作中有其重要的作用，使用的也較為頻繁。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖如圖11所示。圖11 DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖12 DAC0832的引腳圖DAC0832是D/A轉(zhuǎn)換器的一類，屬電流型，所以后要跟著I/V轉(zhuǎn)換。數(shù)字輸入端可以有單緩沖、雙緩沖或直通方式輸入。當(dāng)引腳、直接接地時，ILE接電源，DAC0832處于直通工作方式。這種狀態(tài)下，有輸入就立即有輸出，處理方式簡單，但只能通過獨立的I/O接口連接。當(dāng)連接ILE、和引腳，使得兩鎖存器分別工作在直通與受控狀態(tài)，或者兩個同事被控制，則DAC0832處于單緩沖工作方式1。只要數(shù)據(jù)DAC0832寫入8位輸入鎖存器，就立即開始轉(zhuǎn)換。雙

12、緩沖方式即將對8位DAC寄存器與對鎖存器的控制分開進行，占用的I/O口相對較大。根據(jù)以上分析，此次設(shè)計選取單緩沖方式。如圖13所示。圖13 DAC0832單緩沖方式的連接2.6 顯示電路顯示電路分為3部分，分別為LED燈顯示，LED數(shù)碼管顯示，最后還有示波器顯示。 LED燈顯示本次設(shè)計共用了4個LED燈，分別表示示波器上顯示了對應(yīng)的波形，單片機的P2.4P2.7分別控制相應(yīng)燈的亮滅。電路圖如圖14所示。圖14 電路圖 LED數(shù)碼管顯示本次LED數(shù)碼管的作用是用來顯示相應(yīng)輸出信號的頻率。LED數(shù)碼管顯示電路盡管其所能顯示的信息簡單，但由于其清晰、亮度高使用時間長和所需電壓要求低等優(yōu)勢，在單片機應(yīng)

13、用中有著應(yīng)用頻率較高。LED數(shù)碼管顯示器是簡單地發(fā)光二級管按特定的電路連接起來的顯示性器件。而我們在一些單片機設(shè)計中常用的是8段式的LED數(shù)碼管顯示器，其分為兩類，共陰和共陽之分。其結(jié)構(gòu)如圖所示。本次設(shè)計采用共陰方式。圖15 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖常用數(shù)字和字符的編碼如下表：表1 常用字段編碼表顯示字符共陰極字段碼共陽極字段碼顯示字符共陰極字段碼共陽極字段碼03FHC0HC39HC6H106HF9HD5EHA1H25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H8EH466H99HP73H8CH56DH92HU3EHC1H67DH82HT31HCEH707HF8HY6EH91H87FH80HL38

14、HC7H96FH90H8FFH00HA77H88H“滅”00FFHB7CH83HLED數(shù)碼管在顯示的方式上有動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種方法。當(dāng)LED靜態(tài)顯示時，公共端接地或接電源，根據(jù)共陰還是共陽決定。但每一段的段選段都要與I/O接口連接。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，程序也簡單易理解。但缺點也因此點而來，一個數(shù)碼管就要8個I/O口，數(shù)碼管若多有幾個，則就會占用很多I/O口。而當(dāng)LED采取動態(tài)顯示時，是將所有數(shù)碼管的段選段并接在一起的，用公共的I/O控制端，公共端不接地或是電源，而是連接I/O口，實現(xiàn)位選，即選取那個數(shù)碼管亮，幾個數(shù)碼管輪流顯示相應(yīng)信息，這樣不斷循環(huán)。根據(jù)人眼短暫滯留性，當(dāng)循環(huán)周期足夠快時，看

15、著就像幾個一起顯示的。此種方式優(yōu)點是所用I/O口少，線路較簡單，但軟件與CPU的占用較大。一般當(dāng)所用LED顯示器的個數(shù)少時用靜態(tài)顯示。反之則用動態(tài)顯示。本次設(shè)計采取了動態(tài)顯示的方案完成顯示工作。LED動態(tài)顯示方式如圖16所示。圖16 LED動態(tài)顯示2.7 放大電路設(shè)計可知，單片機出來的信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的模擬信號也只是電流信號，所以要將次電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。于是，需加上雙極性轉(zhuǎn)化電路。此電路需要兩個放大器，若干電阻，其具體電路如圖17所示。圖17 雙極性轉(zhuǎn)化電路 圖中第一個放大器的作用是將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，第二個運算放大器和兩電阻組成的是方向加法器。2.8整體的電路原理圖圖18

16、 整體仿真電路2.9元件清單表2 元器件元件名稱型號數(shù)量/個用途單片機AT89C511主控芯片晶振12MHz1晶振電路電容30pF2晶振電路電解電容10uF1復(fù)位電路電阻10k歐1復(fù)位電路開關(guān)BUTTON1復(fù)位電路開關(guān)BUTTON4選擇輸出集成塊DAC08321D/A轉(zhuǎn)換集成塊LM3582運放電路集成塊74LS5731驅(qū)動電路數(shù)碼管共陰、藍色1顯示電路電阻10k歐、7k歐2運放電路滑動變阻器10k歐1運放電路電源+5V1提供電源排阻1k1顯示電路發(fā)光二級管紅色4顯示電路3軟件設(shè)計3.1程序流程圖開 始各芯片初始化按鍵按下？s1num+S4按下S3按下S2按下S1按下顯示頻率域波形種類頻率f減少

17、LED顯示LED顯示頻率f增加s1num=0s1num=1s1num=2s1num=3輸出正弦波，LED顯示A2輸出矩形波，LED顯示C2輸出鋸齒波，LED顯示D2輸出三角波，LED顯示B2圖19 程序流程圖3.2程序代碼正弦波的代碼可分為256個數(shù)值，相應(yīng)時段付相應(yīng)值，這樣既可產(chǎn)生模擬的正弦波形，代碼如下單片機輸出正弦波三角波方波等信號的程序如下： /按鍵S1按一下，輸出正弦波/按鍵S1按兩下，輸出三角波/按鍵S1按三下，輸出方波/ 按鍵S1按4下，輸出鋸齒波頻率顯示部分：當(dāng)按鍵S4按下后，顯示頻率，頻率計算公式為TH0=(65535-temp)/256; TL0=(65535-temp)%

18、256; /temp定義為定時器定義時間 f=(int)(1000000/(temp*256); /f為頻率頻率控制部分：根據(jù)按鍵控制temp的值，頻率就會增大或減小。4系統(tǒng)仿真及調(diào)試4.1系統(tǒng)仿真圖正弦波如下圖20所示。圖20 仿真正弦波形三角波如下圖21所示。圖21 仿真三角波形方波波形如下圖22所示。圖22 仿真方波波形鋸齒波波形如下圖23所示。圖23 仿真鋸齒波波形 4.2系統(tǒng)調(diào)試本次設(shè)計是函數(shù)信號發(fā)生器，所以所用元器件盡量與理論的器件相符，這樣是為使誤差盡量減小。我們知道單片機的硬件調(diào)試與軟件調(diào)試是分不開的。信號沒有輸出是有很多方面的，許多硬件錯誤是可以結(jié)合微調(diào)軟件程序發(fā)現(xiàn)和糾正的。

19、但是，從本次設(shè)計的調(diào)試過程中，可以發(fā)現(xiàn)硬件調(diào)試是最為重要和基礎(chǔ)的。因為若存在明顯的硬件錯誤根本就不會有任何顯示結(jié)果，更別談軟件的調(diào)試了。硬件調(diào)試主要目的是把電路中各參數(shù)值調(diào)整到最設(shè)計的理想要求。最開始就是要先確保設(shè)計的正確性。其次就是排除小障礙，優(yōu)化電路。參數(shù)值的取舍，短路斷路虛焊等單片機是本次設(shè)計的核心，一定要確保其連接的正確性。比如接電源的40腳是否為+5V，晶振是否作用，復(fù)位腳RST等。結(jié)合電路，就容易檢測出故障?？?結(jié)以前沒做過D/A轉(zhuǎn)換的設(shè)計，這次就要對DAC0832芯片進行了解，他的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與單片機的連接方法等，還有模電運放電路里的知識，也要進行深入了解。這讓我更為深刻的體會到把所學(xué)的知識運用到現(xiàn)實的復(fù)雜，把各門課程綜合起來解決一個問題的重要性。而且只有通過某一個特定的要求，我們學(xué)習(xí)知識運用知識的能力才會更快更好地提升。就這次設(shè)計而言，正因為遇到了各種困難，才加速了我運用知識解決問題的能力。如果是平時，只會課本是課本，不會靈活應(yīng)用，也不會深入了解。從這次設(shè)