基于單片機的低頻信號發(fā)生器

1、 中國地質大學長城學院 本 科 課 程 設 計 課設名稱:單片機原理課程設計課設題目：基于單片機的低頻信號發(fā)生器設計 院 別工程技術學院學生姓名楠哥專 業(yè)電氣工程及其自動化學 號04314XXXX指導教師XX職 稱高級工程師2017年 05 月 24 日摘 要眾所周知，數(shù)字技術和計算機技術己滲透到了工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、教育、醫(yī)療、軍事、娛樂等每一個領域及生活中的每一個角落，其應用之深之廣令人咋舌!盡管PC機的應用己相當普遍，但是，在工業(yè)領域、在日益追求小而精、輕而薄的自動化控制器、自動化儀表、家電產品等方面，PC機仍有所不適宜。在這種情況下，單片機以它優(yōu)越的控制功能、輕巧的體積，高可靠性和高性價

2、比在智能化儀表系統(tǒng)、工控領域等日益顯示出強大的生命力，使傳統(tǒng)的電子技術產生了一場巨變，成為計算機發(fā)展史上一個新的里程碑。智能儀器的出現(xiàn)，極大地擴充了傳統(tǒng)儀器的應用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應用。該函數(shù)發(fā)生器采用AT89C51單片機作為控制核心，外圍采用模擬/數(shù)字轉換電路（DAC0832）、運放電路（LM324）、按鍵和LED顯示燈電路等。電路采用AT89C51單片機和一片DAC0832數(shù)模轉換器組成數(shù)字式低頻信號發(fā)生器。函數(shù)信號發(fā)生器，它具有價格低、性能高和在低頻范圍內穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少等特點。由于采用了

3、LM324運算放大器，使其電路更加具有較高的穩(wěn)定性能，性能比高。此電路清晰，出現(xiàn)故障容易查找錯誤，操作簡單、方便。通過按鍵控制可產生方波、鋸齒波、三角波、正弦波等，同時用LED顯示燈指示對應的波形。所產生的波形在一定頻率范圍可調,波形準確并且平滑。本系統(tǒng)設計簡單、性能優(yōu)良，具有一定的實用性。本設計主要應用AT89C51作為控制核心。硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等特點，具有一定的使用和參考價值。關鍵詞：AT89C51；DAC0832；低頻信號；運算放大器AbstractAs we all know, digital technology and computer tech

4、nology has penetrated into the industry, agriculture, commerce, education, medical, military, entertainment, and every area of life in every corner of the application of wide deep staggering! Despite the application of PC - has been quite common, but in the industrial field, in pursuit of a small bu

5、t growing, thin and light automatic controller, automation instruments, household electrical appliances and so on, PC still not suitable for machine. In this case, the single-chip control of its superior functionality, the size of compact, high reliability and cost-effective instrument in the intell

6、igent system, the growing industrial areas show great vitality to the traditional electronic technology resulted in a change to become the computer history of the development of a new milestone. The emergence of intelligent machines, which greatly expanded the scope of application of traditional ins

7、truments. Intelligent instrument, with its small size, powerful, low-power advantages of home appliances quickly, research institutes and industrial enterprises has been widely used. The function generator used as a control core single chip AT89C51, external analog / digital converter circuit (DAC08

8、32), operational amplifier circuit (LM324), button and LED indicator lights and other circuits. AT89C51 circuit and a single-chip digital DAC0832 Digital to Analog component of low-frequency signal generator. Function signal generator, it has a low price, high-performance and low-frequency range of

9、good stability, convenient operation, small size, low power consumption and so on. As a result of the LM324 operational amplifier to the circuit more stable high performance, high performance. This circuit clear, easy to find failure error, simple and convenient.Keys can be generated through control

10、 of square wave, sawtooth wave, triangle wave, sine wave and so on, at the same time with LED lights show the corresponding waveform instructions. Waveform generated frequency range of 92.592593Hz 217.3913Hz, accurate and smooth waveform. The system is designed to be simple, excellent performance, w

11、ith a certain degree of practicality.The main application of this design as a control core AT89C51. A simple hardware circuit, software functions, the control system reliable and cost-effective features such as high, with a certain degree of use and reference value.Key words: AT89C51; DAC0832; low f

12、requency signal; operational amplifier目 錄1.緒 論11.1信號發(fā)生器現(xiàn)狀11.2單片機在低頻信號發(fā)生器中的應用11.2.1具有優(yōu)異的性能價格比11.2.2控制功能強11.2.3集成度高、體積小、可靠性高11.2.4低電壓、低功耗22.系統(tǒng)設計22.1設計目的22.2設計要求22.3系統(tǒng)方案的比較22.3.1選題論證22.3.2方案選擇22.4系統(tǒng)設計要求32.5顯示模塊的設計32.6開關控制電路33.軟件仿真43.1 Proteus 仿真圖43.2不同波形的仿真54.硬件電路的設計74.1系統(tǒng)框圖74.2.1AT89C51的引腳圖實物圖74.2.2主要

13、特性84.2.3管腳說明84.3資源分配94.4各部分電路原理94.4.1DAC0832芯片原理9結 論12致 謝13參考文獻14中國地質大學長城學院2018屆結課設計1.緒 論1.1信號發(fā)生器現(xiàn)狀信號發(fā)生器作為一種常見的應用電子儀器設備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用555振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機。但是這種電路存在波形質量差，控制難，可調范圍小，電路復雜和體積大等缺點。在科學研究和生產實踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學，地震模擬機械振動等領域常常要用到低頻信號源。而由硬件電路構成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的RC

14、很大；大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證；體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點。一旦工作需求功能有增加，則電路復雜程度會大大增加。1.2單片機在低頻信號發(fā)生器中的應用當今是科學技術及儀器設備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會，電子技術的進步，給人們帶來了根本性的轉變。現(xiàn)代電子領域中，單片機的應用正在不斷的走向深入，這必將導致傳統(tǒng)控制與檢測技術的日益革新。單片機構成的儀器具有高可靠性、高性能價格比，在智能儀表系統(tǒng)和辦公自動化等諸多領域得以極為廣泛的應用，并走入家庭，從洗衣機、微波爐到音響汽車，處處可見其應用。因此，單片機技術開發(fā)和應用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標志之一。一塊

15、單片機芯片就是一臺計算機。由于單片機的這種特殊的結構形式，在某些應用領域中，它承擔了大中型計算機和通用微型計算機無法完成的一些工作。使其具有很多顯著的優(yōu)點和特點，因此在各個領域中都得到了迅猛的發(fā)展。單片機的特點歸納起來有以下幾個方面。1.2.1具有優(yōu)異的性能價格比單片機盡可能地把應用所需的存儲器,各種功能的I/O接口集成在一塊芯片內,因而其性能很高,而價格卻相對較低廉,即性能價格比很高。1.2.2控制功能強單片機體積雖小，但“五臟俱全”，它非常適用于專門的控制用途。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉移指令，I/O口的邏輯操作指令以及位操作指令。其邏輯控制功能及運行速度均高

16、于同一檔次的微機。1.2.3集成度高、體積小、可靠性高單片機把各種功能部件集成在一塊芯片上，因而集成度高，均為大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路。又內部采用總線結構，減少了芯片之間的連線，這大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。同時，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。1.2.4低電壓、低功耗單片機大量用于攜帶式產品和家用消費類產品，低電壓和低功耗尤為重要。目前，許多單片機已可在2.2V電壓下運行,有的已能在1.2V或0.9V下工作，功耗降至A級,一粒鈕扣電池就可長期使用。利用單片機采用程序設計方法來產生低頻信號，其下限頻率很低。具有線路相對簡單，結構緊湊，價格低廉，頻率穩(wěn)

17、定度高，抗干擾能力強，用途廣泛等優(yōu)點，并且能夠對波形進行細微調整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。只要對電路稍加修改，調整程序，即可完成功能升級。這里介紹一種采用AT89C51單片機和一片DAC0832數(shù)模轉換器做成的數(shù)字式低頻信號發(fā)生器，它的特點是價格低、性能高，在低頻范圍穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少等。信號發(fā)生器與其它相比還具有如下優(yōu)點：較分立元件信號發(fā)生器而言，具有頻率高，工作穩(wěn)定，容易調試等特性；較專用DDS芯片的信號發(fā)生器而言，具有結構簡單，成本低等特性。2.系統(tǒng)設計2.1設計目的1.了解DAC0832 直通方式、單緩沖器方式、雙緩沖器方式的編程方法。2.掌握DAC0832 單緩

18、沖器方式數(shù)模轉換程序的編程方法和調試方法。2.2設計要求利用單片機AT89C51與D/A轉換器件DAC0832設計一個低頻信號發(fā)生器，能產生正弦波、方波、鋸齒波、三角波等波形。2.3系統(tǒng)方案的比較2.3.1選題論證制作低頻信號發(fā)生器可以用一片DAC0832來實現(xiàn)，它可以分為單極性和雙極性。而本項目選擇了單片雙極性。之所以選單片雙極性是因為其精度高，濾波好，抗干擾效果好。2.3.2方案選擇方案一：AT89C51芯片中每一路模擬輸出與DAC0832芯片相連，構成多個DAC0832同步輸出電路，輸出波形穩(wěn)定，精度高，但是第二級DAC0832輸出，發(fā)生錯誤并且電路連接復雜。方案二：AT89C51芯片中

19、只有一路模擬輸出或幾路模擬信號非同步輸出，這種情況下CPU對DAC0832執(zhí)行一次寫操作，則把一個數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器，DAC0832的輸出模擬信號隨之對應變化。輸出波形穩(wěn)定，精度高，濾波好，抗干擾效果好，連接簡單，性價比高。因此我們設計中采用方案二。2.4系統(tǒng)設計要求基本要求：信號頻率范圍1Hz1KHz正弦波峰峰值1V幅值可調鋸齒波峰峰值1.5V幅值可調三角波峰峰值1.5V幅值可調方波峰峰值1.5V幅值可調頻率控制方式手動通過改變時間常數(shù)RC實現(xiàn)擴展要求：通過改變控制電壓實現(xiàn)頻率的壓控，壓控電壓范圍03V2.5顯示模塊的設計為了便于PROTUES仿真觀察輸出波形，需要通過運算放大器OPA

20、MP將ADC0832芯片的電流型輸出轉換成電壓信號，再送入示波器顯示。本設計采用的是雙電源工作模式運用反饋原理，構成I/V轉換電路。其電路連接如圖1所示：圖1波形輸出單元電路圖本次設計DAC0832主要引腳(1)CS片選信號輸入線,低電平有效。(2)WR1為輸入寄存器的寫選通信號。(3)XFER數(shù)據(jù)傳送控制信號輸入線,低電平有效。(4)WR2為DAC寄存器寫選通輸入線。(5)Iout1:電流輸出線。當輸入全為1時Iout1最大。(6)Iout2:電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。(7)RFB:反饋信號輸入線,芯片內部有反饋電阻。(8)VCC:電源輸入線(+5v+15v)。(9)VREF

21、:基準電壓輸入線(-10v+10v)。2.6開關控制電路通過按鍵開關選擇單片機P3.7口信號接受端為高電平，同時相應的數(shù)碼光顯示數(shù)字發(fā)光，即達到了選擇輸入某一波形信號的目的。當按下按鍵開關時，數(shù)碼光顯示1，波形為矩形波形；當再次按下按鍵開關，數(shù)碼光顯示2，顯示三角波形；依次按下按鍵開關，當數(shù)碼光顯示4，則波形產生完成。此時，波形發(fā)生器即產生相應波形。具體電路連接如圖2所示：圖2開關控制電路連接圖3.軟件仿真3.1 Proteus 仿真圖圖3仿真圖3.2不同波形的仿真在Proteus繪制電路圖，加載單片機程序，有如下仿真。（1）方波圖4方波（2）三角波圖5三角波（3）鋸齒波圖6鋸齒波（4）正弦波

22、圖7正弦波4.硬件電路的設計4.1系統(tǒng)框圖如圖8所示: 波形指示 AT89C51輸出電流/電壓轉換A/D轉換 鍵盤基準電壓 電源圖8低頻信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖低頻信號發(fā)生器系統(tǒng)主要由CPU、D/A轉換電路、基準電壓電路、電流/電壓轉換電路、按鍵和波形指示電路、電源等電路組成。其工作原理為當分別每按下按鍵一次就會分別出現(xiàn)方波、鋸齒波、三角波、正弦波，并且有數(shù)碼管會指示是那種波形序號,另外,發(fā)光二極管發(fā)光說明系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。4.2.1AT89C51的引腳圖實物圖如圖9所示圖9 AT89C51的引腳圖實物圖4.2.2主要特性：8031CPU與MCS-51兼容（1）4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：

23、1000寫/擦循環(huán))（2）32條可編程I/O線（3）兩個16位定時器/計數(shù)器（4）可編程串行通道（5）片內振蕩器和時鐘電路4.2.3管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸

24、入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。表1端口引腳圖I/O口作為輸入

25、口時有兩種工作方式即所謂的讀端口與讀引腳讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)而是把端口鎖存器的內容讀入到內部總線經過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內部總線上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作這是由硬件自動完成的不需要我們操心1然后再實行讀引腳操作否則就可能讀入出錯為什么看上面的圖如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q為1加到場效應管柵極的信號為1該場效應管就導通對地呈現(xiàn)低阻抗,此時即使引腳上輸入的信號為1也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1若先執(zhí)

26、行置1操作則可以使場效應管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作所以這類I/O口被稱為準雙向口89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時都是準雙向口接下來讓我們再看另一個問題從圖中可以看出這四個端口還有一個差別除了P1口外P0P2P3口都還有其他的功能RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對

27、外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；

28、當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。4.3資源分配軟、硬件設計是設計中不可缺少的，為了滿足功能和指標的要求，資源分配如下1晶振采用12MHZ；2內存分配P2口與DAC0832的DI0-DI7數(shù)據(jù)輸入端相連。P2口用來控制DAC0832的輸入寄存器選擇信號CS、輸入寄存器寫選通信號WR1及DAC寄存器寫選通信號WR2和數(shù)據(jù)傳送信號XFER。4.4各部分電路原理4.4.1DAC0832芯片原理管腳功能介紹（如圖10所示）圖10 DAC0

29、832管腳圖(1)D7D0：8位的數(shù)據(jù)輸入端，D7為最高位。(2)IOUT1：模擬電流輸出端1。(3)IOUT2：模擬電流輸出端2，當DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時，輸出電流最大，當DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時，輸出電流為0，IOUT2與IOUT1的和為一個常數(shù)，即IOUT1IOUT2常數(shù)。(4)Rfe：反饋電阻引出端，DAC0832內部已經有反饋電阻，所以Rfe端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，這樣相當于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間。(5)Vref：參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接一個負電壓，它決定0至255的數(shù)字量轉化出來的模擬量電壓值的幅度，VREF范圍為(+

30、10-10)V。VREF端與D/A內部T形電阻網絡相連。(6)Vcc：芯片供電電壓，范圍為(+515)V。(7)GND（3腳）：模擬量地，即模擬電路接地端。(8)GND（10腳）：數(shù)字量地。當WR2和XFER同時有效時，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此時DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電平變化；反之，當端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC轉換器進行D/A轉換。一般情況下為了簡化接口電路，可以把和直接接地，使第二級8位DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖

31、輸入方式。特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式制作低頻信號發(fā)生器有許多方案：主要有單緩沖方式，雙緩沖方式和直通方式。單緩沖方式具有適用于只有一路模擬信號輸出或幾路模擬信號非同步輸出的情形的優(yōu)點，但是電路線路連接比較簡單。而雙緩沖方式適用于在需要同時輸出幾路模擬信號的場合，每一路模擬量輸出需一片DAC0832芯片，構成多個DAC0832同步輸出電路，程序簡單化，但是電路線路連接比較復雜。根據(jù)以上分析，我們的課題選擇了單緩沖方式使用方便，程序簡單，易操作。工作原理DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換器以及輸入控制電路四部分組成。8位輸入寄

32、存器用于存放主機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待轉換的數(shù)字量，由加以控制；8位D/A轉換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制2個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。DAC0832與反相比例放大器相連，實現(xiàn)電流到電壓的轉換，因此輸出模擬信號的極性與參考電壓的極性相反，數(shù)字量與模擬量的轉換關系為Vout1=-Vref×（數(shù)字碼/256）若D/A轉換器輸出為雙極性，如圖11所示。圖11 D/A轉換器雙極性輸出電路圖11中，運算放大器A2的作用是把運算放大器A1的單向輸出電壓轉換成雙向輸出電壓。其原理是將A2的輸入端通過電

33、阻R1與參考電壓VREF相連，VREF經R1向A2提供一個偏流I1，其電流方向與I2相反，因此運算放大器A2的輸入電流為I1、I2之代數(shù)和。則D/A轉換器的總輸出電壓為：VOUT2=-(R3/R2)VOUT1+(R3/R1)VREF設R1=R3=2RR2=R，則VOUT2=-(2VOUT1+VREF)DAC0832主要是用于波形的數(shù)據(jù)的傳送，是本題目電路中的主要芯片。結 論這次的課程設計是我大學以來第一次接觸單片機和仿真軟件，雖然軟件是現(xiàn)成的，但是電路的設計和制作過程還是讓我學到了很多東西。雖然這次課程設計困難重重但在我們小組的團結努力之下都一一克服了讓我體會到了成功的喜悅，并且讓我們對單片機產品有了更深得了解，特別是對電路的分析以及調試工作，在電路調試過程中顯得特別重要，通過調試可以更直接的找出故障的原因，對電路的一些基本工藝技術標準也有更進步的了解，把電路的設計工作做得更好，在今后的學習中我會不斷努力，創(chuàng)造出更多的更有特色的電子