低頻信號發(fā)生器

鄭州職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）PAGEPAGE16鄭州職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）設計（論文）題目系別：電氣電子工程系學生姓名：專業(yè)班級：學號：指導教師：2012年03月20日 獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的畢業(yè)論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。論文作者簽名：日期：年月日畢業(yè)論文版權使用授權書本畢業(yè)論文作者完全了解學校有關保留、使用畢業(yè)論文的規(guī)定，即：學校有權保留并向有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權鄭州職業(yè)技術學院要以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本論文。保密□，在________年解密后適用本授權書.本論文屬于不保密□。（請在以上方框內(nèi)打“√”）畢業(yè)論文作者簽名：指導教師簽名：日期：年月日日期：年月日鄭州職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）鄭州職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）PAGE0摘要本系統(tǒng)是基于AT89C52單片機的數(shù)字式簡易低頻信號發(fā)生器。用程序?qū)崿F(xiàn)方波、鋸齒波、三角波等信號，并在Protues電子設計平臺上對方案進行了仿真。消除了傳統(tǒng)信號發(fā)生器存在元器件分散性造成波形失真的弊端。系統(tǒng)采用AT89C52單片機作為控制核心，外圍采用數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換電路（DAC0832）、按鍵電路。通過按鍵控制可產(chǎn)生方波、鋸齒波、正弦波。波形的頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可任意改變，其設計簡單、性能優(yōu)良，可用于多種需要低頻信號源的場所，具有一定的實用性。關鍵詞：單片機；信號發(fā)生器；D/A轉(zhuǎn)換目錄TOC\o\h\z摘要I1課題背景(1)2系統(tǒng)設計…(2)2.1系統(tǒng)方案比較(2)2.2實驗芯片簡介(2)2.2.1AT89C52(2)2.2.2DAC0832(4)3軟件設計(6)3.1初始化子程序(6)3.2鍵掃描子函數(shù)(7)3.2波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子函數(shù)(7)3.2主函數(shù)(7)4硬件設計(8)4.1系統(tǒng)總體框圖設計(8)4.1.1單片機晶振電路(9)4.1.2單片機復位電路(9)5調(diào)試及仿真波形(10)結(jié)論(13)致謝(14)參考文獻(15)附錄一電路原理圖(16)鄭州職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）1課題背景基于單片機的信號發(fā)生器設計，該課題的設計目的是充分運用大學期間所學的專業(yè)知識，考察現(xiàn)在正在使用的信號發(fā)生器的基本功能，完成一個基本的實際系統(tǒng)的設計全過程。關鍵是這個實際系統(tǒng)設計的過程，在整個過程中我可以充分發(fā)揮自動化的專業(yè)知識。特別是這個信號發(fā)生器的設計中涉及到一個典型的控制過程。通過單片機控制一個有特殊功能的信號發(fā)生芯片，可以產(chǎn)生一系列有規(guī)律的幅度和頻率可調(diào)的波形。這樣一個信號發(fā)生裝置在控制領域有相當廣泛的應用范圍。在現(xiàn)代社會中，自動化技術已經(jīng)滲透到社會生活的各個領域中。在超聲波測量技術中,超聲換能器(發(fā)射換能器和接收換能器)是超聲波檢測技術的核心部件。高精度、寬頻率范圍、高穩(wěn)定性的激勵源對于發(fā)射換能器及超聲檢測系統(tǒng)性能的改善和提高起著至關重要的作用。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器通常由晶體管、運放IC等分離元件制成。與此相比,基于集成芯片的波形發(fā)生器具有高頻信號輸出、波形穩(wěn)定、控制簡便等特點。其中，信號發(fā)生器是自動化領域中的一個典型應用。因為現(xiàn)代的自動化控制中基本都會利用信號來控制設備的工作。利用信號的產(chǎn)生進行儀器的控制已經(jīng)是自動控制中的一個重要的手段，那么一個幅度、頻率、占空比以及波形可調(diào)的信號發(fā)生器的設計和完成更具有使用價值。只要將這個信號發(fā)生器設計的基本思路掌握，不但可以融會貫通所學的專業(yè)知識還可以在以后工作中利用到，作為用來控制其他設備或設計的一個參考。信號發(fā)生器是電子實驗室的基本設備之一，目前各類學校廣泛使用的是標準產(chǎn)品，雖然功能齊全、性能指標較高，但是價格較貴，且許多功能用不上。本文介紹一種由單片機AT89C52設計的簡易信號發(fā)生器，該儀器結(jié)構(gòu)簡單，雖然功能及性能指標趕不上標準信號發(fā)生器，但滿足一般的實驗要求。其成本低、體積小、便于攜帶等特點，亦可作為電子產(chǎn)品維修人員的重要隨身設備之一。本文主要分五大部分：緒論、系統(tǒng)概述和設計方案、硬件部分、軟件部分，總結(jié)。緒論，首先對課題研究背景和所涉及的相關技術領域進行了介紹；第一章對系統(tǒng)所要完成的功能和可擴展的功能進行描述，確定系統(tǒng)的設計方案主要參數(shù)計算，第二章對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各部分組成作了簡要的介紹和講解；第三章是軟件部分，這部分重點介紹了主程序的流程框圖及各個子程序的流程框圖。最后對整篇文章進行了總結(jié)。2系統(tǒng)設計2.1系統(tǒng)方案比較方案一：采用函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038集成模擬芯片，（如圖2-1）它是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的專用集成電路。但是這種模塊產(chǎn)生的波形都不是純凈的波形，會寄生一些高次諧波分量，采用其他的措施雖可濾除一些，但不能完全濾除掉。圖2-1方案一方框圖圖2-1方案一方框圖D/A鍵盤單片機ICL8038運算電路顯示D/A輸出方案二：采用分立元件實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的多諧振振蕩器，然后根據(jù)需要加入積分電路等構(gòu)成正弦、矩形、三角等波形發(fā)生器。這種信號發(fā)生器輸出頻率范圍窄，而且電路參數(shù)設定較繁瑣，其頻率大小的測量往往需要通過硬件電路的切換來實現(xiàn)，操作不方便。方案三：采用單片機和DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成波形，由于是軟件濾波，所以不會有寄生的高次諧波分量，生成的波形比較純凈。它的特點是價格低、性能高，在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少。經(jīng)比較，方案三既可滿足課程設計的基本要求又能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，電路簡單，易控制，性價比較高，所以采用該方案。2.2實驗芯片簡介2.2.1AT89C52AT89C52是一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有8kB可編程/可擦除只讀存儲器的8位CMOS微控制器,使用高密度、非易丟失存儲技術制造,并且與80C51的引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的Flash存儲器允許在線編程或采用通用的非易丟失存儲編程器重復編程。AT89C52將具有多種功能的8位CPU與Flash存儲器結(jié)合在一個芯片上,為很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又價格適宜的方案,其性能價格比遠高于8751。89C52的主要性能包括:片內(nèi)有8kB可在線重復編程的快閃擦寫存儲器;寬工作電壓范圍VCC可為2.7V~6V;全靜態(tài)工作可從0Hz至33Hz;程序存儲器具有3級加密保護;32條可編程I/O線;3個16位定時器/計數(shù)器;中斷結(jié)構(gòu)具有8個中斷源;21個特殊功能寄存器;1個可編程全雙工串行通道;空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容[3]AT89C52的引腳圖及作用如下：P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端使用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)。而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P2口：P2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P2的輸出緩沖可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。此外，P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RET：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/:當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘震蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。:程序存儲允許輸出的是外部程序存儲器的選通信號，當AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)時），每個機器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次信號。/VPP:外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），端必須保持低電平。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。XTAL1:振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。2.2.2DAC0832DAC0832是美國資料公司研制的8位雙緩沖器D/A轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)帶有資料鎖存器，可與數(shù)據(jù)總線直接相連。電路有極好的溫度跟隨性，使用了COMS電流開關和控制邏輯而獲得低功耗、低輸出的泄漏電流誤差。芯片采用R-2RT型電阻網(wǎng)絡，對參考電流進行分流完成D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果以一組差動電流IOUT1和IOUT2輸出。集成電路內(nèi)有兩級輸入寄存器，使DAC0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。所以這個芯片的應用很廣泛,關于DAC0832應用的一些重要資料見下圖：DAC0832主要性能參數(shù)：①分辨率8位；②轉(zhuǎn)換時間1μs;③參考電壓±10V；④單電源+5V~+15v；⑤功耗20mW。DAC0832引腳功能說明：DI0~DI7：數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效。CS：片選信號輸入線，低電平有效。WR1：為輸入寄存器的寫選通信號。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號輸入線，低電平有效。WR2：為DAC寄存器寫選通輸入線。Iout1:電流輸出線。當輸入全為1時Iout1最大。Iout2:電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。Rfb:反饋信號輸入線,芯片內(nèi)部有反饋電阻.Vcc:電源輸入線

(+5v~+15v)Vref:基準電壓輸入線

(-10v~+10v)AGND:模擬地,摸擬信號和基準電源的參考地.DGND:數(shù)字地,兩種地線在基準電源處共地比較好.采用ADC0809實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。若需要相應的模擬電壓信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)。運放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接。DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機電路連接。3軟件設計單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)只有0、1之分,所產(chǎn)生的信號也都是離散信號。為了能夠讓單片機輸出所需的數(shù)字信號,我們采用對信號采樣、量化的方法來實現(xiàn)由單片機產(chǎn)生所需信號。在設計中,對正弦信號進行采樣,通過查表來實現(xiàn)輸出不同的幅度值。采樣點越密,信號失真度也就越小。對于三角波,就是實現(xiàn)2次循環(huán),通過由最小值到最大值和由最大值到最小值的循環(huán)來實現(xiàn)三角波的輸出。方波的輸出時間間隔由鍵盤輸入,然后由軟件通過定時、計數(shù)器來控制。因此,通過控制不同的計數(shù)初值就可以控制整個方波信號的頻率,其計數(shù)初值=65536-輸入值。對于其他波形,程序根據(jù)輸入頻率值計算出波形的輸出時間參數(shù),即波形中每2點的時間間隔C。程序設定寄存器T0作定時器,T1作計數(shù)器。當計算出C≤65536時,CPU只使用T0。當C>65536時,CPU將T0和T1串聯(lián)起來使用。T0/T1被調(diào)用后開始計數(shù),總定時時間到,輸出一個點,反復循環(huán),從而在一個周期內(nèi)輸出完整波形。設計中軟件分為初始化模塊、顯示模塊、鍵盤掃描模塊、鍵值處理模塊和波形產(chǎn)生模塊。3.1初始化子函數(shù)初始化子函數(shù)的主要工作是設置定時器的工作模式、初值預置、開中斷和打開定時器等。在這里，定時器T1工作于16位定時模式，單片機按定時時間重復的把波形送到DAC0832的寄存器。其程序流程圖如圖3-1所示：T1中斷允許，開定時器，開總中斷T1中斷允許，開定時器，開總中斷T1置初值，設為16位定時模式開始返回圖3-13.2鍵掃描子函數(shù)鍵掃描子函數(shù)的任務是檢查3個鍵是否有鍵按下，若有鍵按下，則執(zhí)行相應的功能。這里3個鍵分別用于頻率增加、頻率減小和正弦波，鋸齒波和方波的選擇功能。其程序流程圖如圖3-2所示：查鍵開始查鍵開始返回定時值減1波形選擇定時值加1查鍵號，按鍵值執(zhí)行功能有鍵按下？NY圖3-2查鍵子函數(shù)程序流程圖3.3波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子函數(shù)波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生函數(shù)是定時器T1的中斷程序。當定時器溢出時，發(fā)生一次中斷。當發(fā)生中斷時，單片機按次序?qū)⒉ㄐ螖?shù)據(jù)表中的波形數(shù)據(jù)一一送到DAC8032，DAC8032根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)大小輸出對應電壓。波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子函數(shù)流程圖如圖3-3所示：功能標志=1？功能標志=1？開中斷、中斷返回查表指針加1正弦波輸出方波輸出鋸齒波輸出關中斷、關定時、重裝初值、開定時中斷開始圖3-33.4主函數(shù)主函數(shù)的任務是進行上電初始化，并在程序運行中不斷查詢按鍵情況執(zhí)行相應的功能。4系統(tǒng)硬件設計4.1系統(tǒng)總體框圖設計本系統(tǒng)是以單片機AT89C51和8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832共同實現(xiàn)正弦波，方波，鋸齒波這三種常見波形的產(chǎn)生及顯示相互切換的功能。示波器示波器OP1PDAC0832波形選擇開關單片機PC機下載線圖4-1系統(tǒng)總體框圖4.1.1單片機晶振電路對于MCS-51一般的晶振可以在1.2MHZ—12MHZ之間選擇，這是電容C可以對應的選擇10pf-30Pf。對于本設計的電容C用30pF，晶振選用12MHZ。晶振電路解法圖3-2，一條引腳接在XTAL1,另一條接在XTAL2。電路圖如圖4-1-1所示：圖4-1-14.1.2單片機復位電路復位是單片機的初始化工作，復位后中央處理器CPU和單片機內(nèi)的其它功能部件都處在一定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。為了防止程序執(zhí)行過程中失步或運行紊亂，此處我們采用了上電復位及手動復位電路，電路圖如圖4-1-2所示：圖4-1-25調(diào)試及仿真波形硬件電路的調(diào)試比較簡單，只要元器件安裝無誤，一般都能一次成功。軟件調(diào)試主要是各子程序的調(diào)試，對于頻數(shù)的增減按鍵，由于計數(shù)器為16位定時器，最大值為65535，在加減時用255作為減數(shù)，這樣頻率的調(diào)整變化較快些，但是在接近最高頻率變化太快；如果加減時用一作加減數(shù)，那么在頻率的高端變化平穩(wěn)，而在頻率的低端則變化太慢。調(diào)試時可根據(jù)應用特點選擇加減數(shù)的大小。簡易低頻信號源輸出頻率指標實際測試如下：（1）當按下K3鍵一下時，波形為正弦波。仿真圖如圖5-1所示：圖5-1正弦波仿真圖（2）當按下K3鍵兩下時，播行為三角波。仿真圖如圖5-2所示：圖5-2三角波仿真圖（3）由P2.0口直接可輸出方波。仿真圖如圖5-3所示：K1鍵是頻率增加鍵，K2鍵是頻率減小鍵本次設計的信號發(fā)生器正弦波的頻率范圍在0.01HZ~83HZ，方波的輸出頻率范圍在1.3~10.6KHZ。在對系統(tǒng)進行波形仿真時可以在虛擬示波器上觀察到鋸齒波、三角波、正弦波和方波的波形。其中鋸齒波、三角波以及正弦波的輸出誤差較大，方波波形較為理想。這一方面與電路設置的參數(shù)有關，另一方面也與使用的仿真軟件有關。對于上述問題的解決辦法是：改變仿真電路的參數(shù)或著換用版本較高的仿真軟件。當然一般產(chǎn)生這種情況的原因多由于電路的參數(shù)設計不合理所制。但從仿真波形上可以看出輸出波形的頻率大致與程序中的設置吻合。波形的幅度與程序設置的最大值有關，而頻率受機器周期的控制。當仿真時，由于存在一定的系統(tǒng)誤差，波形效果不是很好。簡易低頻信號源輸出的頻率不是很高，在設計時每周期波形用255個采樣點合成，波形不是