畢業(yè)設計（論文）-基于單片機的信號發(fā)生器的設計

1 蕪湖職業(yè)技術(shù)學院 畢 業(yè) 論 文 題 目 基于單片機的信號發(fā)生器的設計 院系名稱： 蕪湖職業(yè)技術(shù)學院信息工程系 專業(yè)班級： 09計算機應用 1 學生姓名： 徐文武 學 號： 90401133 指導教師： 周先飛 2011 年 11 月 15 日 2 摘 要 波形發(fā)生器即簡易函數(shù)信號發(fā)生器，是一個能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、方波、正弦波等波形電路。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設備儀器中具有十分廣泛的用途。通過對函數(shù)發(fā) 生器的原理以及構(gòu)成分析，可設計一個能變換出三角波、鋸齒波、方波、正弦波的函數(shù)波形發(fā)生器。在工業(yè)生產(chǎn)和科研中利用函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)出的信號，可以對元器件的性能及參數(shù)進行測量，還可以對電工和電子產(chǎn)品進行指數(shù)驗證、參數(shù)調(diào)整及性能鑒定。常用的信號發(fā)生器絕大部分是由模擬電路構(gòu)成的，當這種模擬信號發(fā)生器用于低頻信號輸出往往需要的 樣不僅參數(shù)準確度難以保證，而且體積和功耗都很大，而由數(shù)字電路構(gòu)成的低頻信號發(fā)生器，雖然其性能好但體積較大，價格較貴，因此，高精度，寬調(diào)幅將成為數(shù)字量信號發(fā)生器的趨勢。 本文介紹的是利 用 89信號幅度和頻率都是可以按要求控制的。文中簡要介紹了89及與設計電路有關(guān)的各種芯片。文中著重介紹了如何利用單片機控制 D/號頻率幅度也按要求可調(diào)。 本設計核心任務是：以 合 D/仿真軟件設計硬件電路，用 實現(xiàn)程序控制產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、 三 種常用低頻 信號?？梢酝ㄟ^鍵盤選擇波形和輸入任意頻率值。 關(guān)鍵詞： 片機 函數(shù)波形發(fā)生器 方波 三角波 正弦波 3 目 次 1 引言 . 4 2 系統(tǒng)設計 . 6 . 6 . 6 . 6 . 7 . 7 ，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 讀存儲器 種 I/時器 /計 時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 波形發(fā)生器是一種數(shù)據(jù)信號發(fā)生器，在調(diào)試硬件時，常常需要加入一些信號，以觀察電路工作是否正常。用一般的信號發(fā)生器，不但笨重，而且只發(fā)一些簡單的波形，不能滿足需要。例如用戶要調(diào)試串口通信程序時，就要在計算機上寫好一段程序，再用線連接計算機和用戶實驗板，如果不正常，不知道是通訊線有問題還是程序有問題。用 的波形發(fā)生器功能，就可以定義串口數(shù)據(jù)。通過邏輯探勾輸出，調(diào)試起來 簡單快捷。 基于單片機的簡易波形發(fā)生器是一種常用的信號源 ,它廣泛地應用在電子技術(shù)實驗、自動控制系統(tǒng)和其他科研領域。 目前 , 簡易波形發(fā)生器的構(gòu)成方法有很多 ,例如采用 的任意波發(fā)生器、采用專用的信號發(fā)生芯片 本設計源于 2007年全國大學生電子制做大賽 ,通過分析比較后采用傳統(tǒng)的方法來實現(xiàn)多功能波形發(fā)生器。借助高性能單片機運算速度高 ,系統(tǒng)集成度強的優(yōu)勢 ,設計的這種信號發(fā)生器 ,比以前的數(shù)字式信號發(fā)生器具有硬件簡單 ,理解及實現(xiàn)起來 較容易 ,該方案的設計思路較為清晰 ,且容易對頻率和幅值進行控制等優(yōu)點。 5 低頻信號發(fā)生器采用單片機波形合成發(fā)生器產(chǎn)生高精度，低失真的正弦波電壓，可用于校驗頻率繼電器，同步繼電器等，也可作為低頻變頻電源使用。 以單片機為核心設計了一個低頻函數(shù)信號發(fā)生器。信號發(fā)生器采用數(shù)字波形合成技術(shù) ,通過硬件電路和軟件程序相結(jié)合 ,可輸出自定義波形 ,如正弦波、方波、三角波及其他任意波形。波形的頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可任意改變。介紹了波形的生成原理、硬件電路和軟件部分的設計原理。介紹了單片機控制 D/件編程、 、 于產(chǎn)生不同低頻信號的信號源的設計方案。該信號發(fā)生器具有體積小、價格低、性能穩(wěn)定、功能齊全的優(yōu)點。 6 2 系統(tǒng)設計 案 ： 利用 弦波、矩形波三種波形，再通過 D/波放大，最終由示波器顯示出來，通過鍵盤來控制三種波形的類型選擇、頻率變化，最終輸出顯示其各自的類型 以及數(shù)值。 設計要求 1) 、利用單片機采用軟件設計方法產(chǎn)生三種波形 2）、三種波形可通過鍵盤選擇 3）、波形頻率可調(diào) 4）、需顯示波形的種類及其頻率 件選擇 1、通過單片機控制 D/A，輸出三種波形。 2、 位單片微型計算機。它把構(gòu)成計算機的中央處理器 儲器、寄存器、 I/而構(gòu)成較為完整的計算機、而且其價格便宜。 3、 采用 晶顯示器 1602。其功率小，效果明顯，顯示編程容易控制，可以顯示字母。 總體系統(tǒng)設計 該系統(tǒng)采用單片機作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，由單片機完成人機界面、系統(tǒng)控制、信號的采集分析以及信號的處理和變換，采用按鍵輸入，利用液晶顯示電 7 路輸出數(shù)字顯示的方案。將設計任務分解為按鍵電路、液晶顯示電路等模塊。圖2 圖 2件實現(xiàn)及單元電路設計 片機最小系統(tǒng)的設計 89此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單可靠。用 89要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如圖 89于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應用特點： (1) 有可供用戶使用的大量 I/ (2) 內(nèi)部存儲器容量有限。 (3) 應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。 標準的 52為 8128 字節(jié)的 32條端口， 5個中斷， 2 個定時 /計數(shù)器， 12個時鐘周期執(zhí)行一條基本指令，最長的除法為 48個周期。 52為8256 字節(jié)的 32條端口， 6個中斷， 3 個定時 /計數(shù)器。 放大 輸出 D/主控芯片 示 鍵盤 8 圖 2機最小系統(tǒng) D/A 轉(zhuǎn) 換器 位 D/A 轉(zhuǎn)換器。能完成數(shù)字量輸入到模擬量 (電流 )輸出的轉(zhuǎn)換。圖 主要參數(shù)如下：分辨率為 8位，轉(zhuǎn)換時間為 1 s，滿量程誤差為 1考電壓 (+10/10)V，供電電源為(+5 +15)V，邏輯電平輸入與 圖 3 一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號為 二級鎖存器稱為 的鎖存信號也稱為通道控制信號 / 9 V 8G 1245679G T 111T 21213141516X F E 218 ( B Y 1 /B Y 2 )1908 3 2圖 2圖 2 選信號 /寫信號 /入寄存器控制信號為 1，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當 /制信號成為低電平，此時，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中， 這樣輸 入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù) 對第二級鎖存來說，傳送控制信號 /寫信號 /級鎖存控制信號為高電平， 8位的 后，當 /制 信號變?yōu)榈碗娖?，于是將輸入寄存器的信息鎖存到 圖 2 (1) 8位的數(shù)據(jù)輸入端， (2) 模擬電流輸出端 1，當 時，輸出電流最大，當 時，輸出電流為 0。 (3) 模擬電流輸出端 2， 數(shù)。 10 (4) 反饋電阻引出端， 部已經(jīng)有反饋電阻，所以 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) 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(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度， +10 。 (6) 芯片供電電壓，范圍為 (+5 15)V。 (7) 模擬量地，即模擬電路接地端。 (8) 數(shù)字量地。 算放大器電路 本系統(tǒng)的放大電路如圖 2 圖 2 21是耦合電阻， 3都為分壓式反饋電阻。 1的電壓比例為1： 2， 5v0v,在第二級運放中要把 v 之間的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)関，即第一級運放轉(zhuǎn)換成電壓量的值沒增加或減少 1v,第二級運放產(chǎn)生的電壓就減少或增加 2v。 11 示器接口電路 常用的 稱發(fā)光二極管） 稱數(shù)碼管和 光二極管可顯示兩種狀態(tài)，用于系統(tǒng)顯示；數(shù)碼管用于數(shù)字顯示； 于字符顯示） 1數(shù)碼管結(jié) 構(gòu) 數(shù)碼管由 8 個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構(gòu)成，通過不同組合可用來顯示數(shù)字 .”。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)。 2. 數(shù)碼管工作原理 共陽極數(shù)碼管的 8個發(fā)光二級管的陽極（二極管正端）連接在一起。通常會共陽極接高電平 該數(shù)碼管導通并點亮。共陰極數(shù)碼管的 8個發(fā)光二極管的陰極（二極管負端）連接在一起。公共陰極接低電平（一般接地）當某個陽極接高電平，則該數(shù)碼管并點亮。 圖 2碼管與單片機接口 形產(chǎn)生 原理及 模塊設計 波形產(chǎn)生的原理： 12 1、 內(nèi)存中首先存儲波形的數(shù)字量值數(shù)組 2、 52單片機讀取數(shù)組中的值，送入 D/ 3、 D/ 4、 D/ 由單片機采用編程方法產(chǎn)生三種波形、通過 電路圖 2 13 圖 2顯示模塊的設計 通過液晶 1602顯示輸出的波形、頻率，其電路圖如圖 2如上圖 21602的 八位數(shù)據(jù)端接單片機的 ，其三個使能端 W、 過軟件控制液晶屏可以顯示波形的種類以 14 及波形的頻率。 盤顯示模塊的設計 本系統(tǒng)采用獨立鍵盤，其連接電路圖如下： 圖 2圖 2用來切換輸出波形、開關(guān) 2和 3用來調(diào)節(jié)頻率的加減。當按開關(guān) 2時輸出波形的頻率減小 ，按開關(guān) 3時輸出波形的頻率 增加 。 件設計流程 件中的重點模塊 51 單片機， D/A 模塊和基準 電壓 ，輸出驅(qū)動（運放）。 基準電壓： 最小輸出電壓 v/256 最大輸出電壓 v 波形形成： 正弦波：015 0000000000由于 精度的轉(zhuǎn)換器，其計算如下： 80 5v/256(即 80 82 方波： 0其計算如下： 16 80 5v/256(即 80 7c 三角波： 000000000計算如下： 5a 5v/256(即 5a 下面依次類推。 本系統(tǒng)采用 片機，用編程的方法來產(chǎn)生三種波形，并通過編程 來切換三種波形以及波形頻率的改變。 具體功能有：（ 1）各個波形的切換； 17 （ 2）各種參數(shù)的設定； （ 3）頻率增減等。 軟件調(diào)通后，通過編程器下載到 后插到系統(tǒng)中即可獨立完成所有的控制。 軟件的流程圖如下： 圖 2開始 初始化 有鍵按下？ 下 下 下 輸出正弦波 液晶顯示 出方波 液晶顯示 出三角波 液晶顯示 輸出 延時增 F 減小 延時減 F 增大 液晶 顯示 f 液晶 顯示f 18 3 輸出波形的種類和調(diào)試 試環(huán)境 1， 試 說明：正弦波、矩形波、三角波信號的輸出，通過對獨立鍵盤來實現(xiàn)其的不同波形的輸出以及其頻率的改變。 試 過程 當程序下進去時經(jīng)過初始化，液晶屏的上只顯示“ 和“ f：“，當開關(guān)一 按一下是此時輸出波形為正弦波，按兩下時輸出為方波，按三下時輸出為三角波。另外兩個開關(guān)可以調(diào)節(jié)頻率，三種波形的頻率可調(diào)范圍不同，分別如下： 正弦波： 1 180 波： 1 角波： 1 180據(jù)示波器的波形頻率的顯示計算出三種波形的頻率計算公式如下： 正弦波： f=(1000/(9+3* 方 波： f=(100000/(3* 三角波： f=(1000/(15+3*其中 由單片機采用編程方法產(chǎn)生三種波形、通過 19 正弦波程序： if(1) /正弦波 / j=0;j #33; 32; 34; d=; 20; 21; 22; 35; 36; a,ys,j; 56= 0000000000000000000 28 0000;/*正弦波碼 */ z) /延時子程序 i,j; i=z;i0;j=110;j0; y) i; i=y;i0; /1602寫指令 ; P1=); ; ); ; /1602數(shù)據(jù) ; P1=); ; ); ; /初始化 ; ; ; 29 ; /寫 /寫 f： /寫頻率 000; 00%10; 0%10; ge=0; /顯示頻率 if(1) 1000/(9+3*; if(2) 30 100