畢業(yè)設(shè)計(jì)小論文

1、低頻函數(shù)發(fā)生器劉長(zhǎng)升，吳興波*（信息與控制工程學(xué)院，電信 0803班）摘 要：函數(shù)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)是基于C8051F410單片機(jī)設(shè)計(jì)的低頻函數(shù)發(fā)生器，可產(chǎn)生三角波、方波、正弦波，其波形的頻率、峰-峰值可以通過(guò)程序控制改變。關(guān)鍵詞：信號(hào)發(fā)生器；單片機(jī)；波形0 引 言在電子系統(tǒng)中經(jīng)常需要采用頻率和幅度可調(diào)的低頻信號(hào)發(fā)生器。但市面上能看到的儀器在頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足許多方面實(shí)際應(yīng)用的需求。本系統(tǒng)可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波，其頻率范圍為0.1Hz100Hz，步進(jìn)0.1Hz，峰-峰值范圍為0V20V，步進(jìn)0.

2、1V；系統(tǒng)通過(guò)LCM3310顯示屏顯示其輸出波形名稱、頻率、峰-峰值；并可通過(guò)按鍵改變其輸出波形、頻率、峰-峰值；通過(guò)串口與上位機(jī)通信，并實(shí)時(shí)顯示及改變輸出波形、頻率、峰-峰值。該低頻信號(hào)發(fā)生器具有低功耗、程控性、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。1 基本原理圖1 低頻函數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如圖1所示，C8051F410單片機(jī)是系統(tǒng)的核心控制芯片，通過(guò)其IDAC功能模塊和定時(shí)器模塊產(chǎn)生波形信號(hào)；波形輸出模塊主要是將核心控制芯片的IDAC輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并將其放大，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；鍵盤(pán)輸入模塊用于調(diào)整波形名稱、頻率、峰-峰值；NOKIA3310顯示屏為該系統(tǒng)的LCM顯示模塊，用于顯示輸出

3、波形名稱、頻率值、峰-峰值；串口通信模塊實(shí)現(xiàn)了與PC的實(shí)時(shí)通信。用戶既可以通過(guò)系統(tǒng)按鍵調(diào)節(jié)低頻函數(shù)發(fā)生器的輸出波形、頻率、峰-峰值，又可以通過(guò)PC機(jī)界面調(diào)整低頻函數(shù)發(fā)生器輸出波形的參數(shù)并顯示。為了減小電源紋波噪聲的干擾，本系統(tǒng)采用線性穩(wěn)壓電源作為供電電源，為系統(tǒng)提供+5V和15V直流電壓。*指導(dǎo)教師:吳興波(1964-),男,吉林通化人,吉林化工學(xué)院副教授,主要從事電子技術(shù)方面的研究. 聯(lián)系電話:.2 硬件電路設(shè)計(jì)2.1 主系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)C8051F410內(nèi)部包含一個(gè)低壓降穩(wěn)壓器（REG0）1。從VREGIN引腳輸入到REG0的電壓可達(dá)5.25V。REG0的輸出可以用軟件選擇2.1V或2.5V。

4、當(dāng)被使能時(shí)，REG0的輸出連到VDD引腳，為微控制器核供電，并可為外部器件提供電源，穩(wěn)壓器的輸入（VREGIN）和輸出（VDD）與地之間都應(yīng)接入一個(gè)起保護(hù)作用的旁路電容（4.7uF+0.1uF）。鍵盤(pán)電路由五個(gè)按鍵組成，分別為“波形選擇”、“模式選擇”、“頻率+10Hz（峰-峰值+10V）”、“頻率+1Hz（峰-峰值+1V）”、“頻率+0.1Hz（峰-峰值+0.1V）”。波形按鍵用于選擇輸出波形信號(hào)，可以選擇正弦波、方波、三角波；模式按鍵用于選擇需更改波形的頻率、峰-峰值等參數(shù)，+10、+1、+0.1按鍵用于在模式選擇確定的基礎(chǔ)上更改參數(shù)值，分別在原來(lái)基礎(chǔ)上+10Hz/+10V、+1Hz/+1

5、V、+0.1Hz/+0.1V，當(dāng)參數(shù)超出設(shè)定的最大值時(shí)參數(shù)變?yōu)楫?dāng)前數(shù)據(jù)減去設(shè)定的最大值。NOKIA3310顯示屏用于顯示波形名稱、頻率、幅值及模式提示標(biāo)志。電路如圖2所示。圖2 主系統(tǒng)圖2.2 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)圖3 直流穩(wěn)壓電源電路圖電路圖如圖3所示，市電經(jīng)變壓器降壓后通過(guò)整流橋整流和電容濾波，輸入到7815和7915三端穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓，分別得到+15V和-15V的電源。其中電容C9、C10、C12、C13用于儲(chǔ)能濾波；電容C8和C15用于抵消輸入線較長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng)，以防止電路產(chǎn)生自激振蕩；C11與C14用于消除輸出電壓中的高頻噪聲。+5V電源工作原理與+15V產(chǎn)生原理相同，其輸入電源引用了+15

6、V電源。2.3 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示，設(shè)計(jì)中，單片機(jī)IDAC模塊會(huì)產(chǎn)生02mA的電流信號(hào)，其經(jīng)過(guò)電阻R3轉(zhuǎn)換成02V的電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)電壓跟隨器LM358N(1)后增大電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出阻抗。LM358N(2)構(gòu)成一個(gè)差分比例放大電路，調(diào)節(jié)電阻R3與R8的值相等，參數(shù)對(duì)稱，則差分放大電路的輸出 (1)調(diào)節(jié)電阻R6，使Ui2的電壓為1V，通過(guò)差分放大電路消除直流分量。同時(shí)調(diào)節(jié)電阻R3和R8的阻值，使放大倍數(shù)為10倍，則輸出電壓的峰-峰值可達(dá)到-10V10V，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。 圖4 信號(hào)放大電路2.4 串口通訊模塊設(shè)計(jì)C8051F410單片機(jī)與PC的接口電路中采用芯片MAX232。具

7、體電路如圖5所示。圖5 串口電路由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成電荷泵電路，產(chǎn)生+12V和-12V兩個(gè)電源，提供給MAX232串口電平。芯片工作中，將單片機(jī)輸出的0/5V信號(hào)轉(zhuǎn)換成極性相反，電壓為+/-10V與PC機(jī)串口信號(hào)兼容的電壓信號(hào)2，完成單片機(jī)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)中，單片機(jī)會(huì)將波形名稱、頻率、峰-峰值等數(shù)據(jù)通過(guò)串口通訊傳送給PC機(jī)，同理，PC機(jī)也會(huì)將其設(shè)定好的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，形成實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。3 程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用到C8051F410單片機(jī)的定時(shí)器及IDAC產(chǎn)生頻率和幅值穩(wěn)定的波形,通過(guò)UART完成與上位機(jī)的通信。系統(tǒng)中，為了減少程序的運(yùn)行周期，在參數(shù)調(diào)整時(shí)，計(jì)算

8、對(duì)應(yīng)波形數(shù)據(jù)并存入到存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的數(shù)組中，由于C8051F410內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器太小，但是有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的2048字節(jié)RAM，所以將數(shù)組存放到外部數(shù)據(jù)地址空間中，用數(shù)據(jù)調(diào)用方式替代數(shù)據(jù)的計(jì)算方式。系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示：圖6 程序流程圖系統(tǒng)中，為了減少程序的運(yùn)行周期，在參數(shù)調(diào)整時(shí)，計(jì)算對(duì)應(yīng)波形數(shù)據(jù)并存入到存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的數(shù)組中，并將數(shù)組存放到外部數(shù)據(jù)地址空間中，用數(shù)據(jù)調(diào)用方式替代數(shù)據(jù)的計(jì)算方式3。由于單片機(jī)的執(zhí)行效率很低，在單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)中一般不會(huì)執(zhí)行數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)算，如sin()函數(shù)的計(jì)算。但是在一些特殊情況下，不得不用一些數(shù)學(xué)函數(shù)，因此將其數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)算放到函數(shù)初始化用計(jì)算，將連續(xù)

9、的函數(shù)進(jìn)行離散化。并將計(jì)算結(jié)果存入數(shù)組中，將后續(xù)程序中數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算改成數(shù)據(jù)的調(diào)用4。在低頻函數(shù)發(fā)生器中。波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生就是運(yùn)用了這一理論。正弦波信號(hào)離散化數(shù)據(jù)產(chǎn)生代碼如下：for(i=0;iPOINTS;i+)/正弦波數(shù)據(jù)初始化WAVE_TABi=(int)(2047*sin(2*Pi*(float)(i)/POINTS)/2000*voltage)+2048;三角波信號(hào)離散化數(shù)據(jù)產(chǎn)生代碼如下：for(i=0;iPOINTS/2;i+) /三角波數(shù)據(jù)初始化 WAVE_TABi= (int)(float)(i)*4095/(POINTS/2)-2048)/2000*voltage)+2048;f

10、or(i=POINTS/2;iPOINTS;i+)WAVE_TABi=(int)(2047(float)(float)(i)-POINTS/2)*4095/(POINTS/2)/2000*voltage)+2048;方弦波信號(hào)離散化數(shù)據(jù)產(chǎn)生代碼如下：for(i=0;iPOINTS/2;i+) /方波數(shù)據(jù)初始化 WAVE_TABi= (int)(double)(2047)/2000*voltage)+2048;for(i=POINTS/2;iPOINTS;i+)WAVE_TABi= (int)(double)(-2047)/2000*voltage)+2048;4 PC機(jī)界面設(shè)計(jì)利用串口進(jìn)行通信

11、，除了通信所需要的硬件與線路外，更重要的是要有一套相關(guān)的通信軟件。盡管市面上有許多商品通信軟件，但很多情況下商品通信軟件滿足不了實(shí)際工作的需要。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的通信軟件都是用一種定制模式，雖然可以完成收發(fā)文件等眾多功能，但還是不能滿足系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需要。為方便軟件開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)串口通信程序，微軟公司Microsoft Visual Basic開(kāi)發(fā)軟件推出了MSComm控件，使串口編程變得非常容易。本設(shè)計(jì)中，采用Microsoft Visual basic 6.0編寫(xiě)了帶串口通信的低頻函數(shù)發(fā)生器用戶界面5。通過(guò)PC界面，更容易觀察到低頻函數(shù)發(fā)生器輸出信號(hào)的參數(shù)，并可通過(guò)PC機(jī)改變輸出信號(hào)的參數(shù)。用戶界面如

12、圖7所示。圖7 低頻函數(shù)發(fā)生器PC機(jī)用戶界面低頻函數(shù)發(fā)生器用戶界面設(shè)計(jì)中，應(yīng)用到數(shù)據(jù)拆分與合并的技術(shù)。單片機(jī)發(fā)給PC機(jī)的數(shù)據(jù)是一整串?dāng)?shù)據(jù)，它包含了波形名稱、頻率、峰-峰值等數(shù)據(jù)，在用戶界面中中需要顯示波形名稱、頻率、峰-峰值時(shí)，就要將數(shù)據(jù)串拆分出各部分對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)。反之，當(dāng)用戶界面修改了參數(shù)，PC系統(tǒng)會(huì)將波形名稱、頻率、峰-峰值等參數(shù)合并成單片機(jī)正確識(shí)別的格式，才能形成正確的通訊。5 結(jié)論本系統(tǒng)所產(chǎn)生的三種波形分別為正弦波、方波、三角波。頻率范圍在0.1Hz100Hz，峰-峰值范圍在0V20V內(nèi)可調(diào)。系統(tǒng)通過(guò)LCM3310顯示屏顯示輸出波形名稱及波形的頻率、峰-峰值，并可通過(guò)按鍵改變輸

13、出波形及其頻率、峰-峰值。并編寫(xiě)PC機(jī)控制軟件，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)與PC機(jī)的通信。以C8051F410為核心的低頻函數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了正弦波、方波、三角波的輸出。其頻率實(shí)現(xiàn)了在0.1Hz100Hz之間頻率步進(jìn)0.1Hz，峰-峰值在0V20V內(nèi)步進(jìn)0.1V。通過(guò)測(cè)量，頻率誤差小于0.05Hz，峰-峰值誤差小于0.04V。與上位機(jī)的通信正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。參考文獻(xiàn)1 許玲,程小琰.C8051F020單片機(jī)的特點(diǎn)及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用J.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).2006(06)2 吳興中,歐青立.一種PC與單片機(jī)多機(jī)RS232串口通信設(shè)計(jì)J.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù). 2009(01)3 童長(zhǎng)飛編著.C8051F

14、系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)與C語(yǔ)言編程M.北京航空航天大學(xué)出版社, 20054 曾志海,陳欣卓,胡瑞華.基于C8051F005的數(shù)字正弦函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)J.自動(dòng)化儀表. 2006(05)5 徐永洪,符影杰,江峰,范獻(xiàn)林.基于VB 6.0的串口通信實(shí)現(xiàn)J.儀器儀表用戶. 2004(01)Low Frequency Function GeneratorLIU Chang-sheng , WU Xing-bo*(Class-0803, Major of Electronic and Information Engineering, College of Information &Control Engineering)Abstract: Function generator is always used for signal generator, it is widely applied in the field of electronic circuit, automatic control system and teaching experiment. This design