基于單片機(jī)的信號發(fā)生器

課程設(shè)計(論文)題目名稱信號發(fā)生器設(shè)計課程名稱單片機(jī)原理與應(yīng)用學(xué)生姓名學(xué)號系專業(yè)信息工程系信息工程類〔信息類〕指導(dǎo)教師2010年07目錄摘要ITOC\o"1-2"\h\z\u第1章緒論21.1設(shè)計背景21.2設(shè)計要求21.3設(shè)計思路2第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計32.1設(shè)計總框圖32.2各模塊功能32.3設(shè)計總電路圖10第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計113.1主程序流程圖113.2子程序流程圖12第4章系統(tǒng)仿真與調(diào)試164.1電路仿真164.2系統(tǒng)調(diào)試17第5章總結(jié)與展望185.1總結(jié)185.2展望18參考文獻(xiàn)19致謝20附錄〔源程序清單〕21第1章緒論1.1設(shè)計背景信號發(fā)生器是提供各種測量所需信號的儀器，它是一種常用的信號源，廣泛應(yīng)用于電子電路、自動控制和科學(xué)實驗等領(lǐng)域。在分析電子線路時，常常需要了解輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系，為此常用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個信號來鼓勵系統(tǒng)，以便觀察、分析它對鼓勵信號的反響。自十九世紀(jì)六十年代以來，信號發(fā)生器有了迅速的開展。出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、合成信號發(fā)生器、程控信號發(fā)生器等新種類，各類信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)也有了大幅度的提高，同時在簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)、小型化、多功能等各方面也有了顯著的進(jìn)展。信號發(fā)生器是一種能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號的電子儀器，是工業(yè)生產(chǎn)和電工、電子實驗中經(jīng)常使用的電子儀器之一。信號發(fā)生器種類較多，性能各有差異，但它們都可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波、調(diào)幅波調(diào)頻波信號，以及各種頻率的方波、三角波、鋸齒波和正負(fù)脈沖波信號等。利用信號發(fā)生器輸出的信號，可以對元器件的性能及參數(shù)進(jìn)行測量，還可以對電工和電子產(chǎn)品進(jìn)行指數(shù)驗證、參數(shù)調(diào)整及性能鑒定。在對數(shù)電路傳遞網(wǎng)絡(luò)中、電容與電感組合電路、電容與電阻組合電路及信號調(diào)制器的頻率、相位的檢測中都可以得到廣泛的應(yīng)用。1.2設(shè)計要求利用單片機(jī)產(chǎn)生方波、鋸齒波、三角涉及正弦波，要求波形任意切換，頻率、幅度在線可調(diào)。并對各種波形的頻率和幅度進(jìn)行程序的編寫，并將所寫程序裝入單片機(jī)的程序存儲器中。在程序運行中，當(dāng)接收到來自外界的命令，需要輸出某種波形時再調(diào)用相應(yīng)的中斷效勞子程序和波形發(fā)生程序，經(jīng)電路的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和運算放大器處理后，從信號發(fā)生器的輸出端口輸出。1.3設(shè)計思路首先應(yīng)該了解本次設(shè)計的根本要求和目的，再通過查找資料了解80C51單片機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)圖，ADC0808的工作原理和應(yīng)用。根據(jù)設(shè)計要求畫出設(shè)計流程圖，在此根底上利用匯編語言進(jìn)行編程。最后根據(jù)要求利用Proteus畫出電路圖進(jìn)行仿真。第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1設(shè)計總框圖設(shè)計總框圖見圖2.1圖2.1設(shè)計總框圖此方案由振蕩電路、復(fù)位電路與單片機(jī)一起構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，各種波形由單片機(jī)程序產(chǎn)生，波形數(shù)據(jù)通過P0口送D/A轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換后經(jīng)放大濾波后輸出。2.2各模塊功能80C51單片機(jī)的信號引腳說明及其功能〔1〕80C51的信號引腳①80C51的引腳排列參見圖2.2圖2.280C51引腳②80C51信號引腳介紹P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8個TTL門電流。當(dāng)P0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(dāng)FIASH進(jìn)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(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)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(nèi)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(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)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(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。P2口在P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)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〔ILLRST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)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低位字節(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。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)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址期間，每個機(jī)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(dāng)EA保持低電平時，那么在此期間外部程序存儲器〔0000H-FFFFH〕，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，EA將內(nèi)部鎖定為RESET，當(dāng)EA端保持高電平時，此間內(nèi)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(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。VCC：供電電壓。GND：接地。③P3口的第二功能P3口的8條口線都定義有第二功能，詳見表2.1表2.1P3口的第二功能表引腳第二功能信號名稱P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2外部中斷0申請P3.3外部中斷1申請P3.4T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入P3.5T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入P3.6外部RAM寫選通P3.7外部RAM讀選通DAC0808數(shù)/模轉(zhuǎn)換器PMI公司的雙列直插式CMOS開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC080，為16引腳電流輸出型結(jié)構(gòu)?；鶞?zhǔn)電壓為5.00V，電源電壓為+5V~-15V。當(dāng)輸入端AI~A8，參加上下電平時，在3腳可輸出相應(yīng)的電流，經(jīng)LF351轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓。如圖2.3所示。圖2.3DAC0808數(shù)/模轉(zhuǎn)換器復(fù)位電路為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路時必不可少的一局部，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.75—5.25V。由于微機(jī)電路時時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當(dāng)VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復(fù)位信號才被撤除，微機(jī)電路開始正常工作。復(fù)位電路工作原理如下圖，VCC上電時，C充電，在1K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位；幾個毫秒后，C充滿，1K電阻上電電流降為0，電壓也為0，使得單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。工作期間，按下S1，C放電。S1松手，C又充電，在10K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位。幾個毫秒后，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。其電路圖如圖2.4所示。圖2.4復(fù)位電路振蕩電路本系統(tǒng)使用AT89C51單片機(jī)內(nèi)振蕩和時鐘產(chǎn)生電路外接微調(diào)電容和振蕩晶體來產(chǎn)生時鐘周期信號來完成對時間周期的準(zhǔn)確計時，提高元件利用效率。其電路圖如圖2.5所示。圖2.5振蕩電路2.2.5利用四位DIP開關(guān)，實驗四種波形之間的切換，K1、K2、K3、K4分別控制方波、鋸齒波、三角波、正弦波。其電路圖如圖2.6所示。圖2.6波形切換電路2.2.6D/AD/A轉(zhuǎn)換就是把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，在本次設(shè)計中將單片機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為波形輸出，可以生成正弦波、方波、三角波、鋸齒波。其電路圖如圖2.7所示。圖2.7D/A轉(zhuǎn)換器2.2.7利用8位DIP的狀態(tài)，向P2口輸入一個8位二進(jìn)制的數(shù)據(jù)，作為延時的參數(shù)，從而實現(xiàn)在線的頻率調(diào)節(jié)。其電路圖如2.8所示。圖2.8頻率調(diào)整電路2.2.8信號發(fā)生器所產(chǎn)生的波形電壓、電流有限，缺乏以驅(qū)動較大的負(fù)載或帶動后級電路，為了能使強(qiáng)度到達(dá)要求，在信號發(fā)生器后必須接入放大電路對信號進(jìn)行調(diào)理。本信號發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)方波、鋸齒波、三角涉及正弦波的輸出。其電路圖如圖2.9所示。圖2.9放大電路2.3設(shè)計總電路圖總電路圖如圖2.10所示：圖2.10設(shè)計總電路圖第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1主程序流程圖在系統(tǒng)的程序設(shè)計中，主控模塊只負(fù)責(zé)根據(jù)消息調(diào)用相應(yīng)模塊的處理函數(shù)，具體如何處理這些消息由各功能模塊中的對應(yīng)程序決定。當(dāng)收到SQU-K按下的指令后，SQUARE燈點亮，調(diào)出方波輸出的相關(guān)程序，就實現(xiàn)了方波的產(chǎn)生，并在示波器上顯示出來。當(dāng)收到SAW-K按下的指令后，SAWTOOTH燈點亮，調(diào)出鋸齒波輸出的相關(guān)程序，就實現(xiàn)了鋸齒波的產(chǎn)生，并在示波器上顯示出來。當(dāng)收到TRI-K按下的指令后，TRIANGLE燈點亮，調(diào)出三角波輸出的相關(guān)程序，就實現(xiàn)了三角波的產(chǎn)生，并在示波器上顯示出來。當(dāng)收到SIN-K按下的指令后，SINEWAVE燈點亮，調(diào)出正弦波輸出的相關(guān)程序，就實現(xiàn)了正弦波的產(chǎn)生，并在示波器上顯示出來。主流程圖如圖3.1所示：圖3.1主程序流程圖3.2子程序流程圖3.2.1按下SQU-K開關(guān)，點亮SQU-L，調(diào)出方波輸出程序，輸出一個周期的方波，流程圖如圖3.2所示：圖3.2方波程序流程圖3.2.2按下SAW-K開關(guān)，點亮SAW-L，調(diào)出鋸齒波輸出程序，輸出一個周期的鋸齒波，流程圖如圖3.3所示：圖3.3鋸齒波程序流程圖3.2.3按下TRI-K開關(guān)，點亮TRI-L，調(diào)出三角波輸出程序，輸出一個周期的三角波，流程圖如圖3.4所示：圖3.4三角波程序流程圖3.2.4按下SIN-K開關(guān)，點亮SIN-L，調(diào)出正弦波輸出程序，輸出一個周期的正弦波，流程圖如圖3.5所示：圖3.5正弦波程序流程圖第4章系統(tǒng)仿真與調(diào)試4.1電路仿真采用proteus仿真軟件進(jìn)行仿真，在仿真之前先按照預(yù)設(shè)值好的電路圖進(jìn)行連線，以及布局，最后確定線路已連接好，再運行開始仿真。其仿真結(jié)果如下列圖所示：方波的仿真如圖4.1所示，此波形為幅度為5V，頻率為1000Hz的方波。圖4.1方波仿真圖三角波的仿真如圖4.2所示，此波形為幅度為5V，頻率為1000Hz的三角波。圖4.2三角波仿真圖鋸齒波的仿真如圖4.3所示，此波形為幅度為5V，頻率為1000Hz的鋸齒波。圖4.3鋸齒波仿真圖正弦波的仿真如圖4.4所示，此波形為幅度為5V，頻率為1000Hz的正弦波。圖4.4正弦波仿真圖4.2系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)方案設(shè)計要求，調(diào)試過程共分三大局部，硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，軟件和硬件聯(lián)調(diào)。電路按模塊逐個調(diào)試，各模塊調(diào)試通過后再聯(lián)調(diào)。程序先在最小系統(tǒng)板調(diào)試，通過后再軟硬聯(lián)調(diào)。1、硬件調(diào)試信號電路干擾性強(qiáng)，對周圍的電路有一定的影響，我們采取了各種干擾措施。例如引線盡量短，減少交叉，盡量減少跳線，在電源輸入端都加上去耦電容，數(shù)字地與模擬地分開，信號源與地盡量離遠(yuǎn)，增大接地面積，實踐證明，這些措施對消除某些引腳上的毛刺及干擾噪聲起到了很好的作用。由于輸出頻率很高，因此對運放的帶寬有一定的要求。軟件調(diào)試本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)采用C51寫，調(diào)試也是分模塊進(jìn)行，各個模塊調(diào)試通過函數(shù)調(diào)用，程序結(jié)構(gòu)了，容易查錯。3、軟硬聯(lián)調(diào)按程序定義的各個口分別把線接好，然后把程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)控制各個模塊觀察信號發(fā)生器的輸出信號并對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。第5章總結(jié)與展望5.1總結(jié)通過單片機(jī)課程設(shè)計，我不僅加深了對單片機(jī)理論的理解，將理論很好地應(yīng)用到實際當(dāng)中去，而且我還學(xué)會了如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。還讓我認(rèn)識到單片機(jī)作為一門實踐性很強(qiáng)的學(xué)科，動手能力是非常有必要而且必須的。在這次課程設(shè)計中，遇到了不少問題，不過經(jīng)過老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助，查閱各種資料，最后都一一解決了，比擬順利的完成了這次設(shè)計。在這里我感謝許老師的耐心指導(dǎo)和幫助。通過這次課程設(shè)計，也發(fā)現(xiàn)了自己的很多缺乏，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比擬缺乏，理論聯(lián)系實際的能力還急需提高。而這次設(shè)計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常珍貴的。5.2展望單片機(jī)技術(shù)作為一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，其開展直接影響著人們的生活、工廠的生產(chǎn)，甚至國防、軍事、通信等許多方面。信號發(fā)生器作為一種儀器，在工程設(shè)計，工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用和開展，我相信隨著單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和開展，信號發(fā)生器將愈來愈朝著精度高、靈敏度高、實用性廣等方面得到開展的。參考文獻(xiàn)[1]程全.基于AT89C51實現(xiàn)的多種波形發(fā)生器的設(shè)計[J].周口師范學(xué)院學(xué)報，2005.22(5)：57～58.[2]周明德.微型計算機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.341～364.[3]劉樂善.微型計算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.258～264.[4]童詩白.模擬電路技術(shù)根底[M].北京：高等教育出版社，2000.171～202.[5]杜華.任意波形發(fā)生器及應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù)，2005.1：38～40.[6]張友德.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實踐[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2004.40～44.[7]程朗.基于8051單片機(jī)的雙通道波形發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2004.8：100～103.[8]張永瑞.電子測量技術(shù)根底[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.61～101.[9]李葉紫.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.232～238.[10]蔡美琴.MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，1988.56～289.致謝本課程設(shè)計是在劉偉春老師的悉心指導(dǎo)、幫助和催促下完成的。從課題的選題到課題的開發(fā)與研究，再到本課程設(shè)計的撰寫到定稿的每一步工作都傾注著劉老師的心血和汗水，同時得到同學(xué)們相助，并提供了大量的資料。在此，對于老師和同學(xué)們的幫助表示忠心的感謝。通過本次課程設(shè)計，使我學(xué)到了許多書本上無法學(xué)到的知識,也使我深刻體會到單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。不僅讓我對學(xué)過的單片機(jī)知識有了很多的穩(wěn)固，同時也對綜合電子這一類課程產(chǎn)生了更大的興趣。本設(shè)計涉及到《單片機(jī)原理及應(yīng)用》、《數(shù)字電子技術(shù)根底》、《模擬電子技術(shù)》等學(xué)科。讓我對專業(yè)知識有了更深的理解，也使我意識到了單片機(jī)這門學(xué)科的重要性。在做課程設(shè)計的初期階段，難度很大，沒有頭緒。通過求助于劉老師和同學(xué)，理清了思路。同時，在圖書館里、網(wǎng)上查閱資料，攻克了課程設(shè)計中的道道難題。最后經(jīng)過指導(dǎo)老師劉老師的耐心指點和和自己連續(xù)的奮戰(zhàn)才算根本合格。從這次課程設(shè)計我得到了一個經(jīng)驗：辦事只要有就會簡單很多。本次設(shè)計我能獨立完成，算是有了很大的收獲。但最終要感謝劉老師的細(xì)心輔導(dǎo)和同學(xué)們的幫助。附錄〔源程序清單〕SQU_KBITP3.4;方波選擇端設(shè)為P3.4SAW_KBITP3.5;鋸齒波選擇端設(shè)為P3.5TRI_KBITP3.6;三角波選擇端設(shè)為P3.6SIN_KBITP3.7;正弦波選擇端設(shè)為P3.7SQU_LBITP1.0;方波指示端設(shè)為P1.0SAW_LBITP1.1;鋸齒波指示端設(shè)為P1.1TRI_LBITP1.2;三角波指示端設(shè)為P1.2SIN_LBITP1.3;正弦波指示端設(shè)為P1.3ORG00HSTART:MOVP1,#0FFH;將P1初始化為0FFHMOVP2,#0FFHMOVP3,#0FFHMOVDPTR,#SIN_TAB;將DPTR指向正弦數(shù)據(jù)表頭MAIN:MOVP0,#00H;將P0初始化為00HJNBSQU_K,S1;檢測方波選擇端SQU_K，假設(shè)SQU_K=0程序轉(zhuǎn)向S1SETBSQU_L;將SQU_L置1JNBSAW_K,S2SETBSAW_LJNBTRI_K,S3SETBTRI_LJNBSIN_K,S4SETBSIN_LSJMPMAINS1:CLRSQU_L;去除SQU_LLCALLSQUARE;調(diào)方波子程序SJMPMAINSQUARE:MOVR0,#00HJ11:MOVP0,#0FFH;P0口輸出0FFHMOVP2,#0FFHMOVA,P2;讀P2口狀態(tài)CPLA;取反MOVR3,AL11:DECR3CJNER3,#255,L11;比擬假設(shè)R3不等于255，轉(zhuǎn)向L11INCR0CJNER0,#254,J11;比擬假設(shè)R3不等于254，轉(zhuǎn)向J11MOVR0,#00H;R0清0J12:MOVP0,#00H;P0口輸出00HMOVP2,#0FFHMOVA,P2CPLAMOVR3,AL12:DECR3CJNER3,#255,L12;比擬假設(shè)R3不等于255，轉(zhuǎn)向L12INCR0CJNER0,#254,J12;比擬假設(shè)R0不等于254，轉(zhuǎn)向J12MOVR0,#00HRETS2:CLRSAW_LLCALLSAWTOOTH;調(diào)鋸齒波子程序SAWTOOTH:CLRAMOVR7,AJ21:MOVP0,R7;P0口輸出00HMOVP2,#0FFHMOVA,P2CPLAMOVR3,AL21:DECR3CJNER3,#255,L21INCR7CJNER7,#255,J21RETSJMPMAINS3:CLRTRI_LLCALLTRIANGSJMPMAIN;調(diào)三角波子程序TRIANG:MOVR7,#00HJ31:MOVP0,R7MOVP2,#0FFHMOVA,P2CPLAMOVR3,AL31:DECR3CJNER3,#255,L31INCR7CJNER7,#255,J31J32:MOVP0,R7MOVP2,#0FFHMOVA,P2CPLAMOVR3,AL32:DECR3CJNER3,#255,L32DECR7DECR7CJNER7,#00,J32RET