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1、-基于单片机的低频信号发生器的设计-第 10 页5 密级： 公开 科学技术学院NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OFSCIENCE AND TECHNOLOGY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR（2011 2015年）题 目 基于单片机的低频信号发生器的设计 学 科 部： 信息学科部 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子111班 学 号： 7020911039 学生姓名： 付利娟 指导教师： 陶凌 起讫日期： 2014年12月2日2015年5月26日 目 录摘要.IAbstract.II第一章 绪论.11.1 课题背景.11.2课题目的.1
2、1.3课题任务.1第二章 硬件设计与方案的选择.32.1信号发生器工作原理.3 2.2元件的介绍.3 2.2.1 单片机的介绍.3 2.2.2 芯片DAC0832的原理及功能.4 2.2.3 1602显示屏的原理及功能.6 2.2.4 芯片LM324的原理及功能.7 2.3硬件电路的设计和分析.9 2.3.1电源部分.9 2.3.2按键输入部分.10 2.3.3显示输出部分.10 2.3.4 数据转换输出部分.11第三章 软件的设计.123.1 程序流程图.123.2 波形实现的程序介绍软件设计.123.2.1 正弦波的设计.123.2.2 三角波的设计.133.2.3 方波的设计.133.2
3、.4 锯齿波的设计.143.2.5 梯形波的设计.14第四章 性能测试与分析.154.1 输出波形的种类与频率测试.154.2 实物测试结果.16总结.18参考文献（References）.19致 谢.20附录一：硬件电路原理图.21附录二：PCB图.21附录三：protues仿真图.22基于单片机的低频信号发生器的设计 专业：电子信息工程 学号：7020911039 学生姓名：付利娟 指导教师：陶凌摘要:随着20世纪的到来，社会发展的越来越快，越来越多的工作要依靠电子产品来完成，不管在实验还是现实生活中，用函数信号发生器作为测量工具的变得越来越多，不管是在实验室还是在科技研究中，函数信号发生
4、器的用途变得越来越重要。函数信号发生器主要是由硬件和软件两方面来组成的，在硬件方面选择单片机电路，稳压电源电路，数模转换电路，显示电路以及按键控制电路等。在软件方面，主要是利用程序来实现五种波形，在本次设计中要用到dxp软件进行PCB制图，然后编写程序要在Keil uVision环境中编译，通过protues来完成仿真。本次选择单片机来制作主要是因为程序灵活性高，并且编写程序的扩展功能可以随时添加，且信号稳定。关键字：单片机；低频信号发生器；KeilMCU-based low-frequency signal generator designAbstract：With the advent o
5、f the 20th century, social development faster and faster, more and more work to rely on electronic products to complete, regardless of in the experiment or in real life, with a function signal generator as the measurement tools become more and more, whether in the laboratory or in scientific and tec
6、hnological research, function signal generator in use today becomes more and more important. Function signal generator is mainly composed of two aspects of hardware and software of, select the microcontroller circuit in hardware, regulated power supply circuit, digital to analog conversion circuit,
7、showing circuit and the key control circuit. In terms of software, mainly is the application to achieve waveform five, in the design to use DXP software for PCB drawing, and then write a program to compile in keil uVision environment, to accomplish through simulation Protues. The choice of single-ch
8、ip microcomputer to production mainly because of high program flexibility, and the expansion of the program can be added at any time, and signal stability.Keywords: AT89C51;Low-frequency generator;Keil第一章 前言1.1 课题背景 随着社会的快速改变，越来越多的电子测量产品出现，信号发生器在实验室常用做信号源的输出仪器，他是一种作为电子测量标尺的电信号设备，信号发生器和示波器，电压表仪器都是最普通
9、，最基本的，也是利用最为广泛的基本设备。随着信号发生器的发展和改进，信号发生器也变得越来越先进，同时性能也得到了很大的提高，机械更加简单化，小型化、功能也更加全面。信号发生器是现阶段最有用的测量仪器。由于全球各国对于科技发展的高度重视，对测试的仪器和测试的手段也相应的出现了严格的要求，信号发生器作为测试仪器最基本的仪器，也是我们必须掌握的最基本的入门设备，因此开发和研究信号发生器是一个重大的意义课题。传统的信号发生器与现在基于单片机的信号发生器存在明显的不足，以前的采用专用芯片，花费高，灵敏度不高。急于单片机的设计完美利用单片机灵活的控制、丰富的处理能力，采用DDS技术，实现频率、幅值可调的函
10、数波形的输出，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。谐振法与合成法这两种方案是通过改变频率来实现的。以前的发生器都是通过谐振法来改变频率达到制作信号发生器的，通过频率选择和合成来获得所需频率弦振荡，作为现在测量的主流设备，越来越多的大学已经将函数信号发生器的制作作为工程实训的课程来制作，通过自己动手制作来了解函数信号发生器的工作原理以及硬件电路的组成，通过也需要同学在掌握硬件的时候对于信号发生器的软件也要有相应的了解，这样才可以达到了解函数信号发生器的特点，在单片机的的基础上制作的函数信号发生器，主要是通程序的编写来实现其功能的实现，并且还可以通过编写
11、不同的程序来实现很多的扩展程序，所以优点很多，所以我们在制作他时应该对于单片机的了解要达到很深的了解，单片机作为高校必要的课程，在现在我国的很多大学都已经将单片机的学习作为一门必要的必修课，之所以这么重视单片机这么课程，主要的原因是因为现在很多的电子产品和电子设备都是基于单片机来完成的，所以在对于单片机的了解这也是密不可分的。 1.2 课题目的函数信号发生器在现在具有十分广泛的用途，信号发生器是通过软件和硬件的结合来完成。硬件采用以单片机作为控制核心和数据的处理，数字信号变为模拟信号主要是利用DAC0832芯片来实现，最后通过显示器显示。同时按键可以控制五种波形的类型、和控制频率。软件方面可以
12、利用程序来完成正弦、三角、锯齿、梯形和方波五种波形的实现。1.3 课题任务 任务要求如下：（1）设计函数信号发生器，输出五种波形。例如方波，正炫波等。（2）使用同一按键选择五个波形，依次输出。波形的频率都可以通过所设定的按键来调节，其中产生正弦波的频率控制在1050Hz，以每按一次10Hz向上增加；产生三角波形的频率范围控制在50250Hz，以每按一次50Hz向上增加；产生方波波形的频率控制在2001000Hz，以每按一次200Hz向上增加；产生锯齿波波形的频率控制在100 500Hz,以每按一次100Hz向上增加；产生梯形波波形的频率在50250Hz,以每按一次50Hz向上增加。（3）LCD
13、显示屏上要显示波形的名称和频率的大小。 第一行显示内容为： 输出正弦波时显示：Sine Wave； 输出三角波时显示：Triangle Wave； 输出方波时显示：Square Wave； 输出锯齿波时显示：Sawtooth Wave； 输出梯形波时显示：Trapezoidal Wave； 第二行显示内容为：Frequency: * Hz 。本次课题的制作由软件设计和硬件设计两部分组成。（1） 系统的硬件设计：硬件电路的组成主要包括单片机控制电路，数模转换电路，独立按键控制电路，显示电路以及稳压电源电路。（2） 系统的软件设计：软件电路重要是通过软件的编程来控制硬件电路实现功能。通过DXP软件
14、生成原理图和PCB图，通过keil软件进行程序的编写，同时通过protues软件进行仿真。第二章 硬件电路的设计2.1信号发生器的设计 信号发生器电路的控制核心和数据的处理主要依靠单片机来实现，要完成信号发生器的制作主要利用按键输入控制，显示器电路输出显示。，通过DAC0832利用D/A转换来实现数字转换成模拟信号，接着滤波放大，最后通过LCD1602显示器显示。单片机AT89C51利用程序来产生正弦、三角和方波等波形，同时按键可以控制波形的类型、和控制频率。 根据任务要求以及一些资料参考，对系统进行总体框架图【1】。硬件主要由AT89C51单片机、LM324放大电路、DAC0832数模、LM
15、324放大电路、按键电路、电源电路组成。总体图如图2.1所示图2.1信号发生器框图2.2元件的介绍2.2.1单片机的介绍 单片机AT89C51的原理及功能单片机的内部总线上有许多的功能部件，这些功能部件可以通过内部的总线来进行数据的传送以及信息的控制【2】，并且他们会分工来使用这些总线，不会产生混乱的情况，这就是内部单总线的结构形成，图2.2为单片机内部结构框图振荡器和时序OSC程序存储器4KB ROM数据存储器256B RAM/SFR振荡器和时序OSC8051CPU64KB总线输出口全双工串行口外中断内中断控制并行口串行通信外部事件计数外时钟源图2.2 单片机内部结构框图 VCC：电源 GN
16、D：接地线 XTAL1：片内振荡电路的输入端 XTAL2：片内振荡电路的输出端 RST/VPP(Pin9)：复位引脚 ALE/PROG：地址锁存允许信号 PSEN：外部存储器读选通信号 EA/VPP：程序存储器的内外部选通 AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口， PO口：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7 P1口：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7单片机的基本功能是控制电路和做好最小系统的工作【3】。最小系统包括复位电路、晶振电
17、路、使能电路。其连接方法如图2.3所示。图2.3单片机最小系统电路图2.2.2芯片DAC0832的原理及功能DAC0832是8分辨率的数模转换的芯片【4】，又称8路模拟开关他是由地址锁存与译码器、8位逐次逼近型ADC和三态输出锁存缓冲器三大部分组成。DAC0832的输出形式是通过电流的激活来完成，也可以通过接入外接运算放大器来形成电压。其结构图如图2.4所示：图2.4 DAC0832内部框图1.工作方式a.单缓冲工作方式：一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态【5】。在不要求多相D/A同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高D/A的数据吞吐量。单缓
18、冲工作方式：输入寄存器工作于受控状态DAC寄存器工作于直通状态图2.5单缓冲工作方式 单缓冲工作方式：输入寄存器工作于直通状态DAC寄存器工作于受控状态 图2.6单缓冲工作方式b.双缓冲工作方式：两个寄存器均工作于受控锁存器状态。图2.7双缓冲工作方式4.计算方法（N为输入的数字量）例如：当n=8时，代入上式得：（N为输入的数字量）2.2.31602显示屏的原理及功能1602显示屏实物图如图2.8所示：图2.81602显示屏1. 引脚的介绍 表2.1 1602显示屏引脚的介绍 2.地址表 LCD1602作为一个显示器，在编写相对应的程序时需要定义它的地址位6， 所以编写程序的地址如下表所示：
19、表2.2 LCD1602地址表2.2.4LM324芯片的介绍LM324内部是由4个运算放大器合成7，既可接一个独立的电源使用 (330 V)，也可接两个电源使用(1.515 V)，可与TTL逻辑电路相容。因为驱动功耗低8，图2.9LM324芯片2.反相放大器 图2.10反相放大器电路图 3.同相比例放大器 图2.11同相比例放大电路图2.2.5稳压芯片的介绍 稳压电路的形成是要通过稳压芯片通过将220v的电压经过整流来生成你所需要的电压，那么整流电路的核心组成是通过7809,7809,7909.来完成9。78*系列的是输出正电压的芯片，79*是输出负电压的芯片。通过要判断芯片所代表输出的电压可
20、以通过他的后面两个数字来实现，本次需要的电压是需要+9V、+5V、-5V。如图2.12所示分别为稳压芯片7809,7805,7909稳压芯片的管脚排布: 图2.12 稳压芯片7805,7809,7909特点: 1)7805,7909最大输出电流为1.5A,7909最大输出电流为1A; 2)输出电压分别为+5V,+9V,-9V； 3)热过载保护； 4)短路保护； 5)输出晶体管安全工作区保护10 2.3硬件电路的设计和分析 信号发生器主要是通过复位电路，电源电路，显示电路，DA转换电路，按键电路，时钟电路组成。总的原理图如下所示：图2.13数字钟的原理图2.3.1电源部分 由于需要的电压有：+5
21、V、+9V及-9V，所以电源部分的设计采用了常用的三端稳压芯片7805、7809及7909，可分别输出电压为+5V、+9V及-9V。图2.14中D1D4为整流部分，用于将交流电转换为直流电。二极管亮红灯代表+5V电压，发光二极管亮绿灯代表有-9V电压，发光二极管亮黄灯代表有+9V电压。K1为带锁按键，用于开头电源。P7为电源地接口。图2.14整流模块电路图2.15电源部分电路图 2.3.2按键输入部分 如图所示为按键电路模块设计，由三个按键及二极管组成的系统通过对单片机传输中断信号来实现波形切换及频率调节。中断口为INT0口。图2.16输入部分电路图三个按键的功能分别如下：键：选择信号键，开始
22、运行时显示屏显示正弦波，按下输出三角波，按二下输出方波，按三下又输出正弦信号，按四下出锯齿波，按五下梯形波，如此循环下去。键：增加频率。步值键分别为正弦波10Hz，三角波100Hz，方波200Hz。锯齿波100Hz,梯形波50Hz。DOWN键：减少频率。步值键分别为正弦波10Hz，三角波100Hz，方波200Hz。锯齿波100Hz,梯形波50Hz。 2.3.3液晶LCD1602电路 输出显示电路主要是利用液晶显示屏LCD1602 来实现，输出电路中将电位器与LCD1602的VO脚来实现调节屏幕的背光亮度，同时将LCD1602的数据接口与单片机的p1口连接来实现数据的显示。屏幕的显示界面由两行来
23、实现，第一行显示输出信号的类型，第二行：显示当前波形所对应的频率值。图2.17显示输出电路图 2.3.4 D/A转换输出部分与放大电路 由于单片机输出的是数字信号，所以为了得到模拟信号11，我们应该通过DAC0832芯片作为数码转换电路，从单片机中输出的数字信号经过DAC0832转换后，由于信号的幅值比较小，所以需要放大。采用常规的放大方式，采用两片运放，实现两级放大，同时通过信号放大电路（图2.18 信号放大电路图）来进行信号的放大。DAC0832的工作原理是利用他的单缓冲模式，同时将他与单片机的P2管脚相连。 图2.18信号放大电路图第三章 软件的设计3.1程序流程图当硬件和软件都完成时，
24、那么就应该通过仿真来验证，程序的流程如下所示：第一，上电，此时屏幕显示出程序编写时所定义的字母,接着按控制频率改变的按键，当确定按下时那么程序像下走，频率的大小在改变，接着按第二个键，由于定义第二个键是减小频率的，当确定按键按下时，那么频率也会以步值来改变，第三个按键是定义改变波形的，所以当按键按下时，波形的名称也会随之改变。当所有的执行完成后，断电，会回到初始位置。程序流程图如3.1所示。 图3.1主程序流程图3.2波形实现的程序介绍3.2.1正弦波的生成 正弦波实现的程序3.2.2 三角波的生成 三角波实现的程序3.2.3方波的生成 方波实现的程序3.2.4锯齿波的生成锯齿波实现的程序3.
25、2.5梯形波的生成 梯形波实现的程序第四章 性能测试与分析4.1 输出波形的种类与频率测试 1. 测量说明：用按键检测是否可以实现控制功能，同时用示波器检测波形的产生。 2. 测试过程： 当程序通过生成HEX文件导入protues的单片机时经过初始化，液晶屏的上只显示两行的功能，当开关按一下时此时输出波形为正弦波，按两下输出为方波，按三下输出为三角波按四下输出锯齿波，按五下输出梯形波。另外两个开关可以调节频率，五种波形的频率变化的间距不同，分别为：正弦波的频率控制在1050Hz，每按一次以10Hz向上增加；产生三角波形的频率范围控制在50250Hz，每按一次以50Hz向上增加；产生方波波形的频
26、率控制在2001000Hz，每按一次以200Hz向上增加；产生锯齿波波形的频率控制在100500Hz,每按一次以100Hz向上增加；产生梯形波波形的频率在50250Hz,每按一次以50Hz向上增加。五种波形的仿真波形图如下：图4.1 正弦波仿真波形图 图4.2 三角波仿真波形图图4.3 方波仿真波形图 图4.4 锯齿波仿真波形图 图4.5 梯形波仿真波形图4.2 实物测试结果 实物完成，测试数据如下： 1）通过软件和硬件的结合完成实物产生正弦、方、三角、锯齿、梯形波的实现 2）波形的频率都可以通过所设定的按键来调节，其中产生正弦波的频率控制在1050Hz，以每按一次10Hz向上增加；产生三角波
27、形的频率范围控制在50250Hz，以每按一次50Hz向上增加；产生方波波形的频率控制在2001000Hz，以每按一次200Hz向上增加；产生锯齿波波形的频率控制在100500Hz,以每按一次100Hz向上增加；产生梯形波波形的频率在50250Hz,以每按一次50Hz向上增加。（以上范围为能通过示波器正确测得频率的范围） 表4.1频率测试数据表正弦波三角波方波锯齿波梯形波液晶显示值示波器读数液晶显示值示波器读数液晶显示值示波器读数液晶显示值示波器读数液晶显示值液晶显示值10 Hz9.93 Hz 50 Hz49.79 Hz200 Hz200.3 Hz100Hz99.8Hz50Hz49.89Hz 2
28、0 Hz19.81 Hz 100 Hz99.82 Hz400 Hz401.7 Hz200Hz200.1Hz100Hz99.88Hz 30 Hz30.57 Hz 150 Hz150.2 Hz600 Hz597.6 Hz300Hz298.6Hz150Hz149.80Hz 40 Hz40.11 Hz 200 Hz199.1 Hz800 Hz798.4 Hz400Hz400.5Hz200Hz200.76Hz 50 Hz49.88 Hz 250 Hz249.7 Hz 1000 Hz1015 Hz500Hz499.7Hz250Hz250.98Hz3） 液晶显示部分基本实现即与软件仿真显示的是相同的。结 论
29、社会的发展变得越来越快，我们现在所处的社会已经被高科技的产品所包围，所以我们应该多了解有关科技的东西，作为现在越来越普遍利用的信号发生器，我们应该对于他的基本组成有一定的了解，这次的信号发生器的制作我选择的方案是通过利用单片机来完成，通过利用独立按键来作为控制调节电路，LCD1602作为显示电路，DAC0832作为D/A转换电路，电源电路来提供相应的电压。通过利用keil软件来编写程序实现输出正弦波、方波、三角波、锯齿波、梯形波，利用DXP软件完成原理和pcb图，利用protues软件进行仿真。之所以采用单片机设计函数信号发生器，该方案存在的优点很多：在硬件方面，电路的元器件容易得到，并且控制
30、电路可以采用独立的按键来完成，且显示电路采用LCD1602相对于数码管比较简单且显示比较清晰和内容显示多，信号稳定，在软件方面，通过程序来实现功能灵活性高，扩展功能强大，可行性高，但是在不足之处在于，单片机处理数据的时间有限，所以当需要高频时输出的图像质量不高。由于在设计时我的按键功能把波形的改变都集中在一个按键这样按键比较反应迟钝，所以可改进的是将一种波形利用一个按键来控制，这样效果会更好。参考文献（References）1 臧春华,邵杰,魏小龙. 综合电子系统设计与实践M.北京:北京航空航天大学出版社.2009.11.271272.2 王松武,于鑫,武思军. 电子创新设计与实践M.北京:国
31、防工业出版社.2005.1. 235 236.3 宁武,唐晓宇,闫晓金. 全国大学生电子设计竞赛基本技能指导M.北京:电子工业出版社.2009.5.194197.4 马玉丽,康丽娟. 函数信号发生器制作方法的比较与分析J.青岛远洋船员学院学 报.2007,28( 2) :3437.5 张少辉. 基于DDS技术构建信号发生器J.中国科技信息.2007,(1) :9496.6 惠仇. 手把手教你学51单片机.北京:电子工业出版社M.2009,1. 47,152 153,158.7 张少辉. 基于DDS技术构建信号发生器J.中国科技信息.2007,(1) :9496.8 臧春华,邵杰,魏小龙. 综合电子系统设计与实践M.北京:北京航空航天大学出版 社.2009.11.271272. 9 冯育长. 单片机设计与实例分析M.西安:西安电子科技大学出版社.2007.5.10 姚福安. 电子电路设计与实践M.济南:山东科学技术出版社.2001.11 樊昌信. 通信原理M.北京:国防工业出版社.2006.致 谢大学四年，转眼就已经过完，回首大一的时候，自己懵懵懂懂的来到这个学校，重新开始了接触不认识的朋友，在大学认识了很多朋友，自己也在慢慢的成长，变得比高中明白的多，但是有苦也有甜，在大学的终点大四开始了毕业的毕业设计，在这次的毕业设计作品可以完成主要还是有以前的学习成果，