1、河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要摘要近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统函数信号发生器日新月异的更新。单片机能产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。函数信号发生器是各种测试和实验过程中不可缺少的工具，在通信、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。不论是在生产、科研还是教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具，而且，信号发生器的设计方法多，设计技术也越来越先进。研究函数信号发生器的设计方法，克服传统方法的缺点，以更好的方法设计出比较复杂的调频、调幅功能的信号发生器。本论文介绍的是一种用 AT89C51 单片机构成
2、的波形发生器，可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波等多种波形，波形的周期可用程序改变，并可根据需要选择单极性输出或双极性输出，具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点。文章给出了源代码，通过仿真测试，其性能指标达到了设计要求。单片机小系统负责用户的交互和系统控制，键盘用于频率的输入与波形的选择。LED 显示当前所选信号的频率调整情况，而末级放大电路则对生成的信号进行适当的放大，以提高信号的振幅和强度。关键词：单片机，DAC，信号发生器,频率调节,放大电路河南城建学院本科毕业设计（论文） AbstractIAbstractIn recent years, with the computer in t
3、he social sector penetration and MCU application is continuously,while driving to the deepening traditional function signal generator on new PE updates. SCM can produce high precision, fast transform the frequency, the output waveform distortion of preferred selection technology. Function signal gen
4、erator is all sorts of test and experiment process the essential tool, in communication, measuring, radar, control, teaching fields used widely. Both in production and scientific research or teaching, signal generator are electronic engineer signal simulation experiment, and the best tool, signal ge
5、nerator design method, design technology is becoming more and more advanced. Research function signal generator design methods, overcome shortcomings of traditional methods, in order to better designed complex FM, attenuation function signal generator.This thesis introduces a AT89C1 single-chip comp
6、uters.the waveform generator, can produce square-wave, triangle wave, sine wave, sawtooth wave etc. Various waveform, waveform cycle available program change, and can choose according to need single polarity output or dual polarity output, has the line is simple, compact structure, superior performa
7、nce characteristics. The article presented the source code, through the simulation test, the performance indexes meet the design requirements. : singlechip processor system is responsible for the user interaction and system control, the keyboard for frequency of input and waveform choice. LED displa
8、y the current selected the signal frequency adjustment, and final amplifier circuit is generated signal proper amplifier, in order to improve the signal amplitude and strength.Keywords：microcontroller,DAC,signal generator, frequency adjustment, amplifier circuit河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录II目录摘要 . IAbstract
9、.II1.引言 .11.1.选题的目的及意义 .11.2.国内外研究与综述 .11.3.毕业设计所用方法 .22.系统硬件方案的设计 .32.1.方案的选择与论证 .32.2.系统总体设计 .32.3.单片机最小系统设计 .42.4.复位与时钟电路设计 .52.4.1.时钟电路设计 .52.4.2.复位电路设计 .62.5.波形产生模块设计 .62.6.D/A 转换电路设计 .72.6.1.D/A 转换器指标 .72.6.2.D/A 转换的原理 .72.6.3.DAC0832 芯片 .82.7.数码管显示模块 .93.系统软件方案的设计 .113.1.软件总体设计 .113.2.软件流程图 .
10、113.3.键盘扫描及初始程序设计 .123.4.中断服务程序设计 .143.5.波形发生程序设计 .153.5.1.正弦波发生程序设计 .153.5.2.三角波发生程序设计 .183.5.3.方波发生程序设计 .183.5.4.锯齿波发生程序设计 .184.仿真结果与分析 .194.1.仿真和编译工具 .194.1.1.Proteus 仿真软件 .194.1.2.KEIL 编译软件 .194.2.仿真结果 .204.3.仿真分析 .23参考文献 .25致谢 . 26附录 A：源程序 .27附录 B：总电路图 .32河南城建学院本科毕业设计（论文） 引言01. 引言1.1. 选题的目的及意义信
11、号发生器也称为函数发生器，能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。信号发生器主要为实验用信号源，是现今各种电子实验设计中必不可少的仪器设备之一。函数发生器作为一种常见的电子仪器设备，既能够构成独立的信号源，也可以是高性能的网络分析仪，频谱仪以及自动测试装备的组成部分，函数信号发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它是能够提高质量的精密信号源及扫描源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并且提高检测精度。当今是科技以及仪表设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子
12、技术的发展进步，给人们的生活带来了根本性的转变。在现代电子领域中，单片机的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统控制与检测技术的日益革新。单片机构成的仪器具有高可靠性，高性价比，在智能仪表系统和办公自动化中得到广泛应用，因此，基于单片机的函数信号发生器的普及是一种趋势。1.2. 国内外研究与综述信号发生器是一种常见的应用电子仪器设备，传统的信号发生器一般可以完全由硬件搭接而成，如采用 555 电路产生正弦波，三角波和方波便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂，体积大的缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟等领域常常
13、要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以让人满意，而且由于低频信号源所需的 RC 很大，并且大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度也难以保证，体积大，漏电，损耗大更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大的增加。美国安捷伦生产的 33250A 型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形，其输出频率范围为 1Hz80MHz，而输出幅度为10mVpp10Vpp；该公司生产的 8648D 射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz4GHz。国产 SG1060 数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围为
14、1Hz60MHz；国产 S1000 型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同河南城建学院本科毕业设计（论文） 引言1时应用 DDS 和锁相技术，使频率范围从 1MHz1024MHz 能精确地分辨到 100Hz，它既是一台高精度的扫频源，同时也是一台高精度的标准信号发生器。目前市场上的信号发生器多种多样。他们各有各的优点，但是函数发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。1.3. 毕业设计所用方法利用单片机控制脉冲的输入和输出，从而控制信号波形的频率和幅度，并根据要求输出的波形设计对应的硬件电路。在硬件电路不变的情况下
15、，通过改变程序来实现频率的变换，用按键来控制单片机的波形和频率，通过显示电路显示频率值，利用数模转换器放大电路输出波形，并可以通过示波器观察波形与频率，其中复位电路用于系统复位重启。最后利用 Proteus 软件对设计的电路进行实时仿真，通过仿真的结果来观察波形的输出。河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件方案的设计22. 系统硬件方案的设计2.1. 方案的选择与论证方案一：采用单片函数信号发生器（如 8038），8038 可同时产生正弦波、方波等，而且方法简单易行，用 D/A 转换器的输出来改变调制电压，也可以产生实现数控调整频率，但产生的信号的频率稳定度不高。方案二：采用锁相式频率合成
16、器，利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂。方案三：采用单片机编程的方法来实现。该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换。此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二的电路复杂且频率覆盖系数难以达标等缺点，所以决定采用方案三的设计方法。它不仅采用软硬件结合，软件控制硬件的方法来实现，使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证，而且它使用的几种器件都是常用的元器件，容易得到，且价格便宜，
17、使得硬件的开销达到最省。2.2. 系统总体设计经过考虑，确定方案如下：利用 AT89C51 单片机采用程序设计方法产生锯齿波、三角波、正弦波、方波四种波形，再通过 D/A 转换器将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来。通过按键来控制四种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示其各自的类型以及数值。硬件设计的总体框图如图 2-1所示。河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件方案的设计3图 2-1 硬件设计总体框图2.3. 单片机最小系统设计用 89C51 单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，89C51 单片机最小系统如图 2-2 所示。由于集成度的
18、限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。图 2-2 89C51 单片机最小系统其应用特点：有可供用户使用的大量 I/O 口线。 1内部存储器容量有限。 2应用系统开发具有特殊性。 3时钟与复位电路按键电路单片机控制电路波形输出D/A 转换电路数码管显示电路河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件方案的设计4典型的 MCS-51 单片机芯片集成了以下几个基本组成部分： 41) 一个 8 位的 CPU2) 128B 或 256B 单元内数据存储器（RAM）3) 4KB 或 8KB 片内程序存储器（ROM 或 EPROM）4) 4 个 8 位并行 I/O 接口 P0P35) 两个定时/计数器
19、6) 5 个中断源的中断管理控制系统7) 一个全双工串行 I/O 口 UART（通用异步接收、发送器）8) 一个片内振荡器和时钟产生电路2.4. 复位与时钟电路设计2.4.1. 时钟电路设计单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器（简称晶振），就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反向放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用 6MHZ、12MHZ 或 24MHZ。内部振荡方式如图 2-3 所示。图中电容 C1、C2 起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为 530pF。
20、内部振荡方式所得时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持一致。外部振荡方式电路如图 2-4 所示。对 HMOS 的单片机（8031，8031AH 等），外部时钟信号由 XTAL2 引入；对于CHMOS 的单片机（8XCXX），外部时钟信号由 XTAL1 引入。X T A L 1X T A L 2G N DC 1C 2X T A L 1X T A L 2G N D悬空外部时钟X T A L 1X T A L 2G N D外部时钟悬空H M O SC M O S图 2-3 内部振荡方式 图 2-4 外部振荡方式河
21、南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件方案的设计52.4.2. 复位电路设计单片机的复位是靠外电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 RST引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲（2 个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，通常是 RST 引脚保持 10ms 以上的高电平，根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容 C3 的充电和反相门的作用，使 RST 持续一段时间的高
22、电平。复位电路连接如图 2-5 所示。此电路仅用一个电容及一个电阻。系统上电时，在 RC 电路充电过程中，由于电容两端电压不能跳变，故使 RESET 端电平呈高电位，系统复位。经过一段时间，电容充电，使 RESET 端呈低电位，复位结束。89C512+5VC3 R1图 2-5 复位电路2.5. 波形产生模块设计由单片机采用编程方法产生三种波形、通过 DA 转换模块 DAC0832 在进过滤波放大之后输出。其电路图如图 2-6 所示：河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件方案的设计6图 2-6 波形产生电路LM324 的 5 管脚与 DAC0832 的（IOUT2）12 管脚相连，LM324
23、 的 6 管脚与DAC0832 的（IOUT1）11 管脚相连，LM324 的 7 管脚与 DAC0832 的 REF（9）管脚相连。第一级运算放大器的作用是将 DAC0832 输出的电流信号转化为电压信号 V1，第二级运算放大器的作用是将 V1 通过反向放大电路放大-（R2/R1）倍。在第二个运算放大器的输出端连了一个 20K 的电位器。通过电位器来调节波形振幅的大小，同时在输出端接到示波器的输入端，通过示波器观察产生的波形。2.6. D/A 转换电路设计2.6.1. D/A 转换器指标分辨率：输出模拟电压应能区分 02n-1 共 2n 个输入数字量。表示方法： 11）用输入二进制数的位数表示；如 8 位。2）用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。指最小输出电压和最大输出电压之比。DAC0832 的分辨率为 1/255。精度：DAC 实际输出电压与理想的输出电压的偏差。DAC0832 的最大满刻 2度偏差为+1LSB 。线性度：DAC 实际传输特性曲线与理想的传输特性曲线的偏差。DAC0832 3的最大误差为+0.19% 。温度灵敏度：在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变 4化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高 1，输出电压变化的百分数作为温
