1、南阳师范学院 2007 届毕业生毕业论文（设计）题 目： 基于单片机的函数发射器 学 制： 2 年 专 业： 通信工程 完成日期： 20130514 目 录摘要 (1)引言 (2)1 单片机简介 (2)1.1 单片机概述 (2)1.2 信号发生器的分类 (2)1.3 研究内容 (3)2 方案的设计与选择 (3)2.1 方案的比较 (3)2.2 设计原理 (4)2.3 设计思想 (4)2.4 设计功能 (5)3 硬件设计 (5)3.1 硬件原理框图 (5)3.2 主控电路 (6)3.3 数/模转换电路 (7)3.4 按键接口电路 (7)4 软件设计 (8)4.1 程序流程图 (8)4.2 电路原
2、理图及源程序 (15)4.3 四种波形的仿真波形图 (26)4.4 程序仿真结果 (28)4.5 实验小结 (29)6 总结 (29)参考文献 (29)1基于单片机的函数信号发生器的设计与仿真作 者： 指导老师：摘要：本系统利用 80C51 设计一个函数信号发生器，详细说明了其实现过程。本系统使用汇编语言编写，用 80C51 单片机来实现各模块功能，使用 PROTEUS 进行仿真。本文描述使用汇编语言和 PROTEUS 仿真实现函数信号发生器的基本功能，实现了方波、三角波、正弦波、锯齿波，频率可调为 10HZ、100HZ、500HZ、1000HZ。本文给出了源程序、各模块的连接图以及仿真图，并
3、做出了详细的分析。关键词：汇编语言，PROTEUS，函数信号发生器，80C51Design and simulation of the function signal generator based on MCUElectronics and Information Science and Technology Candidate: Liu PinganAdvisor: Cai JianhuaAbstract: This system uses 80C51 designed a function signal generator, describes detailedly the implem
4、entation process. The system uses the Assembler language, realizing every function uses 80C51, applying PROTEUS to simulate in order to realize the function every modules. This article describes the use of Assembler language and PROTEUS simulation, to achieve the basic functions of the Function sign
5、al generator, realized square-wave, triangle wave, sine wave, saw-tooth wave , and the frequency adjustable for 10HZ,100HZ,500HZ,1000HZ . This article gives the original program and the simulating diagram and the combination of all of the modules, gives detail analysis of every simulating diagram as
6、 well.Keywords: Assembler language, PROTEUS, Function signal generator, 80C512引言在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。函数发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。但市面上能看到的此类仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。我们长期使用的信号发生器，大部分是由模拟电路构成的，这类仪器作为信号源，频率可达上百MHz，在高频范围内其频率稳定性高、可
7、调性好。但用于低频信号输出时，它所需要的 RC 值很大，参数准确度难以保证。而且其体积大，损耗也大。前人研制了采用 8031 单片机及程序存储器构成的最小系统组成的数字式低频信号发生器，它在低频范围内性能好，但是体积较大，价格较贵。随着大规模集成电路技术的发展，集成度不断提高，使得微型机的速度和性能大为提高，可靠性增加，成本降低。MCS-51 就是将具有存储程序、处理数据以及与外设交换信息的功能电路集成在一块芯片中，并符合一定系统结构而构成的单片机。1 单片机特点1.1 单片机概述随着大规模集成电路技术的发展，中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、(I/O)接口
8、、定时器/计数器和串行通信接口，以及其他一些计算机外围电路等均可集成在一块芯片上构成单片微型计算机，简称为单片机。单片机具有体积小、成本低，性能稳定、使用寿命长等特点。其最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中，这是其他计算机和网络都无法做到的 1,2。1.2 信号发生器的分类信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为：正弦信号发生器和非正弦3信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器，函数信号发生器、扫频信号发生器、数
9、字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器 1,2。1.3 研究内容本文是做基于单片机的信号发生器的设计，将采用编程的方法来实现三角波、锯齿波、矩形波、正弦波的发生。根据设计的要求，对各种波形的频率进行程序的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序运行中，当接收到来自外界的命令，需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程
10、序和波形发生程序，经电路的数/模转换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端口输出。2. 方案的设计与选择2.1 方案的比较方案一：采用单片函数发生器（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，也可以实现数控调整频率，但产生信号的频率稳定度不高。方案二：采用锁相式频率合成器，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
11、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，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4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，而且它使用的几种元器件都是常用的元器件，容易得到，且价格便宜，使得硬件的开销达到最省 3,4。2.2 设计原理数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号，因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。80C51单片机本身就是一个完整的微型计算机，具有组成微型计算机的各部分部件：中央处理器 CPU
12、、随机存取存储器 RAM、只读存储器ROM、I/O 接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等，只要将80C51 再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指示灯及其接口等四部分，即可构成所需的波形发生器，其信号发生器构成原理框图如图 2.1 所示。图 2.1 信号发生器原理框图如图 2.1 所示 80C51 是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样的信号，并从键盘接收数据，进行各种功能的转换。当数字信号经过接口电路到达转换电路，将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。2.3 设计思想（1）利用单片机产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形，信号的频率。
13、（2）将一个周期的信号分离成 256 个点（按 X 轴等分） ，每两点之间的时间间隔为 ，用单片机的定时器产生，其表示式为： 。/56如果单片机的晶振为 12MHz，采用定时器方式 0，则定时器的初值为：152mec(2.1)定时时间常数为：89C51单片机接口电路D/A转换器滤波放大输出5(8129)/(256)LMOD(2.2)(8129)/(56(2.3)MOD32 表示除 32 取余数（3）正弦波的模拟信号是 D/A 转换器的模拟量输出，其计算公式为：其中 (/2sin)/2YA refVA(2.4)其中 t1256N(2.5)那么对应着存放在计算机里的这一点的数据为： (25)(si
14、n1)25iYDA（4）一个周期被分离成 256 个点，对应的四种波形的 256 个数据存放在以 TAB1TAB4 为起始地址的存储器中。2.4 设计功能本方案利用 8255A 扩展 8 个独立式按键，6 个 LED 显示器。其中“S0”号键代表方波输出， “S1”号键代表正弦波输出， “S2”号键代表三角波输出， “S3” 号键代表锯齿波输出。 “S4”号键为10Hz 的频率信号， “S5”号键为 100Hz 的频率信号， “S6”号键为500Hz 的频率信号， “S7”号键为 1KHz 的频率信号，6 个 LED 显示器输出信号的频率值，选用共阳极 LED。利用 DAC0832 实现频率可
15、调的信号源。频率范围：10Hz,100Hz,500Hz,1000Hz。输出波形幅度为05V。3. 硬件设计3.1 硬件原理框图单片机键盘电路显示电路复位电路数/模转换电路放大电路波形输出6图 3.1 硬件原理框图如图 3.1 所示 80C51 单片机为硬件系统的核心，单片机对键盘扫描读入键值确定波形与频率，通过显示电路显示频率值，通过数模转换器放大电路输出波形，通过示波器可以观察波形与频率，复位电路用于系统复位重启。3.2 主控电路图 3.2 主控电路图如图 3.2 所示，80C51 从 P0 口接收来自键盘的信号，并通过P2 口输出一些控制信号，将其输入到 8255A 的信号控制端，用于控制
16、其信号的输入、输出。如果有键按下，则在读控制端会产生一个读信号，使单片机读入信号。如果有信号输出，则在写控制端产生一个写信号，并将所要输出的信号通过 8255A 的 PB 口输出，并在数7码管上显示出来。3.3 数/模转换电路由于单片机产生的是数字信号，要想得到所需要的波形，就要把数字信号转换成模拟信号，所以该文选用价格低廉、接口简单、转换控制容易并具有 8 位分辨率的数模转换器 DAC0832。DAC0832 主要由 8 位输入寄存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 转换器以及输入控制电路四部分组成。图 3.3 数模转换电路由图 3.3 可知，DAC0832 的片选地址为 7FFFH
17、，当 P25 有效时，若 P0 口向其送的数据为 00H， 则 U1 的输出电压为 0V。若 P0 口向其送的数据为 0FFH 时， 则 U1 的输出电压为 -5V. 故当 U1 输出电压为 0V 时，V out = - 5V.当输出电压为 - 5V 时，可得：V out = +5V，所以输出波形的电压变化范围为- 5V+ 5V. 故可推得当 P0所送数据为 80H 时，V out为 0V6。公式如右所示： 3120UR3.4 按键接口电路图 3.4 按键接口电路8图 3.4 为键盘接口电路的原理图，图中键盘和 8255A 的 PA 口相连，80C51 的 P0 口和 8255A 的 D0 口
18、相连，80C51 不断的扫描键盘，看是否有键按下，如有，则根据相应按键作出反应。其中“S0”号键代表方波输出， “S1”号键代表正弦波输出， “S2”号键代表三角波输出。 “S3”号键代表锯齿波输出， “S4”号键为 10Hz 的频率信号， “S5”号键为 100Hz 的频率信号， “S6”号键为 500Hz 的频率信号， “S7”号键为 1KHz 的频率信号 78051 单片机有两个引脚（XTAL1，XTAL2）用于外接石英晶体和微调电容，从而构成时钟电路，其电路图如图 3.5 所示。图 3.5 时钟电路如图 3.5 所示电容 C1、C2 对振荡频率有稳定作用，其容量的选择为 30pf，振荡器选择频率为 12MHz 的石英晶体。由于频率较大时，三角波、正弦波、锯齿波中每一点的延时时间为几微秒，故延时时间还要加上指令时间才能获得较大的频率波形 9。图 3.6 LED 显示电路如图 3.6 所示显示电路是用来显示波形信号的频率，使得整个系统更加合理，从经济的角度出发，所以显示器件采用 LED 数码管显示器。而且 LED 数码管是采用共阳极接法，当主控端口输出一个低电平后，与其相对应的数码管即变亮，显示所需数据 10。4. 软件设计
