基于51单片机的信号发生器设计报告Word文件下载.docx
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2.2设计原理
2.3设计思想
2.4实际功能
第三章硬件设计
3.1硬件原理框图
3.2主控电路
3.3数、模转换电路
3.4按键接口电路
3.5时钟电路
3.6显示电路
第四章软件设计
4.1程序流程图
参考文献
附录1电路原理图
附录2源程序
附录3器件清单......................................................
第一章绪论
1.1单片机概述
单片机(Singlechipmicrocomputer)是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。
1.2信号发生器的概述和分类
信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。
按信号波形可分为正弦信号、函数(波形)信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。
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。
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。
1.3问题重述及要求
1.3.1问题重述
设计并制作一台信号发生器,使之能产生正弦波、方波和三角波信号,其系统框图如图1所示。
信号发生
参数调整
稳压电源
信号输出
输出信号
图1信号发生器系统框图
1.3.2题目要求
(1)信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形;
(2)输出信号频率在100Hz~200kHz范围内可调,步进20HZ,输出信号频率稳定度优于10-3;
(3)在1kW负载条件下,输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp在0~5V范围内可调,步进20mV;
(4)输出信号波形无明显失真。
(5)可实时显示输出信号的类型、峰峰值、频率。
第二章方案的设计与选择
2.1方案的比较
方案一:
采用模拟分立元件或单片压控函数发生器,可产生正弦波,方波,三角波,通过调整外部元件可改变输出频率,但采用模拟器件由于元件分散太大,即使使用单片机函数发生器,参数也与外部元件有关,外接的电阻电容对参数影响很大,因而产生的频率稳定性较差,精度低,抗干扰能力低,成本也高,而且灵活性较差。
方案二:
采用锁相式频率合成方案。
锁相式频率合成是一个高稳定度和精确度的大量离散频率的技术,它在一定程度上解决了既要频率稳定精确,又要频率在较大范围可变的矛盾。
但频率VCO可变频率范围的影响,高低频率比不可能做的很高,而且只能产生方波或正弦波,不能满足题目要求。
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。
鉴于方案一的元件分散太大和方案二的频率不能再较大范围内可变等缺点,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。
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。
89C51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、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89C51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。
输出
滤波放大
D/A
转换器
接口
电路
89C51
单片机
图2信号发生器原理框图
89C51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和信号幅度的调节。
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,信号的频率和幅度可变。
(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T,用单片机的定时器产生,其表示式为:
T=T/256。
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:
X=213-TTmec
定时时间常数为:
TL=(8192—T)/MOD256
TH=(8192T)/256
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:
Y=(A/2sint)+A/2(其中A=VREF)
t=NT
(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TAB1--TAB4为起始地址的存储器中。
2.4实际功能
(1)本方案利用8155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。
(2)“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。
(3)利用两片DAC0832实现幅度可调的信号源,(其中一片用来调节幅度,另外一片用来实现信号源的输出)。
(4)频率范围:
10~1000Hz。
(5)输出波形幅度为0~5V。
第三章硬件设计
3.1硬件原理框图
硬件原理方框图如图3.1所示。
波形
输出
放大
复位
显示
数/模转
换电路
键盘
单
片
机
图3硬件原理框图
3.2主控电路
AT89C51单处机内部设置两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1,它们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及4种工作模式。
在波形发生器中,将其作定时器使用,用它来精确地确定波形的两个采样点输出之间的延迟时间。
模式1采用的是16位计数器,当T0或T1被允许计数后,从初值开始加计数,最高位产生溢出时向CPU请求中断。
中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。
当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件,要求CPU暂停当前的工作,转而去处理这个紧急事件。
在波形发生器中,只用到片内定时器/计数器溢出时产生的中断请求,即是在AT89C51输出一个波形采样点信号后,接着启动定时器,在定时器未产生中断之前,AT89C51等待,直到定时器计时结束,产生中断请求,AT89C51响应中断,接着输出下一个采样点信号,如此循环产生所需要的信号波形[6]。
如图4所示,AT89C51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8155的信号控制端,用于控制其信号的输入、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8155的PB口输出,并在数码管上显示出来。
图4主控电路
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。
但实际上,DAC0832输出的电量也不是真正能连续可调,而是以其绝对分辨率为单位增减,是准模拟量的输出。
DAC0832是电流型输出,在应用时外接运放使之成为电压型输出。
由图3可知,DAC0832的片选地址为7FFFH,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,由公式得:
Vout=-5V.当输出电压为-5V时,可得:
Vout=+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,Vout为0V。
图5数模转换电路
3.4按键接口电路
图6为键盘接口电路的原理图,图中键盘和8155的PA口相连,AT89C51的P0口和8155的D0口相连,AT89C51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。
图6按键接口
3.5时钟电路
8051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7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7时钟电路
3.6显示电路
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
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