多功能信号发生器设计毕业论文Word下载.docx

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第三章硬件设计19

3.1总体硬件设计19

3.2系统模块设计19

3.2.1电源设计19

3.2.2显示器接口设计19

3.2.3复位与时钟电路设计22

3.2.4键盘接口设计23

3.2.5D/A转换设计25

3.2.6I/V转换波形输出电路28

第四章软件设计及测试31

4.1软件总体设计31

4.2软件功能设计31

系统总流程图如下图4-1：

31

图4-1系统总流程框图32

4.3PROTEUS软件仿真35

4.4系统测试报告40

结论与展望41

致谢42

参考文献43

附录一源程序43

附录二电路原理图54

附录三硬件实物图55

附录四外文资料翻译56

第一章绪论

1.1课题背景、目的及意义

随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。

尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。

现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。

当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。

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。

而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波信号是常用的基本测试信号。

信号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。

加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。

该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：

波形的设定，D/A转换，单片机（51单片机，键盘控制），显示和各模块的连接通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。

1.2设计要求和任务

熟悉和掌握单片机的结构和工作原理，了解信号发生器的工作原理。

掌握以单片机为核心的电路设计的基本方法,并通过实际程序的设计和调试，逐步掌握模块化程序的设计方法和调试技术；

了解开发单片机应用系统的全过程。

综合运用所学专业知识解决工程问题。

具体设计要求如下：

（1）具有产生正弦波、三角波、方波、矩形波、锯齿波波形的功能。

（2）信号的频率围为1Hz-1MHz。

（3）信号的输出波形幅度Vp-p可调。

（4）通过键盘输入任意频率数值和选择任意波形。

1.3单片机概述

单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。

相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性好，开发较为容易。

目前，在我国，单片机已经广泛地用于智能仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。

1.3.1单片机的发展

单片机诞生于20世纪70年代。

最初的单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（简称CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。

现代的单片机则增加了更多的片外设（比如定时器、计数器、串行口、中断、并行I/O口，甚至包括A/D转换器、脉宽调制器PWM等），使得单片机的功能越来越强大，应用领域越来越广泛。

因为这样一块芯片就具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。

由于单片机的硬件结构和指令系统都是按照工业控制要求来设计的，常用在工业的检查、控制装置中，因而也被称为微控制器（Micro-Controller）。

单片机按照其用途可以划分为通用型和专用型两大类。

通常所说的单片机是指通用型单片机。

通用型单片机是把可开发资源（如ROM，RAM，I/O口）全部提供给使用者。

专用型单片机的硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的，如：

频率合成调谐器（DDS）、USB控制器、收音机机芯控制器、打印机控制器等。

（1）单片机发展历史

20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料、新工艺尚未成熟。

1976年Intel公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。

80年代初，单片机已经发展到了高性能阶段。

80年代，世界各大公司竞相研制出品种多、功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器。

其发展到了一个全新的阶段，应用领域更加广泛。

在众多品种的单片机中，MCS-51系列是我国较早引进的Intel公司的单片机产品。

由于其性能优良，已经被国外用户广泛认可和采用，占据了重要的市场份额。

（2）单片机发展特点

单片机技术从出现至今已走过近30多年的发展路程。

纵观30多年来单片机的发展历程，单片机技术以微处理器技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域为动力，表现出极具个性的发展特点。

主要表现在以下几点：

寿命长、8位、16位、32位共同发展、运行速度越来越快、低电压与低功耗、低噪声与高可靠性技术、OTP技术、MTP可多次编程。

（3）单片机发展趋

回顾历史，在Intel公司推出了MCS-51不久便实施了最彻底的技术开放政策。

在众多电器商、半导体商的积极参与下，将MCS-51发展成了众多型号系列的80C51MCU（MicroControllerUnit，微控制器）家族。

MCS-51经典的体系结构、极好的兼容性和Intel公司的开放政策不仅使众多厂家参与发展，也诱使半导体厂家对MCS-51实行为所欲为的改造。

从各种新型单片机的性能可以看出，单片机是向大容量、高性能化、外围电路集成化几方面发展。

其中主要表现在以下及方面：

CPU功能的加强、存储器的发展、片I/O的改进、片资源的增加、调试方式的改进等。

1.3.2单片机的应用

单片机以其卓越的性能、小巧的体积、极高的性价比，在国民经济的各个领域中得到了广泛的应用。

但是由于单片机自身的一些特点，在实际应用中又有着自己的应用特性和应用围。

（1）应用特点

基于单片机的应用系统和其他一般的微型机相比，具有以下一些特点：

小巧灵活、可靠性高、使用方便，容易扩展、性价比高，容易产品化等等。

（2）应用领域

智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个方面：

在智能仪器仪表上的应用、在工业控制中的应用、在家用电器中的应用、在计算机网络和通信领域中的应用、在医用设备领域中的应用等等。

此外，单片机在工商、金融、科研、教育和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

1.4AT89S52单片机

（1）功能特性描述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片晶振及时钟电路。

（2）引脚功能

AT89S52单片机有44个引脚PLCC和TQFP方形封装形式，40个引脚的双列直插式封装形式，最常用的40个引脚封装形式及其配置如图1-1所示，各个引脚功能说明如下：

图1-189S52单片机的引脚

VCC：

电源，接+5V

GND：

接地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；

在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

P2口：

P2口是一个具有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

P3口亦作为AT89S52特殊功能。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚将持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。

：

外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。

/VPP：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。

为了执行部程序指令，应该接VCC。

在flash编程期间，也接收12伏VPP电压。

XTAL1：

振荡器反相放大器和部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

（3）AT89S52的存储器结构

AT89S52器件有单独的程序存储器和数据存储器。

外部程序存储器和