基于单片机的信号发生器设计系统.docx
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基于单片机的信号发生器设计系统.docx
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摘要
本系统是基于AT89S52单片机的数字式低频信号发生器。
采用AT89S52单片机
作为控制核心,外围采用数字/模拟转换电路(DAC0832)、稳压电路(MCl403)、运
放电路(UA741)、按键和液晶显示屏模块等。
通过按键控制可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等,并能通过键盘的输入快速改变波的形状和频率,达到人机交互的目的,同时用液晶显示屏显示对应波形的名称和频率。
其设计简单、性能优良,可用于多种需要低频信号源的场所,具有一定的实用性。
关键词:
单片机;信号发生器;D/A转换
Abstract
Thesystemisadigitalsignalgeneratorbasedonsinglechipcomputer.At89s52isusedasacontrolmicrocontrollercore.Thesystemiscomposedbydigital/analogconversion(DAC0832),regulatorcircuit(MC1403),implycircuit(UA741).buttonandLCDmodule.ltcangeneratethesquare,triangleandsinewave,Throughthekeyboardinputrapidlychangingtheshapeandthefrequency,wavetothepurposeofhuman-computerinteraction,MeanwhilecorrespondingwithLCDscreendisplaynameandfrequencywaveforms.Thesystemcanbeusedfbrasignalsourceinthelow-frequencysignalsource.Itisverypractical.
Keywords:
Thesinglechipcomputer;Thesignalgenerator;D/Aconversion
目录
中文摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.I英文摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.II
目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.ⅡI引',I言口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·.·.1L第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..2
1.1信号发生器现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..2
1.2单片机在低频信号发生器中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.2
第二章系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.4
2.1系统方案的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..4
2.2控制芯片的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..4
第三章硬件电路的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..6
3.1基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。
.6
3.2单片机的介绍及资源分配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6
3.2.1单片机的介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6
3.2.2资源分配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10
3.3各部分电路原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.10第四章软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14
4.1主程序流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14
4.2子程序流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15
第五章测试结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18
5.1软件仿真结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18
5.1.1仿真波形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18
5.1.2波形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19
5.2硬件测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19
5.2.1硬件测试波形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..19
5.2.2产生各种波形输出结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21
5.2.3波形结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..21
结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.22参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.23附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.24后记⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.36
引言
当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会,电子技术的进步,给人们带来了根本性的转变。
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、高性能价格比等特点,在办公、家电、高智能自动化系统等诸多领域应用极为广泛,从家庭中电冰箱、电视机到音响汽车,处处可见其应用。
因此,单片机技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标准。
信号发生器是一种常用的信号源,广泛应用于科学研究、生产实践和教学实验等领域。
特别是在通信系统的科研实验中,常常需要用到多种不同频率和相位的信号,如正弦波、三角波、方波和锯齿波等,因此多功能信号发生器应用十分广泛。
在数字化时代的今天,.经典的由模拟电路组成的信号发生器己经渐渐远离了人们,取而代之的是电路简洁、功能多样、功耗低的数字电路。
在以后的时间里,将会有越来越多的数字化的信号发生器运用在各种科学技术领域和工程实践中,给人们的日常生活带来更多的便利。
第一章绪论
1.1信号发生器现状
信号发生器又称函数发生器,指用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号的仪器。
作为当前科研、教学、制造业中一种最常见的通用仪器,市场上常见的信号发生器波形种类有限,输出波形一般固定为正弦波、三角波、锯齿波和方波,不能实现有时在实验或工程应用中需要的特殊信号,给用户使用带来不便。
传统的信号发生器作为一种实验用信号源设备,可以不采用单片机芯片,而完全利用555振荡电路由硬件搭接而成,但该结构产生的正弦波信号、矩形波信号和三角波信号却存在波形失真、操控难、频率范围小、结构复杂和体积大等缺陷。
在生产实践和科技研究过程中,如工业、农业、通信、生物医学等领域常常要用到低频信号发生器。
而由硬件电路构成的低频信号源因其所需的电阻和电容制作上较难,所以参数的精度难以保证:
更因其存在体积大、损耗显著、漏电等弱点,在实际应用过程中,电路复杂程度会大大增加,性能往往难以令人满意。
1.2单片机在低频信号发生器中的应用
单片机是将中央处理器、存储器、定时器/计数器、输入输出接口等主要计算机部件集成在一块芯片上,它是在大规模集成电路技术的基础上发展起来的。
因其独特的结构形式,单片机承担了许多大中型计算机无法完成的工作,被广泛的应用于工农业生产、科研、国防及日常生活的各个领域。
单片机的制造商主要有荷兰的Philip公司、日本的NEC公司以及美国的Intel、Motorola公司等。
和通用微型机相比,单片机主要有以下几个方面的优判1l【2l:
(1) 使用方便、可靠性高
由于单片机内部功能强,系统扩展方便,因此系统的硬件设计非常简单。
而且单片机采用三总线结构,减少了芯片之间的连线,抗干扰能力强,可靠性高。
(2) 体积小、低功耗
单片机把运算器等基本功能部件集成在一块芯片上,具有较高的集成度,因此单片机应用系统结构简单、功能全、体积小,适合在强磁场环境下工作;而且所用电源单一,功耗低。
(3) 功能强大、扩展性强
为了满足工业控制要求,一般单片机的指令系统都有极丰富的转移指令,可以直接对I/O口进行各种操作,运算速度快,实时控制功能强。
并能方便地扩展外部的ROM、RAM及I/O接口,与许多通用的微机接口兼容,方便对应用系统的设计。
2
(4)性价比较高、易于产品化
单片机具有价格便宜、体积小、插接件少、调试安装简单等特点,使单片机系统拥
有很高的性能价格比。
同时单片机开发工具都具有很强的软硬件调试体系,大大缩短了
产品的开发周期,系统易于产品化,大量用于携带式产品和家用消费类产品。
低频信号源采用单片机程序来设计产生,不仅可以有效的改善电路结构复杂、频率
覆盖系数难以达标、信号频率不够稳定等缺点,而且由于采用了软硬件结合的方式,在
硬件电路连接不变的情况下,通过改变程序代码,就能实现频率的高低转换,频率稳定
度高,抗干扰能力强。
线路使用的都是常用元器件,构成简单,价格低廉。
第二章系统设计
2.1系统方案的比较
方案一:
采用函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片团叫如图2-1所示,它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。
但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形,会寄生一些高次谐波分量,采用其他的措施虽可滤除一些,但不能完全滤除掉。
图2-1方案一方框图
方案二:
采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器,然后根据需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。
这种信号发生器输出频率范围窄,而且电路参数设定较繁琐,其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现,操作不方便。
方案三:
采用单片机和DAC0832数模转换器生成波形,由于是软件滤波,所以可以有效的滤除高次谐波分量,生成的波形不失真。
DAC0832主要由8位D/A转换器、8位DAC寄存器、8位输入寄存器以及输入控制电路四部分组成。
它的特点是在低频范围内稳定性好、性能高,操作灵活、体积小、价格便宜。
经比较,方案三既可满足毕业设计的基本要求又能充分发挥其优势,电路简单,易控制,性价比较高,所以采用该方案。
2.2控制芯片的选择
方案一:
AT89S52单片机是一种高性能8位单片微型计算机。
它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中,从而构成较为完整的计算机。
方案二:
C8051F005单片机是由SiliconLabs公司出品的一款完全集成的混合级芯片。
它具有与AT80S52兼容的微控制器的内核,而且在AT80S52单片机的外部数字元件之外,片内还集成了能够完成数据采集、运算、存储、控制等功能的模拟元件和许多数7
字功能兀件。
方案选择:
方案二中C8051F005芯片系统内部结构复杂,不易控制,芯片成本高,对于本系统而言利用率低,AT89S52芯片比较常用,简单易控制,成本低,性能稳定故采用方案一。
第三章硬件电路的设计
3.1基本原理
系统框图如图3-1所示。
图3T低频信号发生器系统框图
低频信号发生器系统主要由CPU、D/A转换电路、基准电压电路、电流/电压转换电路、按键和波形指示电路、电源等电路组成。
其工作原理为当分别按下键盘上的不同按键时就会分别出现方波、锯齿波、三角波、正弦波,并且有液晶显示屏同步显示波的类型和频率。
3.2单片机的介绍及资源分配
3.2.1单片机的介绍
1. AT89S52的引脚图如图3-2所示
10
一~2.管脚说明间句
低频信号发生器采用AT89S52单片机作为控制核心,其内部组成包括:
一个8位的微处理器CPU及片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接;片内数据存储器RAM低128字节,存放读/写数据;高128字节被特殊功能寄存器占用;片内程序存储器4KBROM;四个8位并行I/O(输入/输出)接口P3-P0,每个口可以用作输入,也可以用作输出;两个定时/计数器,每个定时/计数器都可以设置成计数方式,用以对外部事件进行计数,也可以设置成定时方式,并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制;五个中断源的中断控制系统;一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口。
VCC:
供
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