简易波形发生器 毕业论文.docx

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简易波形发生器毕业论文

任务书

课题：

简易波形发生器

系别：

电气工程系

专业：

电子信息工程技术

班级：

智能电子102

学生姓名：

指导老师：

时间：

2012-11-15

摘要

本系统是基于AT89C52单片机的数字式低频信号发生器。

采用AT89C52单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、运放电路（LM324）、按键和8位数码管等。

通过按键控制可产生方波、三角波、正弦波等，同时用数码管指示其对应的频率。

其设计简单、性能优好，可用于多种需要低频信号的场所，具有一定的实用性。

各种各样的信号是通信领域的重要组成部分，其中正弦波、三角波和方波等是较为常见的信号。

在科学研究及教学实验中常常需要这几种信号的发生装置。

为了实验、研究方便，研制一种灵活适用、功能齐全、使用方便的信号源是十分必要的。

本文介绍的是利用AT89C52单片机和数模转换器件DAC0832产生所需不同信号的低频信号源，其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。

文中简要介绍了DAC0832数模转换器的结构原理和使用方法，AT89C52的基础理论，以及与设计电路有关的各种芯片。

文中着重介绍了如何利用单片机控制D/A转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程。

信号频率幅度也按要求可调。

本次关于产生不同低频信号的信号源的设计方案，不仅在理论和实践上都能满足实验的要求，而且具有很强的可行性。

该信号源的特点是：

体积小、价格低廉、性能稳定、实现方便、功能齐全。

关键词：

AT89C52DAC0832LM3248位数码管显示

Abstract

WaveformThesystemisadigitalsignalgeneratorbasedonsinglechipcomputer.AT89C52isusedasacontrolmicrocontrollercore.Thesystemiscomposedbydigital/analogcomversionDAC0832implycircuitbuttonandnixietube.Itcangeneratethesquaretriangleandsinewavewithnixietube.Tesystemcanbeusedforasignalsoureinthelow-frequencysignalsoure.Itisverypractical.

Varioussignalsareanimportantpartofcorrespondentarea.Inthisareasinewavetrianglewaveandsquarewavearecommonsignals.Inscienceresearchandteachingexperimentweoftenneedtheoccurrenceequipmentofthesesignals.Inordertomaketheexperimentandresearcheasiertodevelopasuitablefullfunctionalandeasilyusedsignalssourceisessential.ThispaperintroducesthelowfrequencysourcesofdifferentsignalsthatareproducedbyAT89C52SCMandDAC0832.

Itssignalrangeandfrequencycanbecontrolledbyrequirement.ThispaperbrieflyintroducesthestructureprincipleandusageofDAC0832thebasictheoryofAT89C52andvariouschipswhichrelevanttodesigncircuit.ThispaperemphasizedhowtouseSCMtocontrolthehardwarecircuitandsoftwareprogramofthesignalsabovewhichproducedbyDAC0832.

Thesignalfrequencyrangealsocanbeadjustedbyrequirement.Thissignalsourcedesignplanconcernsonproducingdifferentlowfrequencysignalsnotonlymeettherequestofexperimentintheoryandinpracticebutalsohavestrongfeasibility.Thetraitofthissignalsourceis：

smallvolumelowpricestablefunctioneasilyachievableandfullfunction.

Keywords：

AT89C52DA0832LM3248nixietubedisplay

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1波形发生器的发展状况……………………………………………………….

1.2国内外波形发生器产品比较………………………………………………….

1.3波形发生器示意图…………………………………………………………….

1.4课题内容与设计要求………………………………………………………….

第2章硬件电路构成

2.1MCS-51单片机的内部结构………………………………………………………..

2.1.1内部结构概述…………………………………………………………………….

2.1.2AT89C52单片机……………………………………………...................................

2.1.3CPU结构……………………………………………................................................

2.1.4存储器和特殊功能寄存器……………………………………………………….

2.2P0-P3口结构…………………………………………………………………………….

2.3时钟电路和复位电路…………………………………………………………………..

2.3.1时钟电路.……………………………………………………………………………

2.3.2单片机的复位状态…………………………………………………………………

2.4DAC0832的引脚及功能………………………………………………………………

2.4.1DAC0832芯片……………………………………………………………………….

2.4.2DAC0832引脚图和内部结构图………………………………………………….

2.4.3DAC0832特性参数…………………………………………………………………

2.5数模转换电路……………………………………………………………………………..

2.6LM324集成运放………………………………………………………………………….

2.78位数码管显示……………………………………………………………………………

第3章软件原理

3.1主流程图…………………………………………………………………………………

3.2波形发生程序…………………………………………………………………………….

第4章系统调试与测试

4.1波形发生器的调试……………………………………………………………………..

4.2遇到的问题及解决方法……………………………………………………………….

4.3三角波仿真图.…………………………………………………………………………

4.4方波仿真图………………………………………………………………………………

4.5正弦波仿真图……………………………………………………………………………

第5章总结

致谢

参考文献

附录

第1章绪论

波形发生器也称函数发生器，作为实验信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。

目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿波，正弦波，方波，三角波等波形。

信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路经之一，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，电路复杂和体积大等缺点。

在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。

而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是致命的弱点。

一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。

1.波形发生器概述

在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。

随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。

用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。

1.1波形发生器的发展状况

波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。

函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。

在70年代前，信号发生器主要有两类：

正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。

这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。

同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。

在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。

这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。

90年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统，它由HP8770A-2-任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。

HP8770A实际上也只能产生8中波形，而且价格昂贵。

不久以后，Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器，Lecroy公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。

到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过GHz的DDS芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003年，Agilent的产品33220A能够产生17种波形，最高频率可达到20M，2005年的产品N6030A能够产生高达500MHz的频率，采样的频率可达1.25GHz。

由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：

（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。

波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。

波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。

同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成vft形式的波形方程的数学表达式产生。

从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。

目前可以利用可视化编程语言如VisualBasicVisualC等等编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。

（2）与VXI资源结合。

目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。

由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。

在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便。

（3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。

不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很-3-大的不同。

这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。

而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。

1.2国内外波形发生器产品比较

早在1978年，由美国Wavetek公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为5MHz，可以形成256点存储长度波形数据，垂直分辨率为8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。

变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。

波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。

纯硬件设计法功能较单一，波形改变困难、控制的灵活性不够，不具备智能性，其中由运算放大器加分立元件组成的波形发生器，除在学生实验训练中使用外，基本不被采用。

纯软件设计法实现简单，程序改变及功能升级灵活，但实现的波形精度及响应速度不如硬件法高。

纯软件法主要适用于对波形精度、响应速度要求不是很高的场合。

相比之下，软硬件结合的方法可以设计出性能最优、功能扩展灵活、控制智能化的新一代的波形发生器，可以满足教学、科研、工业生产等各方面对波形发生器性能有较高要求的应用场合。

综合以上几种设计方案，本设计采用方案三的方法—软硬件设计法。

其方案能够产生很好的波形，也易实现。

1.2课题内容与设计要求

1.2.1课题内容

设计一个简易信号发生器，至少能输出正弦波、方波、三角波波形，还可以输出任意波形。

1.2.2设计任务要求

（1）能够输出方波、三角波、正弦波

（2）通过单片机按键选择波形的类型

（3）能够通过按键修改其波形频率

（4）输出波形幅度为0-5V

1.2.3设计方案选择：

纯硬件设计法功能较单一，波形和参数改变困难、控制的灵活性不够，不具备智能性，其中由运算放大器加分立元件组成的波形发生器，除在学生实验训练中使用外，基本不被采用。

纯软件设计法实现简单，程序改变及功能升级灵活，但实现的波形精度及响应速度不如硬件法高。

纯软件法主要适用于对波形精度、响应速度要求不是很高的场合。

但是软硬件相结合起来，既能够实现在软件上的控制，又可以解决做到硬件不方便的控制作用，我们可以用软件控制波形的特征，硬件作为传送的桥梁、所以、相比之下，软硬件结合的方法可以设计出性能最优、功能扩展灵活、控制智能化的新一代的波形发生器，可以满足教学、科研、工业生产等各方面对波形发生器性能有较高要求的应用场合。

综合以上几种设计方案，本设计采用方案三的方法,用软硬件相结合的办法实现这一设计的方案。

1.2.4方案任务实施：

本电路采用AT89C52单片机作为信号发生器的控制单元，通过模数转换芯片将数字信号转换为模拟信号，就能够对单片机产生方波、三角波、正弦波等任意波形进行输出；电路控制方便，波形和参数修改简单，就只需要在对其程序上做改动。

第2章硬件电路的构成

波形的产生是通过AT89S52单片机执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。

2.1波形发生器硬件示意图

图1.1软硬件结合的波形发生器示意图

2.2MCS-51单片机的内部结构

2.2.1内部结构概述

典型的MCS-51单片机芯片集成了以下几个基本组成部分。

（1）一个8位的CPU

（2）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P0P3。

（5）两个定时/计数器。

（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。

2.2.2AT89C52单片机

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

图2.2AT89C52单片机芯片引脚图

主要功能特性

1、兼容MCS51指令系统　　

2、8k可反复擦写（大于1000次）FlashROM；　　

3、32个双向I/O口；　　

4、256x8bit内部RAM；　　

5、3个16位可编程定时/计数器中断；　　

6、时钟频率0-24MHz；　　

7、2个串行中断，可编程UART串行通道；　　

8、2个外部中断源，共8个中断源；　　

9、2个读写中断口线，3级加密位；　　

10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；　　

11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。

（1）管脚说明

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/89C52引脚图地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

　　P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

　　P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

　　P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

　　P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，如下所示：

　　口管脚备选功能

　　P3.0RXD（串行输入口）

　　P3.1TXD（串行输出口）

　　P3.2/INT0（外部中断0）

　　P3.3/INT1（外部中断1）

　　P3.4T0（记时器0外部输入）

　　P3.5T1（记时器1外部输入）

　　P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

　　P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

　　P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

　　RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

　　ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

　　/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

　　/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

　　XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

　　XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

2.2.3CPU结构

CPU是单片机的核心部件。

它由运算器和控制器等部件组成。

1.运算器运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心。

它可以对半字节单字节等数据进行操作。

例如，能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算，完成与、或、异或、求反、循环等逻操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。

运算器还包含有一个布尔处理器，用以处理位操作。

它以进位标志位C为累加器，可执行置位、复位、取反、位判断转移，可在进位标志位与其他可位寻址的位之间进行位数据传诵等操作，还可以完成进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。

2.程序计数器PCPC是一个16位的计数器，用于存放一条要执行的指令地址，寻址范围为64KB，PC有自动加1功能，即完成了一条指令的执行后，其内容自动加1。

3.指令寄存器指令寄存器用于存放指令代码。

CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送如指令寄存器，经指令译码器译码后由定时有控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能

2.2.4存储器和特殊功能寄存器

存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。

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