多功能信号发生器设计Word文档格式.docx
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频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。
低频信号发生器:
频率范围为几十HZ到几百KHZ。
高频信号发生器:
几百KHZ到几MHZ。
超高频信号发生器:
频率范围1MHz以上,可达几十兆赫兹。
微波信号发生器。
按产生波形的不同,可分为:
正弦波信号发生器,脉冲波函数波信号发生器,任意波信号发生器;
按调制方式的不同,可分为:
调频信号发生器(FM)、调幅信号发生器(AM),调相信号发生器(PM),脉冲调制信号发生器;
此外,还可以产生两种或多种波形信号发生器。
超高频信号发生器,产生波形一般用LC振荡电路。
高频、低频和超低频信号发生器,大多使用文氏桥振荡电路,即RC振荡电路,通过改变电容和电阻值,改变频率。
用以上原理设计的信号发生器,其输出波形一般只有两种,即正弦波和脉冲波,其零点不可调。
而且价格也比较贵,一般在几百元左。
本文基于单片机原理,采用8051单片机设计并外加上一片DAC0832制作出了多功能频率信号发生器。
用该方法设计的多功能信号发生器具有频率稳定、调频范围宽、幅值稳定、波形失真度低、电路结构简单机器、耗电少等特点。
可广泛应用于电子信息、机械、交通、地质、航天航空等专业,在教学、科研、生产、工程等诸多领域应用非常广泛
1.2信号发生器数模转换背景
数模转换器的功能
数模转换器是一种将输入的数字信号转换成模拟信号输出的电路或器件,它被广泛地应用在信号采集和处理、数字通信、自动检测、自动控制和多媒体技术等领域。
无论在工业生产还是在科学研究中,常常要对某些系统参数进行采集、加工和控制,它们往往是非电的模拟量,例如声、光、磁、热和机械参数等。
为了用电子技术处理这些停息.先要通过传感器把这些非电信号变换为相应的电信号。
随着数字技术的迅速发展和成熟,尤其是微处理器的迅速发展和广泛应用,使数字信号的大量存储、快速正确地处理和控制成为很容易的事,因而用数字技术处理模拟信号已越来越受到而视。
方法是先把模拟电信号变换为数字信号(模数转换),再利用数字技术对数字技术加工处理,处理结果根据需要再变换为模拟电信号(数模转换),以适应后面显示或执行机构的要求,实现对模拟信的显示或控制。
例如工业生产中常常需要对系统的温度参数进行控制,当采用数字系统实现其功能时,先用热电偶或其他温度传感器把系统温度转换成电压,经放大和滤波等预处理,用模数转换器把它变换成对应的数字量,再送入数字系统处理,根据系统情况和控制要求产生的处理结果用数模转换器变换为模拟电压.用来而控制加热系统的功率、实现对系统温度参数的控制。
在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统中,控制或测量对象的有关变量,往往是一些连续变化的模拟量,如温度、压力、流量、速度等物理量。
这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到单片机中进行处理。
单片机处理的结果,也常常需要转换为模拟信号。
若输入的是非电信号,还需经过传感器转换成模拟电信号。
实现模拟量转换成数字量的器件称为模数转换器(ADC),数字量转换成模拟量的器件称为数模转换器(DAC)。
综上所述,数模转换器具有和模数转换器相对应的基本功能。
模数转换器使数字系统能从模拟电子系统中获取与模拟信号有单值函数关系的数字信息,而数模转换器则可以把数字系统处理的结果变为对应的模拟信号,回送给模拟系统,以实观对模拟系统工作状态的检测和控制。
因此,数模转换器是数字电子系统和模拟电子系统之间的常用接口电路。
数模转换器的发展经历了电子管、晶体管到集成电路的过程。
40年代后期,人们开始了数字通信的研究和实践,例如研究脉冲编码调制式通信。
它要求发送部分能将所要传送的声音、图像等连续变化的模拟量转换成数字形式发送出去,而信号接收部分要求能把接收到的数字信号还原成声音、图像。
于是研制了由电子管组装而成的模数转换器和数模转换器,使这种可靠和经济的数字通信得以实现。
随着晶体管工艺的发展和成熟。
到50年代后期,转换器中的电子管逐步由晶体管替代,使转换器的体积和重量大大减小。
数字计算机的兴起、发展和应用领域的不断扩大,促进了集成电路和转换技术的迅速发展。
到60年代中期,构成数模转换器的一些主要功能单元电路,如基准电压源、模拟开关、运算放大器等已制成半导体集成电路。
同时薄膜集成电路和厚膜集成电路也有很大发展。
70年代初,所有元件那被集成在一个芯片上的单片集成数模转换器研制成功。
它标志数模转换器真正达到了工业化大批量生产的阶段。
此后,转换器得到迅速发展。
性能不断提高。
工艺上进一步发展,产生了标准双极型工艺和CMOS工艺结合起来的组合技术CMOS工艺的集成电路,功耗小、集成度高,制成的模拟开关有双向特性。
在数模转换器的功能方面,不但有一般功能的,还有为一些特定的功能。
应用领域研制的特殊功能数模转换器,例如用于视频调色显示的视频数模转换器。
替代手工调整电位器而设计的数字电位器,专用于把数字化音频信号转换成模拟音频信号的音频数模转换器,脉码调制编码译码系统中用的压扩数模转换器等,D/A转换器有两种输出形式,一种是电压输出形式,即输入的是数字量,而输出为电压。
另一种是电流输出形式,即输出为电流。
在实际应用中如需要电压模拟量的话,对于电流输出的D/A转换器,可在其输出端加运算放大器构成的电流-电压转换电路。
1.3单片机的发展应用及结构
1.3.1单片机的发展应用
单片机自20世纪70年代问世以来.以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注,所以应用很广,发展很快。
单片机的优点是体积小,重量轻,抗干扰能力强,对环境要求不高,价格低廉,可靠性高,灵活性好,开发较为容易。
广大工程技术人员通过学习有关单片机的知识后,也能依靠自己的力量来开发所希望的单片机系统,并可获得较高的经济效益。
正因为如此,在我国,单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器等各个方面。
此外,世界各大公司以MCS-51单片机基本内核为核心的各种扩展型、增强型的新型单片机不断推出,在今后若干年内,MCS-51系列及其兼容的各种增强型、扩展型的单片机,仍是我国单片机应用领域的主流机型。
单片机技术开发和应用水平已成为一个国家工业水平的标志之一。
单片机有着微处理器所不具备的功能,它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能,这是单片机最大的特征。
然而单片机又不同于单板机,芯片在没有开发前,它只是具备功能极强的超大规模集成电路,如果赋予它特定的程序,它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统,它与单板机或个人电脑(PC机)有着本质的区别,单片机的应用属于芯片级应用,需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术,用这样特定的芯片设计应用程序,从而使该芯片具备特定的功能。
一般微处理器和有关元器件分军用和民用两级,民用产品主要用于办公室及机房环境,工作温度在0~70℃,军用产品要求在恶劣环境条件下稳定工作,工作温度在-65~+125℃;
工业级产品的性能介于以上两者之间,在-40~+85℃温度环境可正常工作。
工业产品可靠性比民用产品强,而价格较军用品低。
在单片机应用中,可以根据实际工作环境,选择工业级芯片,保证系统可靠性。
单片机具有以下特点;
(1)受集成度限制,片内存储容量较小,一般8位单片机的ROM小于4/8K字节,RAM小于256字节,但可在外部扩展,通常ROM、RAM可分别扩展至64K字节。
(2)可靠性好。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的,其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU;
程序指令及常数、表格固化在ROM中不易破坏;
许多信号通道均在一个芯片内,故可靠性高。
(3)易扩展。
片内具有计算机正常运行所必需的部件。
芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚,很容易构成各种规模的计算机应用系统。
(4)控制功能强。
为了满足工业控制要求,一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
一般说来,单片机的逻辑控制功能运行速度均高于同一档次的微处理器。
1.3.2单片机的结构
通常,一个微型计算机系统由微型计算机与外部设备组成,如图1-1所示。
而微型计算机则包含有微处理器(通称CPU),存储器(存放程序指令或数据的ROM、RAM等),输入/输出口(I/O)及其他功能部件如定时/计数器、中断系统等。
它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来,通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。
存储器中配置有指令系统,系统操作软件及用户应用软件。
图1-1微型计算机系统
MCS-51单片机的功能部件:
8位微处理器(CPU);
数据存储器(RAM);
程序存储器(ROM);
4个8位并行口I/O(P0口、P1口、P2口、P3口);
1个串行口;
2个16位定时器/计数器;
中断系统;
特殊功能寄存器(SFR)。
1.功能特性描述
87C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有4K在系统可编程EPROM存储器。
87C51具有以下标准功能:
4k字节EPROM,128字节RAM,4个并行I/O口,二个16位定时器/计数器,一个5向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
2.引脚功能
87C51单片机有44个引脚的方形封装形式,40个引脚的双列直插式封装(DIP)形式,最常用的40个引脚封装形式及其配置如图1-2所示,各个引脚功能说明如下:
图1-287C51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具有内部上拉电阻。
在EPROM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口是一个具有内部上拉电阻的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,内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内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的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,内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MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在用做8位输出时,P2口输出P2锁存器的内容。
在EPROM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口是一个具有内部上拉电阻的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,内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87C51特殊功能(第二功能)使用,如表1-1所示。
在EPROM编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
表1-189S52单片机P3口第二功能
引脚号
第二功能
P3.0
RXD(串行输入线)
P3.1
TXD(串行输出线)
P3.2
(外部中断0输入线)
P3.3
P3.4
T0(定时器0外部计数脉冲输入)
P3.5
T1(定时器1外部计数脉冲输入)
P3.6
(外部数据存储器写选通信号输出)
P3.7
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。
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。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可以用来作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会丢失一个。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
外部程序存储器选通信号(
)是外部程序存储器选通信号。
当87C51从外部程序存储器执行外部代码时,
输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号,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。
为了执行内部程序指令,
应该接VCC。
但PC值超过0FFFH时,将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
在EPROM编程期间,
也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
3.87C51的存储器结构
87C51器件有单独的程序存储器和数据存储器。
外部程序存储器和数据存储器都可以64KB寻址。
程序存储器:
如果
引脚接地,程序读取只从外部存储器开始。
对于87C51,如果
接VCC,读写程序先从内部存储器(地址为0000H~0FFFH)开始,接着从外部寻址,寻址地址为:
0000H~FFFFH。
数据存储器:
87C51有128字节片内数据存储器。
数据存储器的片内和片外的操作指令不同。
1.4论文的主要内容
本次设计以单片机为核心,配以一定的外围电路和软件,实现多功能信号的产生和输出,从总体上来看设计任务可以分为硬件设计和软件设计,这两者互相结合,不可分离。
从时间上来看,硬件设计的绝大部分工作量在最初阶段,到后期往往还要作一些修改。
软件设计任务贯穿始终,到中后期基本上都是软件设计任务。
硬件设计部分包括1.单片机的接口扩展设计。
2.单片机外部模块设计,包括键盘模块、D/A转换模块、信号放大模块和滤波模块设计。
软件部分设计包括单片机主程序包括初始化和键入值的判定,其他都是软件子程序如D/A转换、频率信号波型的产生及输出。
信号发生器的硬件结构主要由87C51、复位电路、时钟电路、数模转换电路DAC0832五部分构成。
其中单片机87C51的程序存储器存放软件程序,程序包括三角波、锯齿波、矩形波的产生程序及对波形的频率输入程序,还有对键盘和DAC0832的控制程序。
打开信号发生器后,单片机程序请求用户从键盘上输入波形所对应的键号值及波形所对应的频率值。
像1号对应三角波输出,2号对应矩尺波输出、3号对应矩形波输出。
例如若想得到1KHZ的正弦波,则需按下1号键,等待程序要求输入三角波的频率,再按下1K键。
这些波形参数通过键盘由单片机的P1口进入,被存放在87C51的数据存储器内,单片机调用波形程序后,由P0口输出波形进入数模转换器的P1口,数模转换器将信号波由数字形式转换为模拟的形式,由数模转换器输出的波是电流型的,而用来显示波形的示波器是电压型的仪器,所以在数模转换器以后需要添加运算放大器将电流型的信号转换成电压型的信号,同时放大信号,以便于在示波器中观察。
第二章系统设计方案
2.1方案提出
方案1:
采用87C51单片机和DAC0832芯片,直接连接键盘和显示图2-1。
图2-1方案1电路原理图
该种方案主要对87C51单片机的各个I/O口充分利用。
P2.0-P2.3和P3.0-P3.3是连接4*4的键盘,在P0口接显示电路,P1口连接DAC0832输出波形。
这样总体来说,能对单片机各个接口都利用上,而不在多用其它芯片,从而减小了系统的成本。
也对按照系统多功能频率信号发生器的要求所完成。
占用空间小,使用芯片少,低功耗。
其缺点就是在考虑以后发展和改进的时候,单片机数据接口都被占用了,那么很难进行改进和进一步发展,在对系统驱动和数据的存储有一定的困难.
方案2:
采用芯片8255对87C51进行扩展,其中使用74LS373来驱动,并且加了一个74LS138译码器,8255的PA口和LED显示器连接,PB0-PB5和PC0-PC3连接4*4的键盘,87C51的P1连接DAC0832来显示波形.电路连接如图2-2。
此方案主要用到了8255对单片机的扩展,在功耗低,型号小的要求下,用8255扩展,在本来I/O接口刚好够用的情况下,多余几个接口,以后在系统电路改进或发展上都有着很好的作用.在编辑程序上对各个I/O口地址上有了明确的划分.容易编程和改进电路。
图2-2方案2电路图
通过对这两个方案的介绍和说明,在系统整体上,方案2明显优于方案1,所以本次设计选用方案2作为本系统的最终方案.
2.2总体设计
一个单片机主系统的硬件电路设计包含两部分内容:
一是单片机系统扩展部分设计,它包括存储器扩展和接口扩展。
存储器扩展指EPROM和RAM的扩展。
接口扩展是指各接口芯片以及其他功能器件的扩展。
二是各功能模块的设计,如信号检测功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通讯功能模块等,根据系统功能要求配置相应的D/A、键盘、显示器等外围设备。
第三章硬件设计
3.1总体硬件设计
单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容:
一是系统扩展,即单片机内部的功能单元(如ROM、I/O、定时/计数器等)容量不能满足应用系统的要求时,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片,设计适当的电路。
二是系统配置,即按照功能要求配置外围设备如显示器、D/A转换等,要设计合适的电路。
系统的扩展和模块设计应遵循下列原则:
(1)尽可能选择标准化、模块化、通用性的典型电路,提高设计的成功率和结构的灵活性。
(2)系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求。
(3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。
硬件结果与软件方案会产生相互影响,考虑的原则是:
软件能实现的功能尽可能由软件来实现,以简化硬件结构。
但必须注意,由软件实现的硬件功能,其响应时间要比直接用硬件响应来的长,而且占用CPU时间。
所以,选择软件方案时,要考虑到这些因素。
(4)可靠性及抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的部分。
(5)单片机外接电路较多时,必须考虑其驱动能力。
驱动能力不足时,系统工作不可靠,解决的办法是增加驱动能力,增设线驱动器或减少芯片功耗,降低总线负载。
(6)系统的扩展及各功能模块的设计在满足系统功能要求的基础上,应适当留有余地,以备将来修改、扩展之需。
根据以上原则,进行硬件设计。
系统采用较为普及的87C51单片机作为系统的核心。
它不但容易实现设计指标,而且还有较好的性价比。
3.2系统模块设计
3.2.1电源设计
稳压电源是单片机控制系统的重要组成部分,它不仅为系统提供电源电压,还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。
电源设计总框图如图3-0。
图3-0交流—直流电压转换总框图
本机使用三种共地电源:
±
12V,+5V,硬件设计中采用自带电源方式。
因为是87C51单片机,还有许多逻辑芯片,这些芯片的工作电源电压为+5V,所以电源中必须有+5V电源。
另外由于D/A转换器件Vee端需接-12V电压,放大器也需要提供±
12V电源,所以需要设计一个能产生±
12V,+5V的电源。
所以,变压器选用16W/32V变压器,整流用一片RBV-406集成电桥(如图3-1所示)。
稳压部分选用三端集成7805,7812,7912稳压器件(如
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