简易信号发生器设计.docx
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简易信号发生器设计
本科毕业设计论文
题目简易信号发生器
系别电气与信息工程系
专业测控技术与仪器
班级测控001学号10010343
学生姓名王永锋
指导教师金印彬
2014年06月
摘要
随着电子测试技术的飞速发展,测试仪器正向自动化、智能化、数字化和网络化的方向发展。
其中,信号发生器是一种能够产生多种波形,如三角波,方波,正弦波的电路。
信号发生器是一种广泛应用于电工学教学、实验物理学,电子线路和微机原理、接口技术实验,自动化测控系统等领域的常用信号源。
随着现代测量技术和现代通信技术的发展,信号源通常都要求要有具备高稳定度和高精度。
本文设计低频信号发生器,以AT89C51单片机为核心,通过键盘控制信号类型、调节频率和幅度,采用DA转换芯片输出相应的波形,同时以LCD显示器进行实时显示信号相关信息。
采用C语言进行编程,可实现方波,三角波,和正弦波三种波形的产生,且波形的频率和幅度可调。
经测试该设计方案线路优化,结构紧凑,性能优越,满足设计要求。
关键词:
信号发生器,单片机,DA转换,LCD,键盘
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofelectronictestingtechnology,testinstrumentisautomatic,intelligent,digitalandnetworkeddirection.Amongthem,thesignalgeneratorisakindofcanproducevariouswaveform,suchastrianglewave,squarewave,sinewavecircuit.Signalgeneratorisakindofwidelyusedinelectrotechnicsteaching,experimentphysics,electroniccircuitandthemicrocomputerprincipleandinterfacetechnologyexperiment,automaticsignalsourceiscommonlyusedinthefieldofmeasurementandcontrolsystem,etc.Withthedevelopmentofmodernmeasuringtechnologyandmoderncommunicationtechnology,signalsourceisusuallyrequiredtohavehighstabilityandhighprecision.
Lowfrequencysignalgeneratordesign,thispaperUSESAT89C51single-chipmicrocomputerasthecore,throughthekeyboardcontrolsignaltypes,adjustthefrequencyandamplitude,theDAconversionchipoutputcorrespondingwaveform,atthesametimewithLCDreal-timedisplaysignalinformation.WeareprogrammedusingClanguage,whichcanrealizesquarewave,trianglewave,andsinewavewaveform,andfrequencyandamplitudeofwaveformisadjustable.Bytestingthedesignschemeofcircuitoptimization,compactstructure,superiorperformance,meetthedesignrequirements.
KEYWORDS:
signalgenerator,singlechipmicrocomputer,DAconversion,LCD,keyboard
1绪论
1.1前言
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、矩形波信号是常用的基本测试信号。
譬如在示波器、电视机等仪器中,为了使电子按照一定规律运动,以利用荧光屏显示图像,常用到锯齿波产生器作为时基电路。
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。
1.2信号发生器的背景与意义
信号发生器作为一种通用的信号源发生器仪器,早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。
随着通讯和雷达技术的发展40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器,使信号发生器从定性分析的产生信号仪器发展成定量分析的产生信号仪器。
同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。
自60年代以来信号发生器有了迅速的发展,这个时期的波形发生器大多采用模拟电子技术,由分立元件或模拟集成电路构成,其电路结构复杂,且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形。
自从70年代微处理器的出现以后,利用各种微处理器、模数转换器和数模转多以软件为主,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。
极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用,使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替,从而扩充了仪器信号的控制力,提高了信号的准确度、精度和变换速度。
单片机在我国的应用历史不久,但发展很快.1980年应用软件只有100项.到1985年猛增至15000项.目前我国的单片机应用主要在工业自动化与仪器仪表控制。
与控制有关的的仪器表因广泛采用单片机,对单片机的应用产生重大的影响:
1).简化了仪表面盘,用数字键盘代替了面板开关和旋钮,外表美关。
2).增强了仪表的功能和灵活性。
3).使仪表能对简单的测量数据进行处理以及实现校正和自动诊断。
4).可用软件代替硬件,实现虚拟检测,这使单片机向智能化.随着单片机技术的迅猛发展,信号发生器也伴随着它得到迅猛的发展。
可以说,单片机技术的发展,为信号发生器提供了广大的空间。
单片机的性价比高,具有体积小,耗电省,携带方便,使用环境要求低,以及灵活,通用性好等特点。
尽管单片机还存在速度不高,内存容量小,寻址方式不多等特点,但随着,不断的技术改进和本身特点,因而得到迅速发展。
通过该设计课题的研究和制作使我对信号发生系统要有一个全面的了解、对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,显示电路,键盘控制),显示和各模块的连接通信等各个部分的熟练联接与调试,全面的了解常规芯片的使用方法、掌握了简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法,进一步锻炼了我在信号处理方面的实际工作能力。
1.3本次设计任务
本设计的任务是通过AT89C51单片机制作波形信号发生器该设计课题的研究和制作使我对信号发生系统要有一个全面的了解、对信号的发生原理要理解掌握,以及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,显示电路,键盘控制),显示和各模块的连接通信等各个部分的熟练联接与调试,全面的了解常规芯片的使用方法、掌握了简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法。
1.3.1本论文设计的目的与设计要求
1)原始数据
信号发生器的频率范围:
1Hz~1kHz
信号发生器的幅度范围:
100mV~5V
2)技术要求
能够输出正弦波,三角波和方波,并且输出信号的频率和幅度可调
具有良好的人机界面
3)工作要求
采用Proteus软件设计基于MCS-51系列单片机的简易信号发生器
采用相关语言编写应用程序并调试
对系统进行测试和结果分析
2信号发生器现状及主控芯片原理
2.1国内研究成果
胥绍禹在《多波形信号发生器》一文中设计的电路采用了两块C-MOS数字集成电路74C04(内含六个反相器)和74C14(内含六个带施密特电路的反相器)。
由反相器IC1的a、b、c三个并联、电阻W1+R1、电容C1、C2、C3构成振荡器产生三角波,振荡频率计算公式为f=1/1.7RC。
可由开关控制频率。
此三角波经施密特触发器IC2a整形为方波,再经IC2b~f并联输出(多个门电路并联以提高驱动能力),其电平兼容TTL。
IC1d、IC1e~f构成两级线性放大器,用于将三角波整形为模拟正弦波。
当波形选择开关K3将电阻R2和二极管D1或D2接入电路时,输出的方波被整流为正电压或负电压加到三角波发生器的输入端,构成压控振荡器(VCO),从而获得极性不同的锯齿波或脉冲波,脉冲宽度取决于电阻R2和积分电容的大小。
杨潇,刘刚,翟玉文在《多功能PWM信号发生器设计》中设计的多功能PWM信号发生器以MSP430F169单片机为核心,由时钟和复位、频率及波形设定、LCM显示器、PWM信号发生电路组成.MSP430F169单片机数模转换模块输出端DAC1输出直流电压可控制PWM占空比;DAC0输出交变电压可产生SPWM信号,且基波频率和波形受单片机控制。
MSP430F169单片机小系统电路由MSP430FI69、复位电路、低速时钟电路(32768Hz)、高速时钟电路(8MHz)等元件构成.MSP430F169片内有6OK程序存储区、2K的数据存储区和多种外围模块,并具有12位数模转换模块DAC12.选用内部2.5V参考电压源,输入DAC12的数字量从0xO到0xFFF变化时,对应的输出电压量也就从0到2.5V变化.他的设计中使用DAC1通道控制PWM占空比,DAC0通道产生交变基波。
李辉,朱林生《基于FPGA的三相函数发生器设计》设计的信号发生器是基于DDS原理,频率控制字M和相位控制字P分别控制DDS输出波形的频率和相位。
相位累加器是整个波形产生的核心,它有一个累加器和一个N位相位寄存器组成。
每来一个时钟脉冲,相位寄存器以步长M增加。
相位寄存器的输出与相位控制字相加,其结果作为波形查找表的地址。
波形查找表由ROM构成,内部存有一个完整周期的波形的数字幅度信息,每个查找的地址对应波形中0°~360°范围的一个相位点。
查找表输入的地址信息映射达成波形幅度信号,同时输出到数模转换器的输入段,DAC输出的模拟信号经过程控滤波器,得到一个频谱纯净的波形。
徐仁贵,管运生,李学东在《实用的多功能信号发生器》用单片机制作信号发生器,除了单片机以外,包括有查表地址发生器、ROM、DAC以及放大倒相等环节。
该结构的特点是应用可编程计数器设计了一个“查表地址发生器”,其目的是使信号发生器只是在设定信号参数时瞬间占用微处理器,其余时间微处理器都可以用来处理其它事务。
在ROM中储存着所要产生信号(某种曲线)的离散值。
为了保证信号质量,应该使一个周期内所取离散值的点数足够多(特别是在信号频率很低时)。
假设这一周期性函数为F(X),在一个周期内所取点数为N,则存放在该数据表中的数据依次为:
F(0),F(2π/N),F(2*2π/N)……F((N-1)*2π/N)。
如果信号由对称的正负半波组成(如正弦波),则可以只储存正半波的离散值。
如果需要产生多种波形的信号,则不同信号的离散值可以分区(例如以256个单元为一个区)存放。
查表地址发生器由时钟、分频器和N位二进制计数器(N≥8)组成。
它用来产生访问ROM中某一数据表的周期性地址信号。
该信号为等于或大于8位的二进制数。
相邻两个查表地址信号的时间间隔决定了所产生信号的周期,这一时间间隔由分频器的分频系数决定。
2.2信号发生器的发展趋势
随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展,极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用,使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替,从而扩充了仪器信号的处理能力,提高了信号测量的准确度、精度和变换速度,克服了模拟信号处理的诸多缺点,数字信号发生器随之发展起来。
波形发生器的发展趋势是更高取样率,更高分辨率和更大存储量,目前实时带宽超过1GHz的产品比较少,而且分辨率只有8位,不能满足快速发展的移动通信和高速网络的测量要求。
与数字存储示波器相比,波形发生器的全面指标存在明显差距,前者的取样率达到20GS/s和带宽6GHz,后者的取样率是4.8GS/s和带宽2GHz。
波形发生器首先要赶上数字存储示波器,然后再往前发展,因为在电路构成方面,波形发生器的核心部件是高速数/模转换器,它的工艺潜力还很大,显然缺少的是市场需求。
2.3研究中存在的问题
由于信号发生器的自身特点决定了它存在以下两个比较明显的缺点:
一是输出信号的杂散比较大,二是输出信号的带宽受到限制。
信号发生器输出杂散比较大这是由于信号合成过程中的相位截断误差、D/A转换器的截断误差和D/A转换器的非线性造成的。
随着技术的发展这些问题正在逐步得到解决。
如通过增加波形ROM的长度减小相位截断误差,通过增加波形ROM的字长和D/A转换器的精度减小D/A量化误差。
比较新的信号发生器芯片中普遍都采用了14bit的D/A转换器。
国内外学者在对DDS输出的频谱做了大量的分析以后,总结出了误差的频域分布规律建立了误差模型,在分析信号发生器频谱特性的基础上又提出了一些降低杂散功率的方法,可以通过采样的方法降低带内误差功率,可以用随机抖动法提高无杂散动态范围(在D/A转换器的低位上加干扰打破DDS输出的周期性,从而把周期性的杂散分量打散使之均匀化1。
为了迸一步提高信号发生器的输出频率,产生了很多信号发生器与其他技术结合的频率合成方法。
如当输出信号是高频窄带信号的时候可以用混频滤波的方法扩展信号发生器的输出,也可以利用DDS的频谱特性来产生高频信号,如输出它较高的镜像频率。
信号发生器和PLL相结合的方法也是一种有效的方法。
这种方法兼顾了两者的优点,既有较高的频率分辨率,又有较高的频谱纯度。
虽然信号发生器技术的应用日益广泛,但是目前可以产生多种通信信号的仪器数量很少而且价格非常昂贵,在现代的通信对抗和无线电监测研究中,人们多使用的是任意波形发生器,使用前需将所需波形的数据输入仪器,过程比较繁琐,信号参数改变时需重新产生和输入数据,操作也不很方便,使信号发生器的使用受到了限制。
2.4主控芯片原理
2.4.1单片机的发展及趋势
在计算机应用控制领域上,如工业控制、汽车、家电等很多控制场合,对控制系统的要求都比较苛刻。
例如需要智能高、体积小、成本低、功耗低、抗干扰能力强和可靠性高。
不仅传统电气设备无能为力,一般应用性PC机也不能胜任。
在这个背景下,单片机的设想才逐渐成型。
单片机就是将计算机的几个基本组成部分集成在单一的芯片上,体积相对较小,很好地满足了对控制系统体积的要求。
自从1975年美国德克萨斯公司开发生产出第一台单片机TMS-1000以来,单片机经历了4位→8位→16位→32位的发展过程。
最有代表性的Intel公司先后推出了三个系列:
MCS-48系列8位单片机、MCS-51系列高档8位单片机、MCS-96/98系列16位单片机。
很多控制场合并不需要单片机去完成复杂的数学计算,因此单片机在生产工艺上进行了简化,降低了制造成本。
同时采用大批量生产,成本进一步降低。
从目前市场上来看,其价格一般都在几元到几十元之间。
未来单片机技术的发展趋势将以8位单片机主流,并大力发展专用单片机。
很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求,将一些常用的功能部件,如ADC(模/数转换器)、DAC(数/模转换器)、PWN(脉冲产生器)以及LCD(液晶)驱动器等集成到芯片内部、尽量做到单片化;同时,用户还可以提出要求,由厂家为其量身定做(SoC设计)或自主设计。
另外,随着科技发展,程序存储器的容量将进一步扩大。
当存储空间足够大时,可嵌入一些软件(如平台软件、虚拟外设软件、系统诊断管理软件等)以提高系统开发效率。
2.4.2单片机介绍
1)单片机概述
51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机,后来随着Flashrom技术的发展,8031单片机取得了长足的进展,成为应用最广泛的8位单片机之一,其代表型号是ATMEL公司的AT89系列,它广泛应用于工业测控系统之中。
很多公司都有51系列的兼容机型推出,今后很长的一段时间内将占有大量市场。
51单片机是基础入门的一个单片机,还是应用最广泛的一种。
需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。
如图2-1示出了51单片机引脚图。
图2151单片机引脚图
2).主要产品
当前常用的51系列单片机主要产品有:
*Intel的:
80C31、80C51、87C51,80C32、80C52、87C52等;
*ATMEL的:
89C51、89C52、89C2051等;
*Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品
国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能,占据着国内51单片机较大市场。
3)51单片机功能
·8位CPU·4kbytes程序存储器(ROM)(52为8K)
·128bytes的数据存储器(RAM)(52有256bytes的RAM)
·32条I/O口线·111条指令,大部分为单字节指令
·21个专用寄存器
·2个可编程定时/计数器·5个中断源,2个优先级(52有6个)
·一个全双工串行通信口
·外部数据存储器寻址空间为64kB
·外部程序存储器寻址空间为64kB
·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装
·单一+5V电源供电
CPU:
由运算和控制逻辑组成,同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器;
RAM:
用以存放可以读写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据;
ROM:
用以存放程序、一些原始数据和表格;
I/O口:
四个8位并行I/O口,既可用作输入,也可用作输出;
T/C:
两个定时/记数器,既可以工作在定时模式,也可以工作在记数模式;
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,用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信;
片内振荡器和时钟产生电路,石英晶体和微调电容需要外接。
最高振荡频率为12M。
如图2-2示出了51单片机内部结构图。
图2289C51内部结构图
图23单片机最小系统图
3)单片机特性及基本电路
(1)振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
(2)复位电路(图2-4):
MCS-51 单片机复位电路是指单片机的初始化操作。
单片机启运运行时,都需要先复位,其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
因而,复位是一个很重要的操作方式。
但单片机本身是不能自动进行复位的,必须配合相应的外部电路才能实现[5]。
图24复位电路
a复位功能:
复位电路的基本功能是:
系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤销复位信号。
为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。
片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连,斯密特触发器用来抑制噪声,它的输出在每个机器周期的S5P2,由复位电路采样一次。
复位电路通常采用上电自动复位(如图2-2(a))和按钮复位(如图2-5(b))两种方式。
图25复位电路的2种接法
b单片机复位后的状态:
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态,其中包括使程序计数器PC=0000H,这表明程序从0000H地址单元开始执行。
单片机冷启动后,片内RAM为随机值,运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容,21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值,见表2-1。
值得指出的是,记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态,对于了解单片机的初态,减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。
说明:
表中符号*为随机状态;
特殊功能寄存器
初始状态
特殊功能寄存器
初始状态
A
B
PSW
SP
DPL
DPH
P0—P3
IP
IE
00H
00H
00H
07H
00H
00H
FFH
***00000B
0**00000B
TMOD
TCON
TH0
TL0
TH1
TL1
SBUF
SCON
PCON
00H
00H
00H
00H
00H
00H
不定
00H
0********B
表21寄存器复位后状态表
PSW=00H,表明选寄存器0组为工作寄存器组;SP=07H,表明堆栈指针指向片内RAM07H字节单元,根据堆栈操作的先加后压法则,第一个被压入的内容写入到08H单元中;Po-P3=FFH,表明已向各端口线写入1,此时,各端口既可用于输入又可用于输出。
IP=×××00000B,表明各个中断源处于低优先级;IE=0××00000B,表明各个中断均被关断;系统复位是任何微机系统执行的第一步,使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。
51单片机的复位是由RESET引脚来控制的,此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后,51单片机即进入芯片内部复位状态,而且一直在此状态下等待,直到RESET引脚转为低电平后,才检查EA引脚是高电平或低电平,若为高电平则执行芯片内部的程序代码,若为低电平便会执行外部程序。
51单片机在系统复位时,将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值,至于内部RAM内部的数据则不变。
(3)晶振电路:
晶振是晶体振荡器的简称,在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,电工学上这个网络有两个谐振点,以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振,较高的频率是并联谐振。
AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此,此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值约为30μF。
在焊接刷电路板时,晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯
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