函数信号发生器设计l论文.docx
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函数信号发生器设计l论文
毕业设计(论文)
题目:
函数信号发生器
学部信息与电子学部
专业名称电子信息工程
班级学号
学生姓名
指导教师
二O一五年六月
1引言
1.1单片机概述
单片机简单的说就是单片的计算机,又可以称为微处理器、微控制器或者嵌入式控制器。
它是把计算机的基本部件微型化并且集成到一块芯片上的微型计算机,一般来说,片内包含中央处理器CPU、并行输入输出、串行输入输出、定时器/计数器、ROM、RAM、中断控制系统、系统时钟和系统总线等等。
单片机有很多的优点,它的体积小使用起来方便,不仅功能强功耗还很低,对于使用者来说性价比很高价格也低廉,能够用到的领域也很多等等,比如说在自动化装置上、使用智能仪器或仪表使得测量数据更精确、通信领域、现代化家用电器、医疗器械等等各个领域成为不可或缺的一部分。
单片机系统的特点:
(1)寿命长
什么是寿命长呢?
一般分两个层面来说。
一个层面上是指通过单片机制造出来的产品可以稳定可靠的的工作很多年,另一层面上是指和其他处理器使用起来的做对比,寿命长很多。
(2)8/16/32位共同发展
(3)运算速度越来越高
(4)低电压和低功耗
(5)抗干扰能力强、低噪声和高可靠性
1.2信号发生器的介绍和分类
信号发生器(signalgenerator)又称信号源或振荡器。
是输出供给量,产生频率、幅度、波形等主要参数都可调的信号。
信号发生器其作用是:
测量网络的幅频特性、相频特性;测量网络的瞬态响应;测量接收机;测量元件参数等。
用于测量的信号发生器指的是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则的信号源,在电子系统的测量、实验、校准和维护中等等方面有着很大的应用范围。
它本身可以产生很多种不同的波形,如锯齿波、矩形波(含方波)、三角波、正弦波等甚至任意波形,各种波形曲线均可用三角函数方程式表示。
如在制作和调试音频功率放大器时,就需要人为的输入一个标准音频信号,才能测量功率放大器的输出,得到功率放大器的相关参数,此时要用到的这个标准音频信号就是由信号发生器提供的,可见信号发生器的应用很广泛。
信号源可以分为通用和专用两种,通用信号源包括:
正弦信号源、脉冲信号源、函数信号源、高频信号源、噪声信号源;专用信号源包括:
电视信号源、编码脉冲信号源。
信号发生器根据输出波形可以分为:
正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器和噪声信号发生器。
1)正弦信号发生器
主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。
我们根据它不同用途和它的自身性能还可以分为低频(20Hz~10MHz)信号发生器、高频(100kHz~300MHz)信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控发生信号发生器、频率合成式信号发生器等。
2)函数(波形)信号发生器
会产生特定的周期性时间函数波形(正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等)信号,频率范围能从几微赫兹到几十兆赫兹。
除供通信、仪表和自动控制系统测试外,还广泛用于其他非电测量领域。
3)脉冲信号发生器
能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器,可用以测试线性系统的瞬态响应,或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。
4)随机信号发生器
它一般还细分为两种:
噪声信号发生器和伪随机信号发生器。
前者信号发生器的主要用途为:
在待测系统中引入一个随机信号,以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能;外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数;用随机信号代替正弦或脉冲信号,以测定系统动态特性等。
当用噪声信号进行相关函数测量时,若平均测量时间不够长,会出现统计行误差,可用伪随机信号来解决。
信号发生器按照用途分可以分为专用信号发生器和通用信号发生器等;按照性能有普通信号发生器和标准信号发生器;按照调制类型可以分为调幅信号发生器、调频信号发生器、调相信号发生器、脉冲调制信号发生器及组合调制发生器等;按照频率调节方式可以分为扫频信号发生器、程控信号发生器等。
1.3任务要求和设计内容
本次的任务要求如下:
(1)设计函数发生器,利用51单片机作为控制电路,使该函数发生器能产生正弦波、三角波、方波、锯齿波、梯形波。
(2)使用同一按键选择五个波形,依次输出。
要求幅度范围控制在0~5V,正弦波的频率范围控制在10~50Hz,步进值为10Hz;三角波的频率范围控制在50~250Hz,步进值为50Hz;方波的频率范围控制在200~1000Hz,步进值为200Hz;锯齿波的频率范围控制在100~500Hz,步进值为100Hz;梯形波的频率范围控制在50~250Hz,步进值为50Hz。
(3)输出波形的同时LCD上显示波形名称和波形频率数值。
第一行显示内容为:
输出正弦波时显示:
SineWave;
输出三角波时显示:
TriangleWave;
输出方波时显示:
SquareWave;
输出锯齿波时显示:
SawtoothWave;
输出梯形波时显示:
TrapezoidalWave;
第二行显示内容为:
Frequency:
***Hz。
本次设计的内容分为硬件和软件两个部分结合起来,得到所要五种比较典型的波形。
(1)系统的硬件设计:
利用51单片机作为控制电路和DAC0832芯片进行数模转换结合成简易的函数信号发生器。
这样电路可以产生所需要的五种波形,正弦波、三角波、方波、锯齿波和梯形波,同时对幅度和频率进行相应的控制。
(2)系统的软件设计:
在本次设计中要用到AltiumDesigner软件进行PCB制图,然后编写程序要在KeiluVision环境中编译,再把程序导入STC89C51芯片中,最后利用示波器观察所要得到的波形结果。
2函数信号发生器的方案选择与设计
2.1函数信号发生器设计方案的选择
2.1.1信号发生器电路方案
目前实现简易信号发生器的方法挺多的,但是主要有以下几种:
方案一:
用分立元器件组成的函数发生器
该方案的缺点比较明显,不好控制,需要靠手动来转换量程。
除此以外,输出的信号频率较低,波形质量差,输出频率可以的调节范围小,设计的电路繁琐复杂并且体积很大不方便操作。
方案二:
利用专门的函数发生器集成芯片组成的函数发生器
该方案能够方便的产生多种波形,还能达到较高的频率,设计的外围电路不仅简单且容易调试,但缺点就是功能比较少,精确度不高,调节起来的时候会发现方式不够灵活。
方案三:
基于单片机结合DAC0832数模转换的函数信号发生器
该方案的优点是设计的电路简单明了,输出的信号频率稳定可靠也能达到一定的频率,并且抗干扰的能力也强,相对于其他方式来说很容易实现很多种不同的波形。
可惜不足的地方是因为单片机处理数据的速度还是有限,当使用者需要它产生频率较高的信号时,输出波形的质量将会有所影响,造成下降。
方案四:
利用专用直接数字合成(DDS)芯片输出频率的函数发生器
该方案具有输出频率高并且输出的频率稳定度高,除此之外输出的分辨率也高,易于实现全数字控制等优点,是目前设计高精度高性能信号发生器的首选方案,但是成本较高。
为了符合本次设计的要求和任务,需要从性价比方面和实现难以程度来考虑,比较上面的方案,可以看出方案一和方案二比较难以实现,缺点比较明显不太能够达到我们所要的效果,方案四虽然更容易实现达到设计的要求,功能也比较强大,但是成本比较高。
最后,综合所有的考虑,选择方案三是最合适。
2.1.2显示电路方案
方案一:
采用LED数码管显示。
LED数码管也称为半导体数码管,是很常用的显示器件。
它是以发光二极管做笔段显示,按共阴极或共阳极方式连接后封装而成的。
八段LED数码管是由8个发光二极管组成,每个数码管轮流显示各自的字符。
显示二极管的内容通过单片机一般有两种方式:
动态扫描显示和静态显示。
使用静态显示可以使单片机的CPU开销小,但是需要有能带锁存的I/O接口电路。
而动态扫描显示则是利用视觉暂留的原理,不断刷新显示码,这样给人的感觉显示的字符是一直静止的,它的外围电路简单不需要附加锁存电路。
虽然数码管编程控制起来比较简单方便,但要显示的内容比较多,还有一个数码管的缺点就是不能显示字母。
方案二:
采用液晶LCD1602显示。
LCD1602是一种很省电的电子设备,功耗也小,透过屏幕可以直接观察到数据,能同时显示出波形的类型、频率和步进值。
LCD同样是利用编程来控制其输入,编程灵活方便,另外多于数码管的优点就是能够显示字母。
以上方案综合考虑,方案二更合适。
2.1.3按键控制电路方案
方案一:
矩阵式键盘。
矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通而是通过一个按键加以连接,这样一个端口就可以构成4*4=16个按键。
采用矩阵键盘可以用较少的端口控制出比较多的按键。
虽然可用于节省不少单片机的I/O口资源,但是编程起来比较复杂。
方案二:
独立键盘。
独立键盘是一个I/O口控制一个键盘比起矩阵式键盘来说需要的接口更多点,但其硬件和软件编程上也比较简单、价格也便宜。
以上方案综合考虑,方案二更合适。
2.2总体设计
函数信号发生器系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成。
这次设计的函数信号发生器由单片机(STC89C51)作为主控制电路和DAC0832芯片进行数模转换构成函数信号发生器。
另外由复位电路、稳压电源控制电路、整流部分、波形放大电路、按键控制部分、LCD液晶显示电路等构成,系统框图如图2.1所示:
图2.1硬件系统框图
波形由所编程序控制产生,由单片机作为核心控制电路,向D/A的输入端按照一定的规律传送数据,将数字信号转变成模拟信号,再由DAC0832的输出端输出信号,输出的信号经过波形转换电路运算放大器LM324得到不同的波形。
通过程序和按键控制部分来选择波形的类型、调制波形的幅度和频率。
最后在LCD1602上显示波形的类型及数值。
3系统硬件电路的设计
3.1单片机核心控制电路
3.1.1单片机芯片简介
设计中采用了STC89C51芯片,和AT89C51一样都是51系列单片机但是属于增强型。
不仅如此,功能更强大运行速度更快,使用寿命更长。
可以不用昂贵的编程器,只用自己做一个编程即可,也都有20引脚和40引脚两种单片机,采用双列直插DIP-40封装。
STC可以支持ISP在线编程功能可是AT系列的不能, 还有一个不同的是,STC的在线编程方式是通过串口进行的,AT的是并口编程方式,相对来说STC的在线编程方式简单点。
从经济实惠上来说,STC芯片比AT的更便宜一些。
所以综合功能和实际原因来说选用STC是为了减少成本,提高性能,并且原有的程序可以直接使用,硬件也不用改动。
STC89系列芯片特性如图3.2所示。
图3.1STC芯片特性图
3.1.2引脚及功能说明
图3.2STC89C51引脚图
主要几个引脚的简单介绍:
1.电源线:
VCC(+5V)、VSS(地)
2.振荡电路:
XTAL1、XTAL2分别为反相器的输入和输出端
3.复位引脚:
RST。
当单片机一开始上电后,在该引脚上就会出现两个机器周期(24个振荡周期)宽度以上的高电平,就会使单片机复位。
4.并行口:
P0~P4端口引脚
5.
:
访问程序存储器控制信号,当
等于1时,CPU从片内程序存储器开始读取指令,当等于0时,CPU只访问外部程序存储器。
6.
:
外部ROM读选通信
7.ALE:
地址锁存控制信号
3.1.3单片机硬件原理框图
图3.3单片机最小系统
3.2D/A数模转换电路及波形产生模块
由于单片机只能输出数字信号,但是对于控制而言,常常就需要输出模拟信号,例如本次设计的函数信号发生器产生波形,这时候就需要单片机系统具有输出模拟信号的能力了。
因此,采用了8位双缓冲D/A转换器DA
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