函数信号发生器的设计与实现.docx
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函数信号发生器的设计与实现
摘要
信号发生器是科研、教学实验及各种电子测量技术中很重要的一种信号源,随着科学技术的迅速发展,对信号源的要求也越来越高,要求信号源的频率稳定度、准确度及分辨率要高、以适应各种高精度的测量,为了满足这种高的要求,各国都在研制一些频率合成信号源,这种信号源一般都是由一个高稳定度和高准确度的标准参考频率源,采用锁相技术产生千百万个具有同一稳定度和准确度的频率信号源,为了达到高的分辨率往往要采用多个锁相环和小数分频技术,因此使电路复杂、设备体积圈套、成本较高,传统的频率合成器由于采用倍频、分频、混频和滤波环节,使频率合成技术(DDS),与传统的频率合成技术相比,DDS具有频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点、成为现代频率合成技术中的佼佼者,得到越来越广泛的应用,成为众多电子系统中不可缺少的组成部分。
本文介绍一种以AT89S52、AD9850和8279为核心器件的DDS正弦信号发生器。
AD9850是一款专业极的正弦信号产生器件。
它的特点正如上文所述的,电路整体结构简单,输出信号波形好,控制简单,而且易于实现程控。
AT89S52和8279将在正文部分仔细的说明。
本次因为是毕业设计,我也首次采用12864LCD作显示器件。
采用12864作显示器件的好处是可以显示汉字。
关键词:
单片机,电压A/D转换,C语言
TitleFunctionsignalgenerator’sdesignandRealization
Abstract
Signalgeneratorisaresearch,teachingexperimentsandavarietyofelectronicmeasurementtechnologyisveryimportantasasignalsource,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,demandsonthesignalsourcemoreandmorerequirethesignalsourcefrequencystability,higheraccuracyandresolutiontosuitavarietyofhigh-precisionmeasurements,inordertomeetthishighdemand,allcountriesinthedevelopmentofanumberoffrequencysynthesizedsignalsource,suchsourcesarenormallyahighstabilityandhighaccuracydegreeofstandardreferencefrequencysource,usingphase-lockedwiththesametechnologiesusedtoproducemillionsofadegreeofstabilityandaccuratefrequencysignalsource,inordertoachievehighresolutionandoftenusingmultiplephase-lockedloopfractional-Ntechnology,divider,mixerandfilterlinks,sothatfrequencysynthesis(DDS),andcomparedtotheconventionalfrequencysynthesis,DDShasafrequencyresolutionhighfrequencychangesinspeed,theoutputphasecontinuous,lowphasenoise,programmableandfullydigital,easyintegrationandotheradvantages,becomeamodernleaderinsynthesizertechnology,getmoreandmorewidelyused,alargenumberofelectronicsystemsanindispensablecomponent.
ThisarticledescribesakindofAT89S52,AD9850and8279asthecorecomponentoftheDDSsinewavegenerator.AD9850isahighlyprofessionalsinesignalgenerationdevice.Itfeatures,asdescribedabove,thecircuitstructureissimple,theoutputsignalwaveformisgood,controlissimpleandeasytoimplementprogram-controlled.AT89S52and8279willbedetailedinthebodyofthenote.
Thisisbecauseagraduationproject,Iwasfirstintroduced12864LCDfordisplaydevices.12864foruseofthebenefitsofdisplaydevicecandisplayChinesecharacters.
Keywords:
DDS,MCU,AD9850,LCD,Clanguage
1.前言
函数发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。
能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
在通信、广播、电视系统,在工业、农业、生物医学等领域内,函数信号发生器在实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
1.1本课题的研究现状
函数发生器既可以构成独立的信号源,也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其它自动测试设备的组成部分。
函数发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术,因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源,可使相应系统的检测过程大大简化,降低检测费用并极大地提高检测精度。
美国安捷伦生产的33250A型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形,其输出频率范围为1μHz~80MHz,而输出幅度为10mVpp~10Vpp;该公司生产的8648D射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz~4GHz。
国产SG1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形,频率覆盖范围为1μHz~60MHz;国产S1000型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源,同时应用DDS和锁相技术,使频率范围从1MHz~1024MHz能精确地分辨到100Hz,它既是一台高精度的扫频源,同时也是一台高精度的标准信号发生器。
还有很多其它类型的信号发生器,他们各有各的优点,但是函数发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。
目前,市场上的信号发生器多种多样,一般按频带分为以下几种:
超高频:
频率范围1MHz以上,可达几十兆赫兹。
高频:
几百KHZ到几MHZ。
低频:
频率范围为几十HZ到几百KHZ。
超低频:
频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。
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,一般在几百元左右。
在实际应用中,超低频波和高频波一般是不用的,一般用中频,即几十HZ到几十KHZ。
用单片机89S52,加上一片DAC0832,就可以做成一个简单的信号发生器,其频率受单片机运行的程序的控制。
再在DAC0808输出端加上一些电压变换电路,就完成了一个频率、幅值、零点均可调的多功能信号发生器的设计。
这样的机器体积小,价格便宜,耗电少,频率适中,便于携带。
1.2选题目的及意义
函数发生器是一种经常使用的设备,由纯粹物理器件构成的传统的设计方法存在许多弊端,如:
体积较大、重量较沉、移动不够方便、信号失真较大、波形种类过于单一、波形形状调节过于死板,无法满足用户对精度、便携性、稳定性等的要求,研究设计出一种具有频率稳定、准确、波形质量好、输出频率范围宽、便携性好等特点的波形发生器具有较好的市场前景,以满足军事和民用领域对信号源的要求。
本次设计的主要目标是学习和运用单片机的C语言和汇编语言,通过现有多功能电子学习机部分已有器件,实现利用单片机AT89C52和8位D/A转换芯片DAC0832共同实现正弦波,方波,三角波,锯齿波这四种常见波形的发生,并且可以接收外接键盘输入而在一定范围内改变频率。
在无标准函数发生仪器时,本设计可以作为简单的函数发生器使用。
本次设计准备在成本交低廉的前提下完成,使用的都是该学习机上器件,主要是用单片机AT89C52,DAC0832,性能指数都不是很高,所以对此信号源的基本要求是能发生几种常见的波形,正弦波,方波,三角波,锯齿波,并且能够在一定的范围内改变频率。
通过该课题的设计掌握以AT89C52为核心的单片机系统的软硬件开发过程和基本信号的产生原理、测量及误差分析方法,同时掌握函数发生器系统的设计流程;培养我们综合运用所学的基本知识、基本理论和基本技能的能力,学习解决一般工程技术和有关专业问题的能力,学习工程设计和科学研究的基本方法,完成对所学知识的综合训练。
1.3发展函数信号发生器的意义
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,在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛的应用,并走入家庭,从洗衣机、微波炉到音响汽车,处处可见其应用。
因此,单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。
一块单片机芯片就是一台计算机。
由于单片机的这种特殊的结构形式,在某些应用领域中,它承担了大中型计算机和通用微型计算机无法完成的一些工作。
使其具有很多显著的优点和特点,因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。
单片机的特点归纳起来有以下几个方面。
1)具有优异的性能价格比
单片机尽可能地把应用所需的存储器,各种功能的I/O接口集成在一块芯片内,因而其性能很高,而价格却相对较低廉,即性能价格比很高。
2)集成度高、体积小、可靠性高
单片机把各种功能部件集成在一块芯片上,因而集成度高,均为大规模或超大规模集成电路。
又内部采用总线结构,减少了芯片之间的连线,这大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
同时,其体积小,对于强磁场环境易于采取屏蔽措施,适合于在恶劣环境下工作。
3)控制功能强
单片机体积虽小,但“五脏俱全”,它非常适用于专门的控制用途。
为了满足工业控制要求,一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令,I/O口的逻辑操作指令以及位操作指令。
其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
4)低电压、低功耗
单片机大量用于携带式产品和家用消费类产品,低电压和低功耗尤为重要。
目前,许多单片机已可在2.2V电压下运行,有的已能在1.2V或0.9V下工作,功耗降至μA级,一粒钮扣电池就可长期使用。
利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号,其下限频率很低。
具有线路相对简单,结构紧凑,价格低廉,频率稳定度高,抗干扰能力强,用途广泛等优点,并且能够对波形进行细微调整,改良波形,使其满足系统的要求。
只要对电路稍加修改,调整程序,即可完成功能升级。
这里介绍一种采用AT89S52单片机和一片DAC0832数模转换器做成的数字式低频信号发生器,它的特点是价格低、性能高,在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等。
信号发生器与其它相比还具有如下优点:
较分立元件信号发生器而言,具有频率高,工作稳定,容易调试等特性;较专用DDS芯片的信号发生器而言,具有结构简单,成本低等特性。
2.函数发生器系统设计
2.1设计方案的比较
函数发生器的设计方案可用多种方案来完成。
在设计前对各种方案进行了比较:
方案一:
用差分放大电路实现三角波到正弦波以及集成运放组成的电路实现函数发生器。
波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性,传输特性曲线越对称,线性区域越窄越好;三角波的幅度应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
方案二:
用二极管折线近似电路以及集成运放组成的电路实现函数发生器。
根据二极管折线近似电路实现三角波——正弦波的变换频率调节部分设计时,可先按三个频率段给定三个电容值:
1000pF、0.01Μf、0.1μF然后再计算R的大小。
手控与压控部分线路要求更换方便。
为满足对方波前后沿时间的要求,以及正弦波最高工作频率(10kHz)的要求,在积分器、比较器、正弦波转换器和输出级中应选用Sr值较大的运放(如LF353)。
为保证正弦波有较小的失真度,应正确计算二极管网络的电阻参数,并注意调节输出三角波的幅度和对称度。
输入波形中不能含有直流成分。
方案三:
利用单片机AT89C51和8位D/A转换芯片DAC0832共同实现正弦波,方波,三角波,锯齿波这四种常见波形的发生,并且可以接收外接键盘输入而在一定范围内改变频率。
可行性分析:
上面三种方案中,方案一与方案二中三角波——正弦波部分原理虽然不一样,但是他们有共通的地方就是都要认为地搭建波形变换的电路图。
而方案三利用单片机构成的应用系统有较大的可靠性。
系统扩展、系统配置灵活。
容易构成各种规模的应用系统,且应用系统有较高的软、硬件利用系数。
单片机具有可编程性,硬件的功能描述可完全在软件上实现,而且设计时间短,成本低,可靠性高。
综上所述我选择了第三种设计方案。
2.2系统模块设计
该函数发生器有以下几部分组成:
1)控制模块
2)按键及其显示模块
3)D/A转换模块三部分组成。
2.2.1控制模块
方案一:
用单片AT89S52作为系统的主控核心。
单片机具有体积小,使用灵活的,易于人机对话和良好的数据处理,有较强的指令寻址和运算功能等优点。
且单片机功耗低,价格低廉的优点。
方案二:
用FPGA等可编程器件作为控制模块。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,密度高,速度快,稳定性好等许多有点。
FPGA在掉电后会丢失数据上电后须进行一次配置,因此FPGA在应用中需要配置电路和一定的程序。
并且FPGA作为数字逻辑器件,竞争、冒险是数字逻辑器件较为突出的问题,因此在使用时必须注意毛刺的产生、消除及抗干扰性。
在次系统中,采用单片机作为控制比采用FPGA实现更简便。
基于综合性价比,确定选择方案一。
2.2.2按键及其显示模块
方案一:
采用传统的独立式按键;用传统的LED段选位选的方式进行波形的切换及显示。
这种方式占用系统资源较多,并且效率低,程系编写大量而复杂。
方案二:
为了提高单片机的资源利用率和运行的效率,按键显示部分我们直接使用zlg7289扩展键盘,键盘与单片机连接。
zlg7289芯片与单片机之间通信方便,而且由zlg7289对键盘进行自动扫描,可以去抖动,充分的提高了单片机的工作效率。
在次系统中,我们直接采用zlg7289扩展键盘实现更简便,确定选择方案二。
2.2.3波形产生模块
方案一:
使用锁相环通过分频运算实现频率的步进,这种方案频率稳定度高,但程控比较困难,而且步进范围过大,鉴于锁相环技术比较复杂,没有采用这种方案。
方案二:
使用专用函数发生电路,如ICL8038或MAX038,通过D/A转换调整函数发生器控制电压实现频率的控制,这种方案可以使频率连续可调,省却了波形转换电路,但控制电压与频率的变化不是严格的线性关系,如果不加频率负反馈则频率无法稳定准确,加上频率负反馈将使电路大大复杂,稳定度也会下降,而且如果要实现比较大的带宽,就需要不断更换振荡电容,电路复杂程度进一步增加。
为避免调试困难,没有采用这种方案。
方案三:
使用单片机的定时器设置定时时间,每半个周期对I/O口取反一次,从而实现频率输出。
这种方案虽然在高频频段误差比较大,但是编程简单控制容易。
权衡以上利弊,我们选择了方案三。
2.2.4D/A转换
单片输出的是数字信号,必须通过D/A转换后才能模拟信号。
方案一:
采用D/A转换器AD7543。
AD7543是一种串行的D/A转换器,与单片机之间的连线少,布线方便,而且又是12位的D/A转换器,精度高。
但串行数据传输速度慢,当频率较高时,必须减少每周期输出的点数,这将会导致阶梯现象更加明显,因此,此方案不宜使用。
方案二:
采用DAC0832。
这是8位的并行D/A转换器,转换速度快。
方案三:
采用2片DAC0832。
由其中一芯片的输出电压作为另一芯片的参考电压,这样就可以方便的控制最大输出电压。
若采用方案二,在输出电压较低的情况下,比如为1V时,输出的最大电压只有参考电压的1/5,这将会使精度降低,而方案三刚好可以解决这个问题,因此,本系统选择了方案三。
DAC0832芯片介绍
DAC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于它体积小,兼容性,性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎,其目前已经有很高的普及率。
学习并使用DAC0832可是使我们了解A/D转换器的原理,有助于我们单片机技术水平的提高。
DAC0832具有以下特点:
·8位分辨率;
·双通道A/D转换;
·输入输出电平与TTL/CMOS相兼容;
·5V电源供电时输入电压在0~5V之间;
·工作频率为250KHZ,转换时间为32μS;
·一般功耗仅为15mW;
·8P、14P—DIP(双列直插)、PICC多种封装;
·商用级芯片温宽为0°Cto+70°C,工业级芯片温宽为−40°Cto+85°C;
芯片接口说明:
·CS_片选使能,低电平芯片使能。
·CH0模拟输入通道0,或作为IN+/-使用。
·CH1模拟输入通道1,或作为IN+/-使用。
·GND芯片参考0电位(地)。
·DI数据信号输入,选择通道控制。
·DO数据信号输出,转换数据输出。
·CLK芯片时钟输入。
·Vcc/REF电源输入及参考电压输入(复用)。
DAC0832为8位分辨率A/D转换芯片,其最高分辨可达256级,可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS,据有双数据输出可作为数据校验,以减少数据误差,转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入,使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
通过DI数据输入端,可以轻易的实现通道功能的选择。
单片机对DAC0832的控制原理:
正常情况下DAC0832与单片机的接口应为4条数据线,分别是CS、CLK、DO、DI。
但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的,所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。
当DAC0832未工作时其CS输入端应为高电平,此时芯片禁用,CLK和DO/DI的电平可任意。
当要进行A/D转换时,须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。
此时芯片开始转换工作,同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲,DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。
在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平,表示启始信号。
在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能
当此2位数据为“1”、“0”时,只对CH0进行单通道转换。
当2位数据为“1”、“1”时,只对CH1进行单通道转换。
当2位数据为“0”、“0”时,将CH0作为正输入端IN+,CH1作为负输入端IN-进行输入。
当2位数据为“0”、“1”时,将CH0作为负输入端IN-,CH1作为正输入端IN+进行输入。
到第3个脉冲下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用,此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。
从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7,随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。
直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0,一个字节的数据输出完成。
也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据,即从第11个字节的下沉输出DATA0。
随后输出8位数据,到第19个脉冲时数据输出完成,也标志着一次A/D转换结束。
最后将CS置高电平禁用芯片,直接将转换后数据进行处理就可以了。
作为单通道模拟信号输入时DAC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。
如果作为由IN+与IN-输入的输入时,可是将电压值设定在某一个较大范围之内,从而提高转换的宽度。
但值得注意的是,在进行IN+与IN-的输入时,如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。
2.3系统总体框图
本系统是以单片机AT89C52和8位D/A转换芯片DAC0832以及zlg7289键盘及显示共同实现正弦波,方波,三角波,锯齿波这四种常见波形的产生及显示相互切换的功能。
系统原理框图如图2-1。
图2-1信号发生器系统框图
3.系统硬件设计
3.1基本原理
系统框图如图3-1所示
图3-1信号发生器系统框图
3.2单片机介绍
1)AT89S52的引脚图如图3-2所示
图3-2AT89S52引脚图
2)管脚说明
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:
供电电压。
GND:
接地。
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
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