毕业设计超低频波形发生器的设计.docx
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毕业设计超低频波形发生器的设计
摘要
在科学研究、工程教育及生产实践中,常常需要用到低频信号发生器。
本文主要介绍一种以单片机为核心的超低频任意函信号发生器。
该信号发生器由存储模块、按键模块、LED显示模块、D/A转换模块组成,它采用数字波形合成技术,通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自定义波形,如正弦波、三角波、方波和锯齿波及其他任意波形。
文中详细介绍了硬件电路设计的原理和软件编程的上设计思想以及实验调试过程。
实验结果表明,该信号发生器输出的波形的频率和幅值在一定范围内可任意改变,与传统信号发生器只有固定的几种输出波形相比,具有输出波形的任意化和低频精度高的特点。
它还具有的特点是价格低、性能高,在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等。
关键词:
单片机AT89C51;DAC0832;低频信号;发生器
ABSTRACT
Inscientificresearch,engineeringeducationandpracticeofproduction,oftenneedtouselow-frequencysignalgenerator.Inthispaper,introducesaultra-lowfrequencyarbitraryfunctionsignalgeneratortoSCMasthecore.Thesignalgeneratorismadeofthememorymodules,thekeymodules,LEDdisplaymodules,D/Aconvertermodules,itusesdatewaveformsynthesistechnology,throughhardwareCircuitandsoftwareProceduresiscombined,customWaveformcanbecustomized,suchassinewave,trianglewave,squarewaveandsawtoothwaveandotherarbitrarywaveform.Inthispaper,detailintroducestheprincipleofthedesignofhardwarecircuitandthemindofthedesignofsoftwareprogrammingandtheprocessofexperimentdebug.Theresultsofexperimentshowthat,theoutputwaveform′sfrequencyandamplitudeofthesignalgeneratorcanbearbitrarilychangedinacertainrange,comparedWiththetraditionalsignalgeneratorOnlyhaveafewfixeoutputwaveform,withthecharacteristicsofoutputwaveform′sarbitraryandhighprecisionofthelow-frequency.Italsohasthecharacteristicsofalowprice,high-performance,goodStabilityinlow-frequencyrange,easytooperate,smallsize,lessconsumpteofpowerEtc..
Keywords:
AT89C51microcontroller;DAC0832;Lowfrequencysignal;Generator
前言
信号发生器是使用很广的仪器,在科学研究、工程教育及生产实践中,常常需要用到低频信号发生器。
如工业过程控制、教学实验、机械振动、生物医学等领域。
对它的要求也随着技术的发展越来越高,以往的信号源只可输出单一正弦或几种如三角、正弦、脉冲、方波等波形,且一台仪器的输出频率范围也较窄,一般只是在超低或低频范围,特别是在超低频范围,波形的精度和稳定度等重要指标都不高,目前,长期使用的信号发生器绝大部分都是由模拟电路构成的,这类仪器作为信号源,频率达百兆赫兹,在高频范围内其频率稳定性与可调性好。
而用于低频信号输出时,其需要RC值很大,参数准确度难以保证,而且体积大,损耗也大。
目前,有人研究制造了由数字电路构成的低频信号发生器,其低频性能好,但是体积较大,价格较贵。
这里介绍一种以单片机为核心,设计了一个超低频任意函数信号发生器。
单片机控制超低频任意信号波形发生器与现有采用微处理器和数模转换器组成的数字式低频信号发生器相比,由于采用直接数字波形合成技术,频率准确度和稳定度较高。
与现有采用计数器、只读存储器、D/A转换器和滤波器等组成的信号发生器相比,由于采用单片机控制和随机存储器RAM,通过一定算法除可产生方波、三角波、锯齿波、正弦波外还可方便地产生其他周期任意信号波形,解决了输出波形种类单一的问题,具有广泛的应用前景。
本课题设计中,函数发生器采用ATM89C51单片机作为控制核心,外围采用模拟/数字转换电路、数据存储器,按键和LED显示灯电路等。
通过按键控制可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等低频任意波形,同时用LED显示灯指示对应的波形的频率。
本系统设计简单、性能优良,具有一定的实用性。
硬件电路简单,软件功能完善,控制系统可靠,性价比较高等特点,具有一定的使用和参考价值。
另一方面,它具有价格低、性能高和在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等特点。
此电路清晰,出现故障容易查找错误,操作简单、方便。
具体的设计内容讲在本论文中详细论述。
绪论
课题背景
波形发生器亦称函数发生器,作为实验用信号源,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、正弦、方波、三角等波形。
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,损耗显著更是其致命的弱点。
一旦工作需求功能有增加,则电路复杂程度会大大增加。
单片机控制超低频任意信号波形发生器,由于采用单片机控制和随机存储器RAM,通过一定算法除可产生方波、三角波、锯齿波、正弦波外还可方便地产生其他周期任意信号波形,解决了输出波形种类单一的问题,具有广泛的应用前景。
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AT89C51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:
①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;②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。
系统整体目标
此课题的具体要求如下所述。
1.以单片机为控制核心,采用直接数字波形合成技术产生方波、三角波、、正弦波和其他任意模拟周期信号波形。
2.将波形数据存储在数据存储器中。
3.通过单片机控制,将波形数据读出,送入D/A转换电路和放大处理后得到所需的任意模拟周期信号波形。
4.输出信号的频率范围在0.01Hz~100Hz之间,幅度为+5V,波形失真度小于1%。
5.以单片机为核心器件,形成相应的硬件电路。
自行编制单片机控制程序,并进行硬件调试、软件调试,最后进行软硬件联调,达到性能要求。
1.方案论证
1.1方案论述
从学科所涉及的不同范围以及器件的不同选择来构思,可以实现的方案有很多,现提出二个可行的方案并分别论述其工作原理及可行性。
方案一:
方案一方框图如图1.1.1所示。
采用AT89C51芯片,数模芯片采用DAC0832芯片,构成基本的波形发生电路,设置多个按键用来控制波形输出以及调整信号频率的大小。
此电路设计输出波形稳定,精度高。
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图1.1.1方案一原理框图
方案二:
方案2方框图如下图1.1.2所示。
本方案的是基本原理在PC机上按下鼠标左键创建一个周期的波形,再将各点值传送给单片机系统,产生实际的模拟信号。
模拟信号通过D/A转换器的转换,得到所需要的波形信号。
图1.1.2方案二原理框图
1.2方案比较
单片机控制超低频任意信号波形发生器(方案一)与现有采用微处理器和数模转换器组成的数字式低频信号发生器(方案二)相比,由于采用直接数字波形合成技术,频率准确度和稳定度较高。
但是方案2中微处理器对信号的显示和处理非常方便,只是需要同时编辑单片机语言和微处理器所需要的高级语言,工作量大而且较为复杂。
因此我还是选择了方案一,微处理器的优点具有广泛的应用前景。
1.3结论
通过上述方案的比较最终确定选择方案一。
2.超低频波形发生器硬件设计
2.1主控电路及主控芯片的选择
单片机即单片微型计算机(SingleCHipMicrocomputer)是把组成微型计算机的各种功能部件,包括中央处理单元(CPU)、随机存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、定时器/计数器及输入输出接口等部件都集成在一块芯片上。
是一种集成度高、性价比优越、质量小、体积小的微型计算机。
单片机按其使用目的可以分为通用和专用两种类型。
通用单片机是一种基本芯片,内部功能及资源丰富,性能全面,适应性强,可覆盖多种用途。
用户可以根据需要设计成各种不同的单片机控制系统,即有一个再设计的过程。
专用型单片机在设计时已对系统结构进行了简化,对软、硬件进行了优化,可靠性高,成本低,但是这类单片机功能单一,通常是针对某一特定的产品。
本设计应采用通用型单片机。
随着半导体集成工艺的不断发展,单片机也正朝着CMOS化、低功耗、体积小、大容量、高性能低价格和外围电路内装化等几个方向发展。
在单片机家族中,Intel公司推出的MCS-51系列中的80C51是其中的佼佼者。
MCS-51系列单片机是8位单片机中应用范围最广的一类单片机。
近几年来,许多单片机开发厂商也推出了许多基于80C51单片机内核的扩展型单片机,产品在保持与51单片机兼容的基础上改善了很多特性,性能各异。
常用的单片机有很多种:
Intel8051和8751系列、Motorola的MC6801系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W7和W78系列、荷兰PHilips的51LPC和LPC900系列、ZILOG的Z8系列等。
本设计中最终选用了ATMEL公司的AT89C51单片机。
AT89C51单片机是美国ATMEL公司推出的低功耗/低电压、高性能的8位单片机,片内含4KBFlasH程序存储器,它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术,该存储器的全称为闪速可编程可擦除只读存储器(FPEROM,FlasHProgrammableandErasableReadOnlyMemory),其输出引脚和指令系统与标准MCS-51系统兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
引脚图如图2.1所示。
图2.1AT89C51引脚图
管脚说明如下描述:
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/地址的第八位。
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AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
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。
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。
AT89C51的主要性能特性:
(1)工作电压为4~5.5V,工作频率为0~22MHz;
(2)片内振荡器和时钟(CLOCK)电路;
(3)128*8位供存储数据的片内RAM;
(4)32根可编程I/O线;
(5)2个16位定时器/计数器;
(6)具有6个中断源;
(7)可编程全双工串行口;
(8)具有多种封装方式;
(9)程序存储器可扩展至64KB(ROM),数据存储器可扩展至64KB(RAM)。
AT89C51单片机功能强大、编程灵活、可靠性与性价比高,易于采购,便于使用与实验,可以达到设计要求,并且为系统再拓展留有空间,适用于许多较为复杂的控制应用场合。
2.1.1时钟电路设计
时钟电路是单片机系统的心脏,它控制着单片机的工作节奏。
单片机虽然内部有振荡电路,但要形成时钟,必须外部附加电路。
时钟电路是单片机工作的时间基准,决定单片机工作的速度。
MCS-51系列的时钟有两种产生方式:
内部时钟方式,利用芯片内部的振荡电路和外部方式。
本设计中选用内部时钟方式。
电路如图3.2所示,MCS-51系列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为反相器的输入端,引脚XTAL2为输出端。
放大器与作为反馈元件的片外石英晶体振荡器一起构成了一个自激振荡器。
本设计使用的石英晶体振荡器的频率为11.0592MHz,电容的主要作用是帮助振荡器起振和稳定电路,其值的大小对振荡频率有少许影响,本设计中选择C1和C2电容值为30pf。
图2.1.1AT89C51内部时钟方式电路
2.1.2复位电路设计
单片机的复位是使CPU和系统的其他功能部件处在一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
复位后,PC=0000H,单片机从0000H地址单元开始执行程序。
复位的条件:
必须在RST/VPD引脚上给出持续两个机器周期(24个振荡周期)的高电平可以完成复位。
复位电路产生复位信号,使单片机从固定的起始状态开始工作,完成单片机的“启机”过程。
复位电路由单片机的复位引脚RST接入,只要RST端保持至少2个机器周期的高电平方可实现。
只要RST保持高电平,单片机就会循环复位,直至RST端变低,单片机完成复位。
本设计所采用的AT89C51单片机的晶体振荡器的频率约为
=12MHz,则机器周期
=1us,因此需要2us以上的高电平才能完成复位。
常用的复位电路由两种:
上电复位和按键电平复位电路。
本设计采用前者。
上电复位电路:
电路图如图2.1.2所示,在通电瞬间,由于电容通过电阻充电,故在RST端的电位与Vcc相同。
随着充电电流的减少,RST端的电位逐渐下降,只要保证RST端的电压为高电平的时间大于两个机器周期,便能正常复位。
图2.1.2上电复位电路
2.1.3利用AT89C51计数
AT89C51单片机共有两个16位的定时器/计数器,本频率计就是利用它的定时器与计数器同时工作,外部输入的脉冲在下降沿跳变时有效,进行计数器加1,定时器定时一秒内计数器所计的数就是外部输入信号的频率。
图2.1.3频率范围选择
2.2D/A转换电路的设计
2.2.1D/A芯片选择
经数字系统处理后的数字量,有时又要求再转换成模拟量以便实际使用,这种转换称为“数模转换”。
完成数模转换的电路称为数模转换器,简称DAC(DigitaltoAnalogConverter)。
在本系统中,需要把数字量进行测量与转换成模拟量,输出模拟波形。
数模
转换器就是可以实现这种转换过程的一种元器件。
数模转换器将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量,然后将代表各位的模拟量相加,所得的总模拟量就与数字量成正比,这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
其中
为二进制数按位权展开转换成的十进制数值。
DAC主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源(或恒流源)组成。
用存于数字寄存器的数字量的各位数码,分别控制对应位的模拟电子开关,使数码为1的位在位权网络上产生与其位权成正比的电流值,再由运算放大器对各电流值求和,并转换成电压值。
根据位权网络的不同,可以构成不同类型的DAC,如权电阻网络DAC、R–2R倒T形电阻网络DAC和单值电流型网络DAC等。
权电阻网络DAC的转换精度取决于基准电压VREF,以及模拟电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。
它的缺点是各权电阻的阻值都不相同,位数多时,其阻值相差甚远,这给保证精度带来很大困难,特别是对于集成电路的制作很不利,因此在集成的DAC中很少单独使用该电路。
R–2R倒T形电阻网络DAC由若干个相同的R、2R网络节组成,每节对应于一个输入位。
节与节之间串接成倒T形网络。
R–2R倒T形电阻网络DAC是工作速度较快、应用较多的一种。
和权电阻网络比较,由于它只有R、2R两种阻值,从而克服了权电阻阻值多,且阻值差别大的缺点。
电流型DAC则是将恒流源切换到电阻网络中,恒流源内阻极大,相当于开路,所以连同电子开关在内,对它的转换精度影响都比较小,又因电子开关大多采用非饱和型的ECL开关电路,使这种DAC可以实现高速转换,转换精度较高。
在DAC中一般用分辨率和转换误差来描述转换精度。
一般用DAC的位数来衡量分辨率的高低,也可以用DAC能分辨出来的最小输出电压1LSB与最大输出
电压FSR之比定义分辨率。
即:
转换误差是指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差。
常用这个最大偏差与FSR之比的百分数或若干个LSB表示。
实际上它是三种误差的综合指标。
转换速度一般由建立时间决定。
从输入由全0突变为全1时开始,到输出电压稳定在FSR±½LSB范围(或以FSR±x%FSR指明范围)内为止,这段时间称为建立时间,它是DAC的最大响应时间,所以用它衡量转换速度的快慢。
函数信号发生器的实现方法通常有以下几种:
(1)用分立元件组成的函数发生器:
通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试。
(2)可以由晶体管、运放IC等通用器件制作,更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。
早期的函数信号发生器IC,如L8038、BA205、XR2207/2209等,它们的功能较少,精度不高,频率上限只有300kHz,无法产生更高频率的信号,调节方式也不够灵活,频率和占空比不能独立调节,二者互相影响。
(3)利用单片集成芯片的函数发生器:
能产生多种波形,达到较高的频率,且易于调试。
鉴于此,美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生器DAC0832它克服了
(2)中芯片的缺点,可以达到更高的技术指标,是上述芯片望尘莫及的。
DAC0832频率高、精度好,因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。
在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上,DAC0832都是优选的器件。
(4)利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器:
能产生任意波形并达到很高的频率。
但成本较高。
综合分析以上四种实现方法的性价比,我们决定采用单片集成芯片DAC0832来设计函数发生器。
频率越高、产生波形种类越多的发生器性能越好,但器件成本和技术要求也大大提高,因此在满足工作要求的前提下,性价比高的发生器是我们的首选。
2.2.2DAC0832芯片
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