基于单片机的函数信号发生器.docx
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基于单片机的函数信号发生器
哈工大华德学院毕业设计(论文)评语
姓名:
崔鑫班号:
Z809211专业:
毕业设计(论文)题目:
工作起止日期:
年月日起年月日止
指导教师对毕业设计(论文)进行情况,完成质量及评分意见:
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指导教师签字:
指导教师职称:
评阅人评阅意见:
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评阅教师签字:
评阅教师职称:
答辩委员会评语:
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根据毕业设计(论文)的材料和学生的答辩情况,答辩委员会作出如下评定:
学生毕业设计(论文)答辩成绩评定为:
对毕业设计(论文)的特殊评语:
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答辩委员会主任(签字):
职称:
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答辩委员会副主任(签字):
答辩委员会委员(签字):
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年月日
哈工大华德应用技术学院毕业设计(论文)任务书
姓名:
院(系):
专业:
班号:
任务起至日期:
年月日至年月日
毕业设计(论文)题目:
基于单片机的函数信号发生器
立题的目的和意义:
技术要求与主要内容:
进度安排:
同组设计者及分工:
指导教师签字___________________
年月日
系主任意见:
系主任签字___________________
年月日
摘要
近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动传统函数信号发生器日新月益更新。
单片机能产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。
函数信号发生器是各种测试和实验过程中不可缺少的工具,在通信、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。
不论是在生产、科研还是教学上,信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具,而且,信号发生器的设计方法多,设计技术也越来越先进。
研究函数信号发生器的设计方法,克服传统方法的缺点,以更好的方法设计出比较复杂的调频、调幅功能的信号发生器。
本文介绍的是一种用AT89C52单片机构成的波形发生器,可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波等多种波形,波形的周期可用程序改变,并可根据需要选择单极性输出或双极性输出,具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点。
文章给出了源代码,通过仿真测试,其性能指标达到了设计要求。
单片机小系统负责用户的交互和系统控制,键盘用于频率的输入与波形的选择。
LCD显示当前所选信号的频率调整情况,具有界面提示功能,而末级放大电路则对生成的信号进行适当的放大,以提高信号的振幅和强度。
关键词
单片机,DAC,信号发生器,单片机,频率调节,界面提示.
目录
摘要I
目录II
第1章方案的设计与选择1
1.1方案的比较1
1.2设计原理1
1.3设计思想2
1.4设计功能3
本章小结3
第2章概述4
2.1单片机概述4
2.1.1特殊功能寄存器4
2.1.2数据存储器5
2.1.3自动重装载方式5
2.1.4波特率发生器6
2.1.5可编程时钟输出7
2.1.6时钟振荡器7
2.1.7Flash存储器的编程8
2.2信号发生器的工作原理9
2.3信号发生器的分类10
2.3.1正弦信号发生器10
2.3.2低频信号发生器10
2.3.3频率合成式信号发生器10
2.3.4函数发生器11
2.3.5脉冲信号发生器11
2.3.6噪声信号发生器12
2.4信号发生器的应用12
2.5研究内容13
本章小结13
第3章硬件设计14
3.1硬件原理框图14
3.2主控电路14
3.3数/模转换电路15
3.4按键接口电路16
3.5时钟电路16
3.6显示电路17
本章小结17
第4章软件设计18
4.1程序流程图18
4.2源程序的调试20
4.3波形产生与控制22
本章小结25
第5章总原理图及元器件清单26
5.1总电路图26
5.2元器件清单27
本章小结27
结论28
致谢30
参考文献31
第1章方案的设计与选择
1.1方案的比较
方案一:
采用单片函数发生器(如8038),8038可同时产生正弦波、方波等,而且方法简单易行,用D/A转换器的输出来改变调制电压,也可以实现数控调整频率,但产生信号的频率稳定度不高。
方案二:
采用锁相式频率合成器,利用锁相环,将压控振荡器(VCO)的输出频率锁定在所需频率上,该方案性能良好,但难以达到输出频率覆盖系数的要求,且电路复杂。
方案三:
采用单片机编程的方法来实现。
该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度,而且在硬件电路不变的情况下,通过改变程序来实现频率的变换。
此外,由于通过编程方法产生的是数字信号,所以信号的精度可以做的很高。
鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二的电路复杂,频率覆盖系数难以达标等缺点,所以决定采用方案三的设计方法。
它不仅采用软硬件结合,软件控制硬件的方法来实现,使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证,而且它使用的几种元器件都是常用的元器件,容易得到,且价格便宜,使得硬件的开销达到最省。
1.2设计原理
数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号,因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。
89C52单片机本身就是一个完整的微型计算机,具有组成微型计算机的各部分部件:
中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等,只要将89C52再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指示灯及其接口等四部分,即可构成所需的波形发生器,其信号发生器构成原理框图如图2.1所示。
89C52是整个波形发生器的核心部分,通过程序的编写和执行,产生各种各样的信号,并从键盘接收数据,进行各种功能的转换和信号幅度的调节。
当数字信号经过接口电路到达转换电路,将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。
1.3设计思想
(1)利用单片机产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形,信号的频率和幅度可变。
(2)将一个周期的信号分离成256个点(按X轴等分),每两点之间的时间间隔为
T,用单片机的定时器产生,其表示式为:
T=T/256。
如果单片机的晶振为12MHz,采用定时器方式0,则定时器的初值为:
X=213—
T/Tmec(2.1)
定时时间常数为:
TL=(8192—
T)/MOD256(2.2)
TH=(8192
T)/256(2.3)
MOD32表示除32取余数
(3)正弦波的模拟信号是D/A转换器的模拟量输出,其计算公式为:
Y=(A/2sin
t)+A/2(其中A=VREF)(2.4)
t=N
T(N=1~256)(2.5)
那么对应着存放在计算机里的这一点的数据为:
(2.6)
(4)一个周期被分离成256个点,对应的四种波形的256个数据存放在以TAB1--TAB4为起始地址的存储器中。
1.4设计功能
(1)本方案利用8155扩展8个独立式按键,6个LED显示器。
其中“S0”号键代表方波输出,“S1”号键代表正弦波输出,“S2”号键代表三角波输出,“S3”号键代表锯齿波输出。
(2)“S4”号键为10Hz的频率信号,“S5”号键为100Hz的频率信号,“S6”号键为500Hz的频率信号,“S7”号键为1KHz的频率信号,6个LED显示器输出信号的频率值,选用共阳极LED。
(3)利用两片DAC0832实现幅度可调的信号源,(其中一片用来调节幅度,另外一片用来实现信号源的输出)。
(4)频率范围:
10~1000Hz。
(5)输出波形幅度为0~5V。
本章小结
数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号,因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。
89C52单片机本身就是一个完整的微型计算机,具有组成微型计算机的各部分部件:
中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等,只要将89C52再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指示灯及其接口等四部分,即可构成所需的波形发生器。
第2章概述
2.1单片机概述
AT89C52是51系列单片机的一个型号,它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
2.1.1特殊功能寄存器
在AT89C52片内存储器中,80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器(SFE),SFR的地址空间映象。
并非所有的地址都被定义,从80H—FFH共128个字节只有一部分被定义,还有相当一部分没有定义。
对没有定义的单元读写将是无效的,读出的数值将不确定,而写入的数据也将丢失。
不应将数据“1”写入未定义的单元,由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能,在这种情况下,复位后这些单元数值总是“0”。
AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外,还增加了一个定时/计数器2。
定时/计数器2的控制和状态位位于T2CON,寄存器对(RCAO2H、RCAP2L)是定时器2在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。
2.1.2数据存储器
AT89C52有256个字节的内部RAM,80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器(SFR)地址是重叠的,也就是高128字节的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的,但物理上它们是分开的。
当一条指令访问7FH以上的内部地址单元时,指令中使用的寻址方式是不同的,也即寻址方式决定是访问高128字节RAM还是访问特殊功能寄存器。
如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。
2.1.3自动重装载方式
当定时器2工作于16位自动重装载方式时,能对其编程为向上或向下计数方式,这个功能可通过特殊功能寄存器T2CON的DCEN位(允许向下计数)来选择的。
复位时,DCEN位置“0”,定时器2默认设置为向上计数。
当DCEN置位时,定时器2既可向上计数也可向下计数,这取决于T2EX引脚的值,当DCEN=0时,定时器2自动设置为向上计数,在这种方式下,T2CON中的EXEN2控制位有两种选择,若EXEN2=0,定时器2为向上计数至0FFFFH溢出,置位TF2激活中断,同时把16位计数寄存器RCAP2H和RCAP2L重装载,RCAP2H和RCAP2L的值可由软件预置。
若EXEN2=1,定时器2的16位重装载由溢出或外部输入端T2EX从1至0的下降沿触发。
这个脉冲使EXF2置位,如果中断允许,同样产生中断。
定时器2的中断入口地址是:
002BH——0032H。
当DCEN=1时,允许定时器2向上或向下计数。
这种方式下,T2EX引脚控制计数器方向。
T2EX引脚为逻辑“1”时,定时器向上计数,当计数0FFFFH向上溢出时,置位TF2,同时把16位计数寄存器RCAP2H和RCAP2L重装载到TH2和TL2中。
T2EX引脚为逻辑“0”时,定时器2向下计数,当TH2和TL2中的数值等于RCAP2H和RCAP2L中的值时,计数溢出,置位TF2,同时将0FFFFH数值重新装入定时寄存器中。
当定时/计数器2向上溢出或向下溢出时,置位EXF2位。
2.1.4波特率发生器
当T2CON中的TCLK和RCLK置位时,定时/计数器2作为波特率发生器使用。
如果定时/计数器2作为发送器或接收器,其发送和接收的波特率可以是不同的,定时器1用于其它功能,如图7所示。
若RCLK和TCLK置位,则定时器2工作于波特率发生器方式。
波特率发生器的方式与自动重装载方式相仿,在此方式下,TH2翻转使定时器2的寄存器用RCAP2H和RCAP2L中的16位数值重新装载,该数值由软件设置。
在方式1和方式3中,波特率由定时器2的溢出速率根据下式确定:
方式1和3的波特率=定时器的溢出率/16定时器既能工作于定时方式也能工作于计数方式,在大多数的应用中,是工作在定时方式(C/T2=0)。
定时器2作为波特率发生器时,与作为定时器的操作是不同的,通常作为定时器时,在每个机器周期(1/12振荡频率)寄存器的值加1,而作为波特率发生器使用时,在每个状态时间(1/2振荡频率)寄存器的值加1。
波特率的计算公式如下:
方式1和3的波特率=振荡频率/{32*[65536-(RCP2H,RCP2L)]}
式中(RCAP2H,RCAP2L)是RCAP2H和RCAP2L中的16位无符号数。
定时器2作为波特率发生器使用的电路如图7所示。
T2CON中的RCLK或TCLK=1时,波特率工作方式才有效。
在波特率发生器工作方式中,TH2翻转不能使TF2置位,故而不产生中断。
但若EXEN2置位,且T2EX端产生由1至0的负跳变,则会使EXF2置位,此时并不能将(RCAP2H,RCAP2L)的内容重新装入TH2和TL2中。
所以,当定时器2作为波特率发生器使用时,T2EX可作为附加的外部中断源来使用。
需要注意的是,当定时器2工作于波特率器时,作为定时器运行(TR2=1)时,并不能访问TH2和TL2。
因为此时每个状态时间定时器都会加1,对其读写将得到一个不确定的数值。
然而,对RCAP2则可读而不可写,因为写入操作将是重新装载,写入操作可能令写和/或重装载出错。
在访问定时器2或RCAP2寄存器之前,应将定时器关闭(清除TR2)。
2.1.5可编程时钟输出
定时器2可通过编程从P1.0输出一个占空比为50%的时钟信号。
P1.0引脚除了是一个标准的I/O口外,还可以通过编程使其作为定时/计数器2的外部时钟输入和输出占空比50%的时钟脉冲。
当时钟振荡频率为16MHz时,输出时钟频率范围为61Hz—4MHz。
当设置定时/计数器2为时钟发生器时,C/T2(T2CON.1)=0,T2OE(T2MOD.1)=1,必须由TR2(T2CON.2)启动或停止定时器。
时钟输出频率取决于振荡频率和定时器2捕获寄存器(RCAP2H,RCAP2L)的重新装载值,公式如下:
输出时钟频率=振荡器频率/{4*[65536-(RCP2H,RCP2L)]}
在时钟输出方式下,定时器2的翻转不会产生中断,这个特性与作为波特率发生器使用时相仿。
定时器2作为波特率发生器使用时,还可作为时钟发生器使用,但需要注意的是波特率和时钟输出频率不能分开确定,这是因为它们同使用RCAP2L和RCAP2L。
UARTAT89C52的UART工作方式与AT89C51工作方式相同。
AT89C52共有6个中断向量:
两个外中断(INT0和INT1),3个定时器中断(定时器0、1、2)和串行口中断。
所有这些中断源如图9所示。
这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE的置位或清0来控制每一个中断的允许或禁止。
IE也有一个总禁止位EA,它能控制所有中断的允许或禁止。
注意表5中的IE.6为保留位,在AT89C51中IE.5也是保留位。
程序员不应将“1”写入这些位,它们是将来AT89系列产品作为扩展用的。
定时器2的中断是由T2CON中的TF2和EXF2逻辑或产生的,当转向中断服务程序时,这些标志位不能被硬件清除,事实上,服务程序需确定是TF2或EXF2产生中断,而由软件清除中断标志位。
定时器0和定时器1的标志位TF0和TF1在定时器溢出那个机器周期的S5P2状态置位,而会在下一个机周期才查询到该中断标志。
然而,定时器2的标志位TF2在定时器溢出的那个机器周期的S2P2状态置位,并在同一个机器周期内查询到该标志。
2.1.6时钟振荡器
AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该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石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器,振荡电路。
外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性,如果使用石英晶体,我们推荐电容使用30pF±10pF,而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10F。
用户也可以采用外部时钟。
这种情况下,外部时钟脉冲接到XTAL1端,即内部时钟
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