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毕业设计数字信号发生器的电路设计
1引言
信号发生器又称信号源或振荡器,它是依照用户对其波形的命令来产生信号的电子仪器,在生产实践和科技领域有着普遍的应用。
信号发生器采纳数字波形合成技术,通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自概念波形,如正弦波、方波、三角波、三角波、梯形涉及其他任意波形,波形的频率和幅度在必然范围内可任意改变。
信号源要紧给被测电路提供所需要的已知信号(各类波形),然后用其他仪表测量感爱好的参数。
信号发生器在通信、广播、电视系统,在工业、农业、生物医学领域内,在实验室和设备检测中具有十分普遍的用途。
信号发生器是一种悠长的测量仪器,早在20年代电子设备刚显现时它就产生了。
随着通信和雷达技术的进展,40年代显现了要紧用于测试各类接收机的标准信号发生器,使信号发生器从定性分析的测试仪器进展成定量分析的测量仪器。
自60年代以来信号发生器有了迅速的进展,显现了函数发生器,那个时期的信号发生器多采纳模拟电子技术,由分立元件或模拟集成电路组成,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。
到70年代处置器显现以后,利用微处置器、模数转换器和数模转换器,硬件和软件使信号发生器的功能扩大,产生比较复杂的波形。
这时期的信号发生器多以软件为主,实质是采纳微处置器对DAC的程序操纵,就能够够取得各类简单的波形。
随着现代电子、运算机和信号处置等技术的进展,极大地增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置慢慢被数字信号处置所代替,从而扩充了仪器信号的处置能力,提高了信号测量的准确度、精度和变换速度,克服了模拟信号处置的诸多缺点,数字信号发生器随之进展起来。
信号发生器作为电子领域不可缺少的测量工具,它必然将向更高性能,更高精准度,更高智能化方向进展,就象此刻在数字化信号发生器的崛起一样。
但作为一种仪器,咱们必然要考虑其所用领域,也确实是说要因地制宜,综合考虑性价比,用低本钱制作的集成芯片信号发生器短时间内还可不能被完全取代,还会比较普遍的用于理论实验和精准度要求不是太高的实验。
因此完整的函数信号发生器的设计具有超级重要的实践意义和广漠的应用前景。
2数字信号发生器的系统总述
2.1系统简介
信号发生器普遍应用于电子工程、通信工程、自动操纵、遥测操纵、测量仪器、仪表和运算机等技术领域。
本设计以AT89C52[1]单片机为核心设计了一个低频函数信号发生器。
信号发生器采纳数字波形合成技术,通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自概念波形,如正弦波、方波、三角波、三角波、梯形涉及其他任意波形,波形的频率和幅度在必然范围内可任意改变。
波形和频率的改变通过软件操纵,幅度的改变通过硬件实现。
介绍了波形的生成原理、硬件电路和软件部份的设计原理。
本系统要紧包括CPU模块、显示模块、键盘输入模块、数模转换模块、波形输出模块。
系统电路原理图见附录A,PCB图见附录B。
其中CPU模块负责操纵信号的产生、转变及频率的改变;模数转换模块采纳DAC0832实现不同波形的输出;显示模块采纳1602液晶显示,实现波型和频率显示;键盘输入模块实现信号的选择和频率的输入。
该信号发生器具有体积小、价钱低、性能稳固、功能齐全的优势。
2.2系统整体框图
本设计拟采纳单片机作为程序的主控芯片,利用D/A转换技术,实现数据的实时转换,利用键盘操纵信号类型的选择和频率的改变,最后通过1602液晶屏显示结果。
系统整体框图如下图:
图2.1系统整体框图
3硬件设计
3.1CPU模块
3.1.189C52单片机的大体组成
设计采纳89C52[2]作为系统的主控芯片,芯片结构框图如下:
外部时钟源外部事件计数
内中断
图3.189C52单片机结构框图
89C52单片机包括:
(1)一个8位的80C52微处置器[3]
(2)片内256字节数据存储器RAM/SFR,用以寄存能够读写的数据,如运算的中间结果,最终结果和欲显示的数据等
(3)片内8KB程序存储器FLASHROM,用以寄存程序、一些原始数据和表格
(4)4个8位并行I/O端口P0~P3,每一个端口既可用作输入也可用作输出
(5)3个16位的按时器/计数器,每一个按时器/计数器都可设置成计数方式,用以对外部事件进行计数,也能够设置成按时方式
(6)具有8个中断源、两个中断优先级和中断操纵系统
(7)全双工UART的串行I/O口,用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信
(8)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,最高许诺振荡频率为24MHz
(9)片内振荡器和时钟电路
(10)具有节电工作方式,即空闲方式及掉电方式[1]
3.1.2单片机的最小系统设计
单片机要能正常的工作,必要的条件是供电及晶振。
以下是单片机的晶振及复位电路:
图3.2AT89C52单片机最小系统设计图
3.2显示模块
液晶概述
液晶[4](LiquidCrystal)是一种高分子材料,因为其特殊的物理、化学、光学特性,20世纪中叶开始普遍应用在轻薄型显示器上。
液晶显示器的要紧原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管组成画面。
各类型号的液晶一般是依照显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名的。
比如1602[5]的意思是每行显示16个字符,一共能够显示两行。
依照客户的要求,厂家能够设计出任意组合的点阵液晶。
液晶体积小、功耗低、显示操作简单,但它有一个致命的弱点,其利用的温度范围很窄。
通用型液晶正常工作的温度范围为0oC~+55oC,存储温度范围为-20oC~+60oC,因此在设计产品时,务必要考虑全面,选择适合的的液晶。
本设计采纳1602液晶屏作为系统的显示芯片,一样1602字符型液晶显示器实物如图:
图3.31602实物图-正面
图3.41602实物图-反面
3.2.21602LCD管脚及其说明
图3.51602管脚图
1602字符型[6]LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线,下面是1602的管脚说明表:
表3.31602液晶管脚说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R\W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
第1脚:
VSS为地电源。
第2脚:
VDD接5V正电源。
第3脚:
VL为液晶显示器对照度调整端,接正电源时对照度最弱,接地时对照度最高,对照度太高时会产生“鬼影”,利历时能够通过一个10K的电位器调整对照度。
第4脚:
RS为寄放器选择,高电平常选择数据寄放器、低电平常选择指令寄放器。
第5脚:
R/W为读写信号线,高电平常进行读操作,低电平常进行写操作。
当RS和R/W一起为低电平常能够写入指令或显示地址,当RS为低电平R/W为高电平常能够读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平常能够写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平常,液晶模块执行命令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
第15脚:
背光源正极。
第16脚:
背光源负极。
3.2.31602LCD要紧技术参数
◆显示容量:
16×2个字符
◆~
◆工作电流:
2.0mA(5.0V)
◆
◆×4.35(W×H)mm
3.2.41602LCD的指令说明及时序[7]
1602液晶模块内部的操纵器共有11条操纵指令。
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
(说明:
1为高电平、0为低电平)
表3.41602液晶操纵命令表
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM)
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
指令1:
清显示,指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2:
光标复位,光标返回到地址00H。
指令3:
光标和显示模式设置I/D:
光标移动方向,高电平右移,低电平左移S:
屏幕上所有文字是不是左移或右移。
高电平表示有效,低电平那么无效。
指令4:
显示开关操纵。
D:
操纵整体显示的开与关,高电平表示开显示,低电平表示关显示C:
操纵光标的开与关,高电平表示有光标,低电平表示无光标B:
操纵光标是不是闪烁,高电平闪烁,低电平不闪烁。
指令5:
光标或显示移位S/C:
高电平常移动显示的文字,低电平常移动光标。
指令6:
功能设置命令DL:
高电平常为4位总线,低电平常为8位总线N:
低电平常为单行显示,高电平常双行显示F:
低电平常显示5x7的点阵字符,高电平常显示5x10的点阵字符。
指令7:
字符发生器RAM地址设置。
指令8:
DDRAM地址设置。
指令9:
读忙信号和光标地址BF:
为忙标志位,高电平表示忙,现在模块不能接收命令或数据,若是为低电平表示不忙。
指令10:
写数据。
指令11:
读数据。
3.2.51602LCD的大体操作时序[8]
◆读状态输入:
RS=L,R/
=H,E=H输出:
D0~D7=状态字。
◆读数据输入:
RS=H,R/
=H,E=H;输出:
无。
◆写指令输入:
RS=L,R/
=L,D0~D7=指令码,E=高脉冲输出:
D0~D7=数据。
◆写数据输入:
RS=H,R/
=L,D0~D7=数据,E=高脉冲输出:
无。
读写操作时序如图3.6和3.7所示:
图3.6读操作时序
图3.7写操作时序
3.2.61602LCD的接口设计
下面是1602液晶接口原理图:
3.81602液晶接口图
3.3键盘输入模块
3.3.1键盘简介
键盘是一组按键的集合,它是最经常使用的单片机输入设备。
操作人员能够通过键盘输入数据或命令,实现简单的人—机通信。
按键是一种常开型按钮开关。
平常(常态时),按键的二个触点处于断开状态,按下键时它们才闭合(短路)。
键盘分编码和非编码键盘。
键盘上闭合键的是别有专门的硬件译码器实现,并产生键编号或键值的称为编码键盘,如BCD码键盘、ASCII码键盘等;靠软件识别的称为非编码键盘。
在单片机组成的测控系统及智能化仪表中,用得最多是非编码键盘。
3.3.2键盘接口的工作原理[9]
键盘中每一个按键都是一个常开开关电路,如图5.1所示:
图3.9按键电路
咱们把按键的一端接地,另一端与单片机的某个I/O口相连,开始时先给该I/O口赋一高电平,然后让单片机不断检测该I/O口是不是变成低电平,当按键闭合时,即相当于该I/O口通过按键与地相连,变成低电平,程序一旦检测到I/O口变成低电平那么说明按键被按下,然后执行相应的指令。
图3.10按键被按下时电压的转变[10]
从图5.2能够看出,理想波形与实际波形之间是有区别的,实机波形在按下和释放的刹时都有抖动现象,抖动时刻的长短和按键的机械特性有关,一样为5~10ms。
通常咱们手动按下键然后当即释放,那个动作中稳固闭合时刻超过20ms。
因此单片机在检测键盘是不是按下时都要加上去抖操作,有专用的去抖电路,也有专用的去抖动芯片,但通常咱们用软件延时的方式就能够够很容易解决抖动问题,而没必要再添加多余的硬件电路。
软件来排除按键抖动的大体思想:
检测到有键按下,键对应的行线为低,软件延时10ms后,行线如仍为低,那么确认该行有键按下。
当键松开时,行线变高,软件延时10ms后,行线仍为高,说明按键已松开。
采取以上方法,躲开了两个抖动期的阻碍。
3.3.3键盘输入模块设计
本设计需要6个按键,每一个按键的一段别离与P2口的端口相连,按键另外一段直接与地相接。
如此当有按键被按下后,读取P2口的状态,通过度析能够判定出按下的是哪个按键。
键盘输入模块的原理图如下:
图3.11键盘输入模块的原理图
3.4数模转换模块
3.4.1DAC0832的大体组成[13]
本设计采纳DAC0832作为系统的数模转换芯片。
DAC0832是采样频率为8位的D/A转换芯片,集成电路内有两级输入寄放器,使DAC0832芯片具有双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式,以便适于各类电路的需要。
DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄放器、8位D/A转换器及转换操纵电路四部份组成。
8位输入锁存器用于寄存主机送来的数字量,使输入数字取得缓冲和锁存,并加以操纵;8位DAC寄放器用于寄存寄存待转换的数字量,并加以操纵;8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流,由与门、与非门组成的输入操纵的输入电路来操纵2个寄放器的选通或锁存状态。
当WR2和XFER同时有效时,8位DAC寄放器端为高电平“1”,现在DAC寄放器的输出端Q跟随输入端D也确实是出入寄放器Q端得电平转变,反之,当端为低电平“0”时,第一级8位输入寄放器Q端得状态那么锁存到第二级8位DAC寄放器中,以便第三极8位DAC转换器进行D/A转换。
3.4.2DAC0832引脚功能简介
图3.12DAC0832引脚图
D0~D7:
8位数据输入线,TTL电平,有效时刻应大于90ns;
ILE:
数据锁存许诺操纵信号输入线,高电平有效;
CS:
片选信号输入线(选通数据锁存器),低电平有效;
WR1:
数据锁存器写选通输入线,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效。
当CS为0,ILE为1,WR1有效时D0~D7状态被锁存到输入寄放器;
WR2:
DAC寄放器选通输入线,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效。
当XEFR为0且WR2有效时,输入寄放器的状态被传到DAC寄放器中;
XFER:
数据传输操纵信号输入线,低电平有效;
IOUT1:
电流输出端1,其值随DAC寄放器的内容线性转变;
IOUT2:
电流输出端2,其值与IOUT1值之和为一常数;
Rfb:
反馈信号输入线,改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度;
Vcc:
电源输入端,Vcc的范围为+5V~+15V;
VREF:
基准电压输入线,VREF的范围为-10V~+10V;
AGND:
模拟信号地
DGND:
数字信号地
3.4.3数模转换模块设计
图3.13数模转换模块原理图
3.5波形输出模块
3.5.1LM358简介[12]
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的,适合于电源电压范围很宽的单电源利用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
它的利用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的利用运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式、贴片式和圆形金属壳封装等。
LM358的管脚图如下:
图3.14LM358运放管脚图
3.5.2LM358性能参数[14]
◆内部频率补偿
◆直流电压增益高(约100dB)
◆单位增益频带宽(约1MHz)
◆电源电压范围宽:
单电源(3—30V);双电源(±1.5~±15V)
◆低功耗电流,适合于电池供电
◆低输入偏流
◆低输入失调电压和失调电流
◆共模输入电压范围宽,包括接地
◆差模输入电压范围宽,等于电源电压范围
◆输出电压摆幅大(0至Vcc~1.5V)
波形输出模块设计
本设计要求实现幅值0~5V可调任意可调,用示波器测量可取得,DAC0832输出转换成电压后幅值2.5左右,因此要加上一个放大环节[15],使输出幅值达到5V,然后再通过一个滑动变阻器实现0~5V电压幅值任意可调。
波形输出模块原理图如下:
图3.15波形输出模块原理图
4系统软件设计
4.1主流程图
图4.1主程序流程图
4.2正弦波程序流程图
正弦波[16]程序流程图如图4.2所示。
正弦波波形设计通过查正弦波表取得。
当进入正弦波后,依次将一个256个数的表值送给DAC0832,即可取得波形。
图4.2正弦波程序流程图
4.3方波程序流程图
图4.3方波程序流程图
4.4三角波程序流程图
三角波[17]程序流程图如图4.4所示,将0-255先送给DAC0832,然后在反过来将255-0送给DAC0832,从而可产生三角波。
图4.4三角波程序流程图
4.5锯齿波程序流程图
锯齿波[18]程序流程图如图4.5所示,将0-255反复送给DAC0832,从而可产生三角波。
图4.5三角波程序流程图
4.6仿真结果
4.6.1正弦波的仿真结果:
图4.6正弦波1602显示
图4.7正弦波波形
4.6.2方波的仿真结果:
图4.8方波1602显示
图4.9方波波形
4.6.3三角波的仿真结果:
图4.10三角波1602显示
图4.11三角波波形
4.6.4锯齿波的仿真结果:
图4.12锯齿波1602显示
图4.13锯齿波波形
5结论
基于AT89C52单片机的信号发生器设计,那个信号发生器的设计中涉及到一个典型的操纵进程。
通过单片机操纵一个模数转换器DAC0832[19]产生所需要的电流,然后利用运算放大器LM3585能够将其电流输出线性地转换成电压输出,再将电压通过运算放大器的放大,能够取得足够幅度的信号。
然后通进程序的操纵,产生一系列有规律的波形。
如此一个信号发生装置在操纵领域有相当普遍的应用范围。
最终做出来的信号发生器知足了题目中的所有要求:
1.产生四种波形。
正弦波、三角波、矩形波、锯齿波。
2.频率能够通过键盘在必然范围内进行调剂;
~5V之间任意可调。
固然仍是存在不足的地址,比如频率不能以小的步进进行增加或减小,而且当频率过小时波形会有些失真。
在那个地址得感激学校为咱们提供个如此一个实践的机遇,感激指导教师们的细心指导。
附录A源程序
#include
sbitlcden=P3^5;
sbitlcdrw=P3^6;
sbitlcdrs=P3^7;
sbitdacwr=P3^4;
sbitkey1=P2^0;
sbitkey2=P2^1;
sbitkey3=P2^2;
sbitkey4=P2^3;
sbitkey5=P2^4;
sbitkey6=P2^5;
intflag1;flag2,flag3,flag4;
intqian,bai,shi,ge,k;
unsignedchari,j;
chara[]="wave:
",b[]="fre:
",c1[]="sin",c2[]="square",c3[]="triangle",c4[]="sawtooth";
unsignedcharcodesin[256]=
{
0x80,0x82,0x85,0x88,0x8b,0x8e,0x91,0x94,0x97,0x9a,0x9d,0xa0,0xa3,0xa6,
0xa9,0xac,0xaf,0xb2,0xb6,0xb9,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5,0xc7,0xca,0xcc,0xcf,
0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,
0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5,0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,
0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,
0xfe,0xfd,0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,
0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda,0xd8,0xd6,
0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xb1,
0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99,0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,
0x83,0x80,0x80,0x7c,0x79,0x76,0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,
0x5a,0x57,0x55,0x51,0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,
0x33,0x30,0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16,
0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,
0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x01,0x02,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,
0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,
0x27,0x29,0x2b,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,
0x4c,0x4e,0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66,0x69,0x6c,0x6f,0x72,
0x76,0x79,0x7c,0x80
};
voiddelay(intz)//延时函数
{
intx,y;
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