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唐山师范学院题 目 基于单片机的信号发生器的设计 院系名称: 电子信息科学与技术学 号: 111180241015 摘 要波形发生器即简易函数信号发生器,是一个能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、方波、正弦波等波形电路。函数信号发生器在电路实验和设备仪器中具有十分广泛的用途。通过对函数发生器的原理以及构成分析,可设计一个能变换出三角波、锯齿波、方波、正弦波的函数波形发生器。在工业生产和科研中利用函数信号发生器发出的信号,可以对元器件的性能及参数进行测量,还可以对电工和电子产品进行指数验证、参数调整及性能鉴定。常用的信号发生器绝大部分是由模拟电路构成的,当这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大,这样不仅参数准确度难以保证,而且体积和功耗都很大,而由数字电路构成的低频信号发生器,虽然其性能好但体积较大,价格较贵,因此,高精度,宽调幅将成为数字量信号发生器的趋势。本文介绍的是利用89C52单片机和数模转换器件DAC0832产生所需不同信号的低频信号源,其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。文中简要介绍了DAC0832数模转换器的结构原理和使用方法,89C52的基础理论,以及与设计电路有关的各种芯片。文中着重介绍了如何利用单片机控制D/A转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程。信号频率幅度也按要求可调。本设计核心任务是:以AT89C52为核心,结合D/A转换器和DAC0832等器件,用仿真软件设计硬件电路,用C语言编写驱动程序,以实现程序控制产生正弦波、三角波、方波、三种常用低频信号。可以通过键盘选择波形和输入任意频率值。关键词: AT89C52单片机 函数波形发生器 DAC0832 方波 三角波 正弦波目 次1 引言 42 系统设计 62.1方案 62.2器件选择 62.3总体系统设计 62.4硬件实现及单元电路设计 72.4.1单片机最小系统设计 72.4.2 D/A转换器 82.4.3运算放大器电路 102.4.4 LED显示器接口电路 112.4.5波形产生原理及模块设计 112.4.6显示模块设计 132.4.7键盘显示模块设计 142.5软件设计流程 14 2.5.1软件中的重点模块设计 143 输出波形种类与频率的测试 183.1测量仪器及调试说明 183.2调试过程 183.3调试结果 22结论 23致谢 25参考文献 26附录A 源程序27附录B仿真图341 引言单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。波形发生器是一种数据信号发生器,在调试硬件时,常常需要加入一些信号,以观察电路工作是否正常。用一般的信号发生器,不但笨重,而且只发一些简单的波形,不能满足需要。例如用户要调试串口通信程序时,就要在计算机上写好一段程序,再用线连接计算机和用户实验板,如果不正常,不知道是通讯线有问题还是程序有问题。用E2000/L的波形发生器功能,就可以定义串口数据。通过逻辑探勾输出,调试起来简单快捷。基于单片机的简易波形发生器是一种常用的信号源,它广泛地应用在电子技术实验、自动控制系统和其他科研领域。目前, 简易波形发生器的构成方法有很多,例如采用DDS(Direct2Digital Synthesis)型的任意波发生器、采用专用的信号发生芯片MAX038以及传统的AWG 。本设计源于2007年全国大学生电子制做大赛,通过分析比较后采用传统的方法来实现多功能波形发生器。借助高性能单片机运算速度高,系统集成度强的优势,设计的这种信号发生器,比以前的数字式信号发生器具有硬件简单,理解及实现起来较容易,该方案的设计思路较为清晰,且容易对频率和幅值进行控制等优点。低频信号发生器采用单片机波形合成发生器产生高精度,低失真的正弦波电压,可用于校验频率继电器,同步继电器等,也可作为低频变频电源使用。 以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、方波、三角波及其他任意波形。波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。介绍了波形的生成原理、硬件电路和软件部分的设计原理。介绍了单片机控制D/A转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程、DAC0832 D/A转换器的原理和使用方法、AT89C52以及与设计电路有关的各种芯片、关于产生不同低频信号的信号源的设计方案。该信号发生器具有体积小、价格低、性能稳定、功能齐全的优点。 2 系统设计2.1 方案:利用AT89C52单片机采用程序设计方法产生锯齿波、正弦波、矩形波三种波形,再通过D/A转换器DAC0832将数字信号转换成模拟信号,滤波放大,最终由示波器显示出来,通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化,最终输出显示其各自的类型以及数值。 设计要求 1) 、利用单片机采用软件设计方法产生三种波形 2)、三种波形可通过键盘选择 3)、波形频率可调 4)、需显示波形的种类及其频率2.2 器件选择 1、通过单片机控制D/A,输出三种波形。 2、AT89C52单片机是一种高性能8位单片微型计算机。它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中,从而构成较为完整的计算机、而且其价格便宜。 3、采用LCD液晶显示器1602。其功率小,效果明显,显示编程容易控制,可以显示字母。 2.3 总体系统设计该系统采用单片机作为数据处理及控制核心,由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析以及信号的处理和变换,采用按键输入,利用液晶显示电路输出数字显示的方案。将设计任务分解为按键电路、液晶显示电路等模块。图2-1为系统的总体框图 显示键盘输出主控芯片AT89C52D/A0832放大图2-1总体方框图2.4 硬件实现及单元电路设计 2.4.1 单片机最小系统的设计89C52是片内有ROM/EPROM的单片机,因此,这种芯片构成的最小系统简单可靠。用89C52单片机构成最小应用系统时,只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可,如图89C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制,最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点:(1) 有可供用户使用的大量I/O口线。(2) 内部存储器容量有限。(3) 应用系统开发具有特殊性。标准的52为8K程序空间,128字节的RAM,32条端口,5个中断,2个定时/计数器,12个时钟周期执行一条基本指令,最长的除法为48个周期。52为8K程序空间,256字节的RAM,32条端口,6个中断,3个定时/计数器。图2-2 AT89C52单片机最小系统2.4.2 D/A转换器DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。图3.5为DAC0832的引脚图。其主要参数如下:分辨率为8位,转换时间为1s,满量程误差为1LSB,参考电压(+10/span-10)V,供电电源为(+5+15)V,逻辑电平输入与TTL兼容。从图3-1中可见,在DAC0832中有两级锁存器,第一级锁存器称为输入寄存器,它的允许锁存信号为ILE,第二级锁存器称为DAC寄存器,它的锁存信号也称为通道控制信号 /XFER。图2-3 DAC0832的引脚图图2-3中,当ILE为高电平,片选信号 /CS 和写信号 /WR1为低电平时,输入寄存器控制信号为1,这种情况下,输入寄存器的输出随输入而变化。此后,当 /WR1由低电平变高时,控制信号成为低电平,此时,数据被锁存到输入寄存器中,这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。对第二级锁存来说,传送控制信号 /XFER 和写信号 /WR2同时为低电平时,二级锁存控制信号为高电平,8位的DAC寄存器的输出随输入而变化,此后,当 /WR2由低电平变高时,控制信号变为低电平,于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。图2-3中其余各引脚的功能定义如下:(1) DI7DI0 :8位的数据输入端,DI7为最高位。(2) IOUT1 :模拟电流输出端1,当DAC寄存器中数据全为1时,输出电流最大,当 DAC寄存器中数据全为0时,输出电流为0。(3) IOUT2 :模拟电流输出端2, IOUT2与IOUT1的和为一个常数,即IOUT1IOUT2常数。(4) RFB :反馈电阻引出端,DAC0832内部已经有反馈电阻,所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端,这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。(5) VREF :参考电压输入端,此端可接一个正电压,也可接一个负电压,它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度,VREF范围为(+10-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。(6) Vcc :芯片供电电压,范围为(+5 15)V。(7) AGND :模拟量地,即模拟电路接地端。(8) DGND :数字量地。2.4.3运算放大器电路本系统的放大电路如图2-4所示:图2-4图2-4中R1是耦合电阻,R2,R3都为分压式反馈电阻。R2和R1的电压比例为1:2,OUT2的电压为-5v0v,在第二级运放中要把-5v0v之间的电压转变为-5v5v,即第一级运放转换成电压量的值没增加或减少1v,第二级运放产生的电压就减少或增加2v。2.4.4 LED显示器接口电路 常用的LED显示器有LED状态显示器(俗称发光二极管)LED七段显示器(俗称数码管和LED十六段显示器,发光二极管可显示两种状态,用于系统显示;数码管用于数字显示;LED十六段显示器,用于字符显示)1数码管结构 数码管由8个发光二极管(以下简称字段)构成,通过不同组合可用来显示数字0-9.字符A-F及小数点“.”。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。2. 数码管工作原理 共阳极数码管的8个发光二级管的阳极(二极管正端)连接在一起。通常会共阳极接高电平1.一般接电源1.当某个阴极接低电平时,则该数码管导通并点亮。共阴极数码管的8个发光二极管的阴极(二极管负端)连接在一起。公共阴极接低电平(一般接地)当某个阳极接高电平,则该数码管并点亮。图2-5 数码管与单片机接口2.4.5 波形产生原理及模块设计波形产生的原理:1、 内存中首先存储波形的数字量值数组tosin;2、 52单片机读取数组中的值,送入D/A转换器;3、 D/A转换器将输入的数字值转换成模拟量输出;4、 D/A输出的模拟电流量通过运放转换成电压量输出。由单片机采用编程方法产生三种波形、通过DA转换模块DAC0832在进过滤波放大之后输出。其电路图2-6如下: 图2-6形产生电路2.4.6 显示模块的设计通过液晶1602显示输出的波形、频率,其电路图如
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