毕业设计(论文)-函数信号发生器设计.doc
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1、济南大学毕业设计摘 要信号发生器作为一种重要的信号源,已经被广泛的应用于科研、教学实验及各种电子测量领域中。随着科学技术的发展与进步,为了满足提高测量结果的精度这一要求,需要对信号源的设计方法做出改进,使信号源达到频率稳定、准确度高的要求,还需要实现波形选择,频率和幅值可调的功能,以满足实际需要的多样性。本课题设计了一种以单片机为主控核心,通过软件编程结合硬件电路的方式实现的函数信号发生器,该信号发生器利用AT89S52单片机通过软件编程产生数字量的信号,再通过DAC0832芯片转换成模拟信号输出。本设计可以根据所需,选择需要的波形:三角波、正弦波或者方波,通过键盘设定所需的频率、幅值,而且波
2、形、频率、幅值等参数都可以通过液晶显示器显示出来。本函数信号发生器操作方便,成本低廉,性能优良,频率稳定,准确度高,参数可调,能满足测试的基本需要。关键词:信号发生器;AT89S52单片机;DAC0832ABSTRACTSignal generator is a very important source and the application is extremely broad in research,teaching experimental and electronic measurement field. With the rapid development of science a
3、nd technology, the requirements of sources are also increasing which require sources with high frequency stability, accuracy and resolution to meet the needs of a variety of high-precision measurements. Common waveform generator only generates several signal waveforms, which is difficult to accurate
4、ly adjust various parameters and it can not meet the actual needs. Therefore, this paper utilizes the AT89S52 microcontroller, DAC0832 and other components to achieve and develop microcontroller-based signal generator system through soft and hard way. The function signal generator can accurately gen
5、erate a frequency, waveform and amplitude of the desired signal according to our requirements.The signal generator system control two DAC0832 chip by a microcontroller AT89S52 , which generate waveforms, and the other piece adjust waveform amplitude. This dual-channel operation allows waveform and a
6、mplitude have respective chip to control themself to make it more accurate. The system can select the required waveform, triangle wave, sine or square wave based on needs,through the keyboard to set the desired frequency, amplitude, and waveform, frequency, amplitude, and other parameters to be disp
7、layed by the LCD monitor. The operation is quite simple and the cost is relatively low. This system has excellent performance , precise parameters, without distortion through experimental testing ,and the waveform amplitude range is 0V to + 5V, moreover the frequency range is 1HZ to 1kHZ, which can
8、meet the basic needs of low-frequency test.Key words:Signl generator;AT89S52 SCM;DAC0832目 录摘要IABSTRACTII1.1 函数信号发生器的研究现状11.2 函数信号发生器的研究意义11.3 主要研究内容22 函数信号发生器硬件系统设计32.1 硬件系统设计方案确定32.2 控制模块42.2.1 控制方案选择42.2.2 单片机最小系统42.3 D/A转换与放大模块62.3.1 D/A转换方案选择62.3.2 DAC083262.3.3 信号的数模转换与放大72.4 显示模块设计92.4.1 显示方案选
9、择92.4.2 显示电路92.5 按键模块102.5.1 键盘方案选择102.5.2 键盘电路设计112.6 电源模块112.7 硬件系统总体电路图123 函数信号发生器软件系统设计133.1 软件系统流程图133.2 子程序流程图143.2.1 正弦波143.2.2 三角波163.2.3 方波17结论18参考文献19致谢20附录21III- -1 前言1.1 函数信号发生器的研究现状函数信号发生器作为目前最重要的测量仪器之一,已经被广泛的应用在日常生产生活和科学技术的各个领域。特别是在控制工程、自动化工程、电子通信工程和测量工程及仪表等技术领域,都有可能经常用到函数信号发生器。不同的领域不同
10、的条件下使用的波形不一样,就需要信号发生器可以产生多样的波形,如正弦波、三角波、方波等。而各种规律的波形曲线都可以用函数方程式来表示,所以改变函数信号发生器中函数的参数可以产生多种波形,以满足测试系统对函数信号发生器的多种要求。美国的安捷伦公司是一家专注于做测试测量的全球领先的公司,33250A型的任意波形函数发生器是该公司生产的一种比较先进的函数信号发生器,这种信号发生器产生的波形具有稳定性好、精确度高和失真率低的优点,输出频率范围为1Hz80MHz,输出幅度为10mVpp10Vpp;该公司生产的另一种函数信号发生器,8648D射频信号发生器是一种高频信号发生器,该信号发生器的频率范围可高达
11、9kHz4GHz。国产的函数信号发生器中,SG1060信号发生器采用了DDS数字合成技术,可以双通道同时输出各种波形,具有波形种类齐全,精确可靠,分辨率高,操作简单等优点,它的输出频率范围为1Hz60MHz,输出幅度为1mVpp10Vpp;国产的 S1000型信号发生器是一种数字合成扫频信号发生器,它具有单一设备支持双路同时输出,降低测试成本,数字处理速度更快,频率范围宽,可达到9kHz3GHz。函数信号发生器将向着频率精度高、频率覆盖宽、用途多样和功能齐全的方向发展。1.2 函数信号发生器的研究意义函数信号发生器的广泛使用已经对我们的生活产生了重大影响,日常生产生活、科学技术和教学已经离不开
12、函数信号发生器。目前使用较多的是一些标准的函数信号发生器,这些标准的产品虽然性能比较高,但是价格比较贵,性价比比较低,功能齐全,但是常用的功能比较少,有许多功能通常用不到,使这些标准函数信号发生器的功能浪费。因此自行研究设计出一种具有频率精度高、频率覆盖宽、用途多样和功能齐全的等特点的函数信号发生器是非常必要的,具有广阔的市场需求,并且对满足日常生产生活、科学技术和教学等领域对信号发生器的基本要求具有深远意义。本研究课题的目的是利用大学期间在课堂上所学的专业知识结合课下对专业知识的拓展与积累,设计一种函数信号发生器,实现频率和幅值可调的功能,满足对函数信号发生器的基本要求。通过对函数信号发生器
13、的设计可以对信号产生的原理有一个正确清楚的认识,加深对信号产生的原理的理解,同时,在设计函数信号发生器的过程中,充分考察对所学专业知识和基本原理的掌握程度,和对基本技能的运用程度。通过本次设计,不但可以实现对所学的专业知识、基本原理和技能三者的整合,对以后的工作也会有很好的铺垫作用。1.3 主要研究内容 理论基础分析。了解正弦波、三角波、方波等几种常用的波形的产生方法和原理,分析掌握函数信号发生器的相关理论。硬件系统设计。主要包括以下几个模块:单片机系统;DAC芯片和放大电路;电源电路;键盘、LCD显示电路设计。 软件系统设计。主要包括:系统总体流程设计;单片机程序设计;DAC控制程序设计;键
14、盘程序设计;LCD显示程序设计。系统仿真调试。2 函数信号发生器硬件系统设计2.1 硬件系统设计方案确定函数信号发生器的设计方案有很多种,在确定方案前,选择几种常见的方案进行对比:方案一:利用ICL8038芯片。这是一种集成模拟芯片,专用于函数信号发生器的集成电路,可以同时产生多种常用的信号波。但这种电路产生的波形中会夹杂着一些高次谐波,这些谐波很难滤除,导致波形不纯净,影响测量精度。方案二:利用MAX038芯片。MAX038是Maxim公司生产的一种集成电路。是一种精密高频电路,专用于函数信号发生器设计。能够精密的产生正弦波。三角波和方波信号。但此方案的成本高,程序复杂。方案三:利用AT89
15、S52单片机。通过采用编写程序的方法,改变函数的参数,输出几种常用的波形的数字量形式,再通过DAC0832数模转换器将其转换成模拟量的波形信号,再将模拟量信号送到放大电路模块放大,最后把波形信息显示在显示器上。波形类型的选择,频率和幅值的设定等功能可以通过键盘来实现。单片机内部有定时器的功能,通过定时器对I/O口设定取反时间,就可以改变输出频率。这种方法产生的信号在高频范围误差比较大,但低频范围内稳定性好,编程简单,容易控制。使用前两种方案中专用的函数发生电路时,函数信号发生器的频率的控制是D/A转换调通过整控制电压来实现,这种方案可以得到连续可调的频率,但是,频率不能跟随控制电压的变化而成正
16、比的变化,会造成一定的频率误差。为了增加频率的稳定性和准确度,需要给频率加上负反馈电路。这样使得电路变得更加复杂,增加了电路的不稳定性,电路调试比较困难。方案三电路简单,便于调试,有相对较高的可靠性,成本相对较低。综合比较,所以选用方案三。系统总体结构框图如图2.1所示。图2.1 系统总体结构框图2.2 控制模块2.2.1 控制方案选择方案一:用AT89S52单片机作为系统的主控核心。AT89S52有8位CPU,是一片高性能的单片机。工作频率为12MHz。8k内部FLASH存储工作程序。AT89S52把CPU、寄存器、存储器、I/O接口等重要的计算机部件集中到一起,做成集成电路芯片,从而构成简
17、单的计算机。通过键盘输入,该电路可以知道需要产生什么振幅和频率的波形,也可以通过键盘输入调整波形的幅度和频率。单片机具有体积小,功耗低,易于人机对话,操作简单,使用灵活的特点,价格低廉,处理数据的功能较好、指令寻址功能较强的优点。方案二:用C8051F005单片机作为主控核心。C8051F005的微控制器内核与8051兼容,完全兼容MCS-51指令,外设标准的8052数字部件,片内有常用的模拟部件可实现数据采集等功能,而且执行速度快。方案三:用FPGA等可编程器件作为控制模块。FPGA是现场可编程门阵列,是一种半制定电路,有很强的逻辑功能。具有处理速度快。稳定性好等优点。在应用过程中,FPGA
18、掉电后。会造成数据丢失,必须进行上电后配置,操作比较麻烦。在使用过程中还要注意毛刺的干扰等问题。方案选择:在本设计中,采用FPGA作为控制核心的方案在实施过程中比选取单片机作为主控核心的方案更实复杂的多。考虑到单片机的性价比更高,所以选用单片机作为主控核心。C8051F005芯片与AT89S52芯片相比,内部结构更加复杂,控制比较困难,芯片价格也相对较贵,而AT89S52芯片结构简单。更加容易控制,性能较好,价格便宜,在日常中比较常见,故采用方案一。2.2.2 单片机最小系统AT89S52的引脚图如图2.2所示。图2.2 AT89S52引脚图 AT89S52的内部组成包括:一个8位的微处理器,
19、256字节片内数据存储器RAM,高128字节被寄存器占用,低128字节存放读/写数据,片内程序存储器8KB ROM,32 位I/O 口,两个定时/计数器,全双工串行口,五个中断源的中断控制系统,片内晶振及时钟电路。指令和引脚与工业上的80C51 产品完全兼容。管脚说明:P0P3口:四个8位并行I/O(输入/输出)接口,每个口可以用作输入,也可以用作输出。其各口功能见表2.1。表2.1 AT89S52 I/O接口功能表单片机最小系统包括晶振电路和复位电路。单片机的晶振电路:晶振电路的作用是为单片机系统提供基本的时钟信号。一般晶振通过XTAL1和XTAL2接口接入单片机。晶振电路连接方式如图2.3
20、所示。单片机的复位电路:在执行程序过程中可能会出现失步或运行紊乱,需要将电路恢复到起始状态,可以采用了上电复位和手动复位电路。RST是复位信号输入端。在复位输入端加高电平可以实现手动复位;上电复位电路只要在复位输入端向上接入一适当容量的电容至Vcc端,向下接入一个适当阻值的电阻到接地端,如图2.3所示。单片机最小系统如图2.3所示。图2.3单片机最小系统2.3 D/A转换与放大模块2.3.1 D/A转换方案选择由单片机系统产生的波形信号是数字量的信号,需要经过由数字量到模拟量的转化后才能变为模拟量,最终被使用。方案一:采用D/A转换器AD7543。AD7543与单片机之间的连接,接线少,布线简
21、单,但串行连接的缺点是数据传输速度慢,当在较高频率下工作时,每个周期只能输出其中一部分点数,输出的波形呈阶梯状,因此,不适合选用此方案。方案二:采用DAC0832。DAC0832是8位的数模转换器,与单片机的连接是并行连接,转换速度快。方案三:采用2片DAC0832。当单片机输出电压比较低的时候,方案二中,最大的输出电压也比较小。只有参考电压的1/5。降低了输出的精度。而方案三中,两片DAC0832的输出组成差模仿大系统,当输出电压较低时,仍有较大的电压输出,保证较高的输出精度。因此,选择方案三。2.3.2 DAC0832DAC0832的引脚图如图2.4所示图2.4 DAC0832引脚图 DA
22、C0832是一种双通道D/A转换芯片,分辨率为8 位。主要组成部分有输入控制电路、输入寄存器、DAC寄存器和D/A转换器。由于它体积小、接口简单、兼容性好,与微处理器完全兼容、转换控制简单、价格低廉、性价比高而被广泛的应用。D0D7:8位数字信号输入端。D7为最高位,D0为最低位。2.3.3信号的数模转换与放大(1)数模转换单片机与DAC0832的连接如图2.5所示。图2.5 单片机与DAC0832的连接单片机对DAC0832的控制原理:DAC0832 分别通过4条数据线(CS、CLK、DO、DI)与单片机连接,并且接口都是双向的,在通信时,DO端与DI端只能有一端有效,因此,在设计过程中,为
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