数字信号发生器毕业设计

1数字信号处理结业论文姓名：杨世彪学号：0312405332基于AT89S51单片机的数字信号发生器【摘要】智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。本系统是基于AT89S51单片机设计的数字式波形发生器。采用AT89S51作为系统的控制核心，外围电路采用数字/模拟转换电路（DAC0832），运放电路（MC1458），按键，ISP接口等。通过按键控制切换产生正弦波，锯齿波，三角波，方波，各类型信号的频率统一为100HZ，而幅值在-5V~+5V范围内可调。本设计电路原理简单，性能较好，具有一定的实用性和参考价值。【关键词】单片机,波形发生器，D/A电路DIGITALSIGNALGENERATORDESIGNBASEDONAT89S51【ABSTRACT】Theemergenceofintelligentmachines,whichgreatlyexpandedthescopeofapplicationoftraditionalinstruments.Intelligentinstrument,withitssmallsize,powerful,low-poweradvantagesofhomeappliancesquickly,researchinstitutesandindustrialenterpriseshasbeenwidelyused.Thesystemisadigitalwaveformgeneratorbasedonsinglechipcomputer.3AT89S51isusedasacontrolcore.Thesystemiscomposedbydigital/analogconversion(DAC0832),implycircuit(MC1458),buttonISPinferfaceandLEDlights.Itcangeneratesquaretriangleandsinewave,withLEDdisplay.Thefrequencyofvarioustypesofsignalunityof100HZ,buttheamplitudeinthe-5V~+5Vrangeadjustable.Thecircuitdesignissimple,betterperformance,hassomepracticalandreferencevalue.【KEYWORDS】thesinglechipcomputer,thesignalgenerator,D/Aconversion目录绪论…………………………………………………………………………………91.波形发生器现状………………………………………………………92.单片机在波形发生器中的运用………………………………………9第一章系统设计………………………………………………………………101.系统要求………………………………………………………………112.系统方案选择与论证…………………………………………………113.系统设计原理与思路…………………………………………………11第二章硬件电路的设计………………………………………………………121.AT89S51的介绍………………………………………………………122.资源分配………………………………………………………………153.最小单片机系统的设计………………………………………………154.各模块电路的设计……………………………………………………1745.ISP接口………………………………………………………………23第三章软件设计…………………………………………………………241.主程序的设计…………………………………………………………252.锯齿波程序的设计……………………………………………………253.三角波程序的设计……………………………………………………264.正弦波程序的设计……………………………………………………275.方波程序的设计………………………………………………………28第四章测试仿真…………………………………………………………291.软件仿真……………………………………………………………292.仿真结论分析……………………………………………………………303.硬件测试结论分析………………………………………………………315绪论1.波形发生器现状波形发生器作为一种常用的应用电子仪器设备，传统的波形发生器可以完全用硬件电路搭建，如应用555振荡电路可以产生正弦波，三角波，方波等波形，传统的波形发生器多采用这种方式设计，这种方式不应用单片机，但是这种方式存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点，在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟震动等领域往往需要低频信号源，而由硬件搭建的波形发生器效果往往达不到好的效果，而且低频信号源所需要的RC很大，大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度也难以保证，而且体积大，漏电，体积大是该类波形发生器的显著缺点。2.单片机在波形发生器中的应用随着电子技术的飞快发展，单片机的应用不断的深入，基于单片机的智能仪器的设计技术不断成熟。单片机构成的仪器具有高可靠性，高性价比，单片机技术在智能仪表和自动化等诸多领域有了极为广泛的应用，并应用到各种家庭电器，单片机技术的广泛应用推动了社会的进步。一块单片机芯片就是一台计算机，单片机的这种特殊的结构形式，使得其在某些应用领域，它承担了大中型计算机和通用微机无法完成的一些工作。单片机有很多优点和特点，归纳有以下几个方面：（1）具有优异的性价比单片机尽可能的把应用所需要的存储器，各种功能的I/O接口集成在一块芯片内，因而其性能优越，而价格性对低廉（2）集成度搞，体积小，可靠性高单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因而集成度高，为大规模集成电路或超大规模集成电路，又内部采用总线结构，因而大大减少了芯片内部之6间的连线，这大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力，同时，体积小，对于强磁场环境易于采用屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。（3）低电压和低功耗单片机大量用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗尤为重要。目前，许多单片机已可在2.2V电压下运行,有的已能在1.2V或0.9V下工作，功耗降至μA级,一粒钮扣电池就可长期使用。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AT89S51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。（4）控制功能强单片机体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作指令以及位操作指令。其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。结论：利用单片机采用程序设计方法来产生波形，线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强等优点，而且还能对波形进行细微的调整，改良波形，易于通过程序控制，只要对电路稍加修改，调整程序，就能实现功能的升级。一．系统设计71.系统设计要求（1）采用AT89S51及DAC0832设计信号发生器（2）输出信号为正弦波或三角波或阶梯波（3）输出信号频率为100Hz，幅度-5V—+5V可调（4）必须具有信号输出及外接电源、公共地线接口，程序在线下载接口2.总体方案选择与论证方案一：采用模拟分立元件或单片压控函数发生器（8038）可产生三角波，正弦波等。通过调整外部元件的参数实现频率，幅值，占空比的调整，但是由于元件太过分散，即使使用单片压控函数发生器，参数与外部条件有关。因而产生的波形稳定性差，精度低，抗干扰能力差，价格高，且灵活性差方案二：采用单片机（AT89S51）和数模转换芯片（DAC0832）实现波形的产生，波形的产生由程序控制，向D/A的输入端按一定的规律发送数据，经过D/A和MC1458产生100HZ频率波形，通过查询键盘或中断控制不同波形的产生。此方案通过编程简化了外部电路，原理简单，容易实现。方案选择：经比较，方案二明显更容易实现课程设计题目的要求。通过编程实现不同波型的产生，并且可以通过按键实现波形的切换。该方案线路简单，结构紧凑，系统稳定，易控制，容易调试等优点，综上分析，选择方案二实现课题要求3.系统设计基本原理和思路（1）系统原理框图如图1图1波形发生器系统框图键盘AT89S51波形指示电源A/D转换基准电压电流/电压转换输出8（2）原理框图分析：该波形发生器主要由单片机（AT89S51），数模转换电路（DAC0832）,电流/电压转换电路（MC1458），按键和波形指示灯电路，ISP接口等组成。其工作原理为当按下四个按键当中的任何一个按键，就会产生相对应的波形，并且四个LED灯作为不同波形的指示。二．硬件电路的设计1．AT89S51的介绍（1）AT89S51的介绍AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4K的可编程的Flash只读程序存储器，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8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数如下：与MCS-51产品指令系统完全兼容4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器1000次擦写周期4.0-5.5V的工作电压范围全静态工作模式：0HZ-33MHZ三级程序加密锁128*8字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源全双工串行UART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模式唤醒系统看门狗（WDT）及双数据指针9掉电标示和快速编程特性灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）（2）AT89S51的引脚图图2AT89S51引脚图实物图（3）主要管脚说明P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。10P1口中P1.5,P1.6,P1.7引脚的第二功能P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVE@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR））区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：单片机直流电源输入键盘方波输出三角波输出正弦波输出显示器EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为