基于51单片机的多功能信号发生器

1河河南南理理工工大大学学《微机原理与单片机接口技术》课程设计报告多功能信号发生器设计2013年1月10日摘要本次设计是一个多功能信号发生器，可以产生、方波、锯齿波和三角波。函数信号发生器的设计方法有多种，利用单片机设计的函数信号发生器具有编程灵活，功能更以扩充等实际的优点。设计原理图如下图所示，其中单片机通过软件对键盘输入的频率数值进行处理，处理结果送与D/A转换部分实现数/模转换，输出的电流再经过电流/电压转换环节，进而形成模拟电压波形，最后经过过载2保护电路输出。同时在数码管内显示该频率数值。波形的切换可以通过按键直接实现。在编程语言上，我们选择自身比较熟悉的C语言，这样在后期波形的调试及与硬件衔接方面更容易发挥出自身优势。根据设计的要求，对各种波形的频率和幅度进行程序的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序运行中，当接收到来自外界的命令，需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序，经电路的数/模转换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端口输出。经过设计及后期长时间的调试，设计的所有功能均已实现：（1）具有产生方波、锯齿波、三角波三种周期性波形的功能。（2）输出波形的频率范围为100Hz～1kHz；频率步进间隔≤100Hz。（3）输出波形幅度范围0～5V，可按步进0.1V（峰-峰值）调整。（4）具有显示输出波形的类型、周期和幅度的功能。关键词：单片机，函数发生器，共阴极数码管目录第一章绪论......................................................................................31.1选题背景及其意义............................................................................................................31.2单片机概述.........................................................................................................................31.3信号发生器的分类.............................................................................................................41.4研究内容............................................................................................................................43第二章方案的设计与选择..............................................................42.1方案的比较........................................................................................................................42.2设计原理............................................................................................................................42.3设计思想............................................................................................................................52.4设计功能............................................................................................................................5第三章硬件设计..............................................................................53.1硬件原理框图....................................................................................................................63.2主控电路............................................................................................................................63.3数/模转换电路...................................................................................................................73.4按键接口电路....................................................................................................................73.5时钟电路............................................................................................................................7第四章ADC0832内部结构及配置....................................................74.1D/A转换器DAC0832...........................................................................................................8第五章实验结果..............................................................................95.1实验输出波形.....................................................................................................................9第六章设计总结................................................................................9参考文献..........................................................................................10附录..................................................................................................101元件清单..............................................................................................................................102源程序..................................................................................................................................11第一章绪论1.1选题背景及其意义信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如方波、锯齿波、三角波、正弦波的电路被称为函数信号发生器。在通信、广播、电视系统，在工业、农业、生物医学领域内，函数信号发生器在实验室和设备检测中具有十分广泛的用途。1.2单片机概述随着大规模集成电路技术的发展，中央处理器(CPU)、随机存取存储(RAM)、4只读存储器(ROM)、(I/O)接口、定时器/计数器和串行通信接口，以及其他一些计算机外围电路等均可集成在一块芯片上构成单片微型计算机，简称为单片机。单片机具有体积小、成本低，性能稳定、使用寿命长等特点。1.3信号发生器的分类信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为：正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器，函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。1.4研究内容本文是做基于单片机的信号发生器的设计，将采用编程的方法来实现三角波、锯齿波、矩形波、正弦波的发生。根据设计的要求，对各种波形的频率和幅度进行程序的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序运行中，当接收到来自外界的命令，需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序，经电路的数/模转换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端口输出。第二章方案的设计与选择2.1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。2.2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。89C51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5接口等，只要将89C51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。89C51是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和