基于单片机的函数信号发生器

苏州经贸职业技术学院1基于单片机的函数信号发生器毕业设计院系：机电系班级：09应电32学号：0901083249姓名：庄鹏指导老师：吴翠娟苏州经贸职业技术学院2摘要本设计系统利用单片机AT89C52采用程序设计方法产生锯齿波、正弦波、矩形波、锯齿波四种波形，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，最高能产生1Hz—3kHz的波形。通过键盘来控制四种波形的类型选择、频率变化，并通过液晶屏1602显示其各自的类型以及数值，系统大致包括信号发生部分、数/模转换部分、液晶显示以及软件设计部分四部分，其中对于函数信号发生器的信号发生部分、数/模转换部分及液晶显示部分做了详细的介绍。本设计叙述了采用DAC0832来实现频率可调的各种波形的模拟仿真，通过D/A转换器DAC0832将数字信号转换成模拟信号，再通过示波器表示出来。第一章初步介绍了系统的总体设计和单片机AT89C52的最小系统；第二章对于第一章的系统介绍的各个模块做详细的介绍；第三章是系统编程软件介绍，对1602初始化、各种波形的产生和实现做了详细的描述；第四章是各种波形的仿真图。本设计通过DAC0832产生波形，通过1602显示频率的数值,通过示波器的模拟仿真来实现函数信号发生器。苏州经贸职业技术学院3目录前言.....................................................5第一章系统设计..........................................61.1设计要求..........................................61.2方案设计与论证.....................................61.2.1信号发生电路方案论证.........................61.2.2单片机的选择论证.............................61.2.3显示方案论证................................61.3总体系统设计......................................6第二章硬件实现及单元电路设计............................72.1单片机最小系统的设计...............................72.2波形产生模块设计..................................82.2.1波形产生......................................82.2.2DAC0832芯片介绍..............................92.2.3LM324芯片介绍...............................112.3显示设计模块.....................................12第三章软件设计.........................................163.1软件设计的流程图.................................163.21602写入和1602数据..............................183.31602初始化......................................183.4波形频率的写入和显示.............................19苏州经贸职业技术学院43.5各种波形的产生...................................213.5.1正弦波的产生.................................213.5.2方波的产生..................................223.5.3三角波的产生.................................233.5.4锯齿波的产生................................24第四章函数信号发生器的仿真结果.........................254.1仿真结果.........................................254.2四种波的仿真波形.................................25结论....................................................30参考文献................................................31附录一系统设计图.....................................32附录二源程序..........................................33苏州经贸职业技术学院5前言本课题设计主要研究开发一个基于51单片机的实验用简易函数信号发生器，单片机构成的仪器具有高可靠性，高性价比，在智能仪表系统中得到广泛应用，不但成本较低而且精度较高，最重要的是开发简单易于调试，函数信号发生器设计具有一定的社会价值和经济价值，本设计主要研究开发基于51单片机的函数信号发生器，即设计一个可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波频率可调的建议设备，在智能仪表中得到广泛应用，因此，基于单片机的函数信号发生器普及是一种趋势。基于单片机的函数信号发生器设计，本课题是充分运用大学期间对所学专业知识，结合现在实用的信号发生器的基本功能，完成一个系统设计的全过程，通过单片机和数模转换芯片以及放大器产生多种波形的函数信号发生器在控制领域有着相当广泛的应用。应用单片机控制的函数信号发生器的设计，整个系统控制简单，能够全方位的掌握在校期间所学大部分知识，对单片机的学习时必不可少的，数模模拟电子转换也是一个非常重要的只是，对于数字电子和模拟电子的掌握有非常大的，运算放大器的使用更加增强了对模拟电路的理解，整个系统体积小、成本低廉、功能齐全，通过按键实现波形的切换和频率的调节，从而对所学知识做了全面的深入的学习和掌握。苏州经贸职业技术学院6第一章系统设计本设计通过AT89C52单片机采用程序设计方法产生锯齿波、正弦波、矩形波、锯齿波四种波形，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，通过按键来控制四种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示其各自的类型以及数值。1.1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平率1.2方案设计与论证1.2.1信号发生电路方案论证方案一：通过单片机控制D/A，输出三种波形。此方案输出的波形不够稳定，抗干扰能力弱，不易调节。但此方案电路简单、成本低。方案二：使用传统的锁相频率合成方法。通过芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。此方案，电路复杂，干扰因素多，不易实现。方案三：利用MAX038芯片组成的电路输出波形。MAX038是精密高频波形产生电路，能够产生准确的三角波、方波和正弦波三种周期性波形。但此方案成本高，程序复杂度高。以上三种方案综合考虑，选择方案一。1.2.2单片机的选择论证方案一：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。方案二：C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8052的数字外设部件，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，而且执行速度快。但其价格较贵以上两种方案综合考虑，选择方案一1.2.3显示方案论证方案一：采用LED数码管。LED数码管由8个发光二极管组成，每只数码管轮流显示各自的字符。由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间隔小于1/16s时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。使用数码管显示编程较易，但要显示内容多，而且数码管不能显示字母。方案二：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。以上两种方案综合考虑，选择方案二。1.3总体系统设计苏州经贸职业技术学院7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。将设计任务分解为波形产生、频率和波形显示电路等模块。图1系统的总体框图第二章硬件实现及单元电路设计2.1单片机最小系统的设计AT89C52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AT80C52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（2）AT89C52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。苏州经贸职业技术学院8图1单片机最小系统2.2波形产生模块设计2.2.1波形产生由单片机采用编程方法产生四种波形、通过D/A转换模块DAC0832,经过滤波放大之后输出。其电路图如图3所示：图2波形产生电路图如图3所示，单片机的P0口连接DAC0832的八位数据输入端，DAC0832的输出端接放大器，经过放大后输出所要的波形。DAC0832的为八位数据并行输入的，其结构图如下：苏州经贸职业技术学院9图4DAC0832的内部结构2.2.2DAC0832芯片介绍1)DAC0832的结构DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号。因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。LE为高电平和为低电平时：为高电平，输入寄存器的输出跟随输入而变化；此后，当由低变高时，为低电平，资料被锁存到输入寄存器中，这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化。对第二级锁存器来说，和同时为低电平时，为高电平，DAC0832寄存器的输出跟随其输入而变化；此后，当由低变高时，变为低电平，将输入寄存器的资料锁存到DAC寄存器中。2)DAC0832的引脚功能和特性苏州经贸职业技术学院10图5DAC0832引脚图a)编辑本段DAC0832的主要特性参数如下：分辨率为8位；电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗，20mW。DAC0832是20引脚的双列直插式芯片。各引脚的特性如下：CS——片选信号，和允许锁存信号ILE组合来决定是否起作用，低有效ILE——允许锁存信号，高有效。WR1——写信号1，作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到输入寄存器（此时，必须和、ILE同时有效），低有效。WR2——写信号2，将锁存在输入寄存器中的资料送到DAC寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号必须有效）低有效。XFER——传输控制信号，低有效。DI7~DI0——8位数据输入端。IOUT1——模拟电流输出端1。当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。IOUT2——模拟电流输出端2。IOUT1+IOUT2=常数。RFB——反馈电阻引出端。DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，