畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1 蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 論 文 題 目 基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 院系名稱： 蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系 專業(yè)班級(jí)： 09計(jì)算機(jī)應(yīng)用 1 學(xué)生姓名： 徐文武 學(xué) 號(hào)： 90401133 指導(dǎo)教師： 周先飛 2011 年 11 月 15 日 2 摘 要 波形發(fā)生器即簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，是一個(gè)能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、方波、正弦波等波形電路。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備儀器中具有十分廣泛的用途。通過(guò)對(duì)函數(shù)發(fā) 生器的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計(jì)一個(gè)能變換出三角波、鋸齒波、方波、正弦波的函數(shù)波形發(fā)生器。在工業(yè)生產(chǎn)和科研中利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)，可以對(duì)元器件的性能及參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，還可以對(duì)電工和電子產(chǎn)品進(jìn)行指數(shù)驗(yàn)證、參數(shù)調(diào)整及性能鑒定。常用的信號(hào)發(fā)生器絕大部分是由模擬電路構(gòu)成的，當(dāng)這種模擬信號(hào)發(fā)生器用于低頻信號(hào)輸出往往需要的 樣不僅參數(shù)準(zhǔn)確度難以保證，而且體積和功耗都很大，而由數(shù)字電路構(gòu)成的低頻信號(hào)發(fā)生器，雖然其性能好但體積較大，價(jià)格較貴，因此，高精度，寬調(diào)幅將成為數(shù)字量信號(hào)發(fā)生器的趨勢(shì)。 本文介紹的是利 用 89信號(hào)幅度和頻率都是可以按要求控制的。文中簡(jiǎn)要介紹了89及與設(shè)計(jì)電路有關(guān)的各種芯片。文中著重介紹了如何利用單片機(jī)控制 D/號(hào)頻率幅度也按要求可調(diào)。 本設(shè)計(jì)核心任務(wù)是：以 合 D/仿真軟件設(shè)計(jì)硬件電路，用 實(shí)現(xiàn)程序控制產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、 三 種常用低頻 信號(hào)?？梢酝ㄟ^(guò)鍵盤選擇波形和輸入任意頻率值。 關(guān)鍵詞： 片機(jī) 函數(shù)波形發(fā)生器 方波 三角波 正弦波 3 目 次 1 引言 . 4 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 6 . 6 . 6 . 6 . 7 . 7 ，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 讀存儲(chǔ)器 種 I/時(shí)器 /計(jì) 時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 波形發(fā)生器是一種數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器，在調(diào)試硬件時(shí)，常常需要加入一些信號(hào)，以觀察電路工作是否正常。用一般的信號(hào)發(fā)生器，不但笨重，而且只發(fā)一些簡(jiǎn)單的波形，不能滿足需要。例如用戶要調(diào)試串口通信程序時(shí)，就要在計(jì)算機(jī)上寫好一段程序，再用線連接計(jì)算機(jī)和用戶實(shí)驗(yàn)板，如果不正常，不知道是通訊線有問(wèn)題還是程序有問(wèn)題。用 的波形發(fā)生器功能，就可以定義串口數(shù)據(jù)。通過(guò)邏輯探勾輸出，調(diào)試起來(lái) 簡(jiǎn)單快捷。 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易波形發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源 ,它廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和其他科研領(lǐng)域。 目前 , 簡(jiǎn)易波形發(fā)生器的構(gòu)成方法有很多 ,例如采用 的任意波發(fā)生器、采用專用的信號(hào)發(fā)生芯片 本設(shè)計(jì)源于 2007年全國(guó)大學(xué)生電子制做大賽 ,通過(guò)分析比較后采用傳統(tǒng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能波形發(fā)生器。借助高性能單片機(jī)運(yùn)算速度高 ,系統(tǒng)集成度強(qiáng)的優(yōu)勢(shì) ,設(shè)計(jì)的這種信號(hào)發(fā)生器 ,比以前的數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器具有硬件簡(jiǎn)單 ,理解及實(shí)現(xiàn)起來(lái) 較容易 ,該方案的設(shè)計(jì)思路較為清晰 ,且容易對(duì)頻率和幅值進(jìn)行控制等優(yōu)點(diǎn)。 5 低頻信號(hào)發(fā)生器采用單片機(jī)波形合成發(fā)生器產(chǎn)生高精度，低失真的正弦波電壓，可用于校驗(yàn)頻率繼電器，同步繼電器等，也可作為低頻變頻電源使用。 以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器采用數(shù)字波形合成技術(shù) ,通過(guò)硬件電路和軟件程序相結(jié)合 ,可輸出自定義波形 ,如正弦波、方波、三角波及其他任意波形。波形的頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可任意改變。介紹了波形的生成原理、硬件電路和軟件部分的設(shè)計(jì)原理。介紹了單片機(jī)控制 D/件編程、 、 于產(chǎn)生不同低頻信號(hào)的信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案。該信號(hào)發(fā)生器具有體積小、價(jià)格低、性能穩(wěn)定、功能齊全的優(yōu)點(diǎn)。 6 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 案 ： 利用 弦波、矩形波三種波形，再通過(guò) D/波放大，最終由示波器顯示出來(lái)，通過(guò)鍵盤來(lái)控制三種波形的類型選擇、頻率變化，最終輸出顯示其各自的類型 以及數(shù)值。 設(shè)計(jì)要求 1) 、利用單片機(jī)采用軟件設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生三種波形 2）、三種波形可通過(guò)鍵盤選擇 3）、波形頻率可調(diào) 4）、需顯示波形的種類及其頻率 件選擇 1、通過(guò)單片機(jī)控制 D/A，輸出三種波形。 2、 位單片微型計(jì)算機(jī)。它把構(gòu)成計(jì)算機(jī)的中央處理器 儲(chǔ)器、寄存器、 I/而構(gòu)成較為完整的計(jì)算機(jī)、而且其價(jià)格便宜。 3、 采用 晶顯示器 1602。其功率小，效果明顯，顯示編程容易控制，可以顯示字母。 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，由單片機(jī)完成人機(jī)界面、系統(tǒng)控制、信號(hào)的采集分析以及信號(hào)的處理和變換，采用按鍵輸入，利用液晶顯示電 7 路輸出數(shù)字顯示的方案。將設(shè)計(jì)任務(wù)分解為按鍵電路、液晶顯示電路等模塊。圖2 圖 2件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì) 片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 89此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。用 89要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖 89于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)： (1) 有可供用戶使用的大量 I/ (2) 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。 (3) 應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有特殊性。 標(biāo)準(zhǔn)的 52為 8128 字節(jié)的 32條端口， 5個(gè)中斷， 2 個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 12個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條基本指令，最長(zhǎng)的除法為 48個(gè)周期。 52為8256 字節(jié)的 32條端口， 6個(gè)中斷， 3 個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器。 放大 輸出 D/主控芯片 示 鍵盤 8 圖 2機(jī)最小系統(tǒng) D/A 轉(zhuǎn) 換器 位 D/A 轉(zhuǎn)換器。能完成數(shù)字量輸入到模擬量 (電流 )輸出的轉(zhuǎn)換。圖 主要參數(shù)如下：分辨率為 8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1 s，滿量程誤差為 1考電壓 (+10/10)V，供電電源為(+5 +15)V，邏輯電平輸入與 圖 3 一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號(hào)為 二級(jí)鎖存器稱為 的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào) / 9 V 8G 1245679G T 111T 21213141516X F E 218 ( B Y 1 /B Y 2 )1908 3 2圖 2圖 2 選信號(hào) /寫信號(hào) /入寄存器控制信號(hào)為 1，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當(dāng) /制信號(hào)成為低電平，此時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中， 這樣輸 入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù) 對(duì)第二級(jí)鎖存來(lái)說(shuō)，傳送控制信號(hào) /寫信號(hào) /級(jí)鎖存控制信號(hào)為高電平， 8位的 后，當(dāng) /制 信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，于是將輸入寄存器的信息鎖存到 圖 2 (1) 8位的數(shù)據(jù)輸入端， (2) 模擬電流輸出端 1，當(dāng) 時(shí)，輸出電流最大，當(dāng) 時(shí)，輸出電流為 0。 (3) 模擬電流輸出端 2， 數(shù)。 10 (4) 反饋電阻引出端， 部已經(jīng)有反饋電阻，所以 器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間。 (5) 參考電壓輸入端，此端可接一個(gè)正電壓，也可接一個(gè)負(fù)電壓，它決定 0至 255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來(lái)的模擬量電壓值的幅度， +10 。 (6) 芯片供電電壓，范圍為 (+5 15)V。 (7) 模擬量地，即模擬電路接地端。 (8) 數(shù)字量地。 算放大器電路 本系統(tǒng)的放大電路如圖 2 圖 2 21是耦合電阻， 3都為分壓式反饋電阻。 1的電壓比例為1： 2， 5v0v,在第二級(jí)運(yùn)放中要把 v 之間的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)関，即第一級(jí)運(yùn)放轉(zhuǎn)換成電壓量的值沒(méi)增加或減少 1v,第二級(jí)運(yùn)放產(chǎn)生的電壓就減少或增加 2v。 11 示器接口電路 常用的 稱發(fā)光二極管） 稱數(shù)碼管和 光二極管可顯示兩種狀態(tài)，用于系統(tǒng)顯示；數(shù)碼管用于數(shù)字顯示； 于字符顯示） 1數(shù)碼管結(jié) 構(gòu) 數(shù)碼管由 8 個(gè)發(fā)光二極管（以下簡(jiǎn)稱字段）構(gòu)成，通過(guò)不同組合可用來(lái)顯示數(shù)字 .”。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)。 2. 數(shù)碼管工作原理 共陽(yáng)極數(shù)碼管的 8個(gè)發(fā)光二級(jí)管的陽(yáng)極（二極管正端）連接在一起。通常會(huì)共陽(yáng)極接高電平 該數(shù)碼管導(dǎo)通并點(diǎn)亮。共陰極數(shù)碼管的 8個(gè)發(fā)光二極管的陰極（二極管負(fù)端）連接在一起。公共陰極接低電平（一般接地）當(dāng)某個(gè)陽(yáng)極接高電平，則該數(shù)碼管并點(diǎn)亮。 圖 2碼管與單片機(jī)接口 形產(chǎn)生 原理及 模塊設(shè)計(jì) 波形產(chǎn)生的原理： 12 1、 內(nèi)存中首先存儲(chǔ)波形的數(shù)字量值數(shù)組 2、 52單片機(jī)讀取數(shù)組中的值，送入 D/ 3、 D/ 4、 D/ 由單片機(jī)采用編程方法產(chǎn)生三種波形、通過(guò) 電路圖 2 13 圖 2顯示模塊的設(shè)計(jì) 通過(guò)液晶 1602顯示輸出的波形、頻率，其電路圖如圖 2如上圖 21602的 八位數(shù)據(jù)端接單片機(jī)的 ，其三個(gè)使能端 W、 過(guò)軟件控制液晶屏可以顯示波形的種類以 14 及波形的頻率。 盤顯示模塊的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用獨(dú)立鍵盤，其連接電路圖如下： 圖 2圖 2用來(lái)切換輸出波形、開(kāi)關(guān) 2和 3用來(lái)調(diào)節(jié)頻率的加減。當(dāng)按開(kāi)關(guān) 2時(shí)輸出波形的頻率減小 ，按開(kāi)關(guān) 3時(shí)輸出波形的頻率 增加 。 件設(shè)計(jì)流程 件中的重點(diǎn)模塊 51 單片機(jī)， D/A 模塊和基準(zhǔn) 電壓 ，輸出驅(qū)動(dòng)（運(yùn)放）。 基準(zhǔn)電壓： 最小輸出電壓 v/256 最大輸出電壓 v 波形形成： 正弦波：015 0000000000由于 精度的轉(zhuǎn)換器，其計(jì)算如下： 80 5v/256(即 80 82 方波： 0其計(jì)算如下： 16 80 5v/256(即 80 7c 三角波： 000000000計(jì)算如下： 5a 5v/256(即 5a 下面依次類推。 本系統(tǒng)采用 片機(jī)，用編程的方法來(lái)產(chǎn)生三種波形，并通過(guò)編程 來(lái)切換三種波形以及波形頻率的改變。 具體功能有：（ 1）各個(gè)波形的切換； 17 （ 2）各種參數(shù)的設(shè)定； （ 3）頻率增減等。 軟件調(diào)通后，通過(guò)編程器下載到 后插到系統(tǒng)中即可獨(dú)立完成所有的控制。 軟件的流程圖如下： 圖 2開(kāi)始 初始化 有鍵按下？ 下 下 下 輸出正弦波 液晶顯示 出方波 液晶顯示 出三角波 液晶顯示 輸出 延時(shí)增 F 減小 延時(shí)減 F 增大 液晶 顯示 f 液晶 顯示f 18 3 輸出波形的種類和調(diào)試 試環(huán)境 1， 試 說(shuō)明：正弦波、矩形波、三角波信號(hào)的輸出，通過(guò)對(duì)獨(dú)立鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)其的不同波形的輸出以及其頻率的改變。 試 過(guò)程 當(dāng)程序下進(jìn)去時(shí)經(jīng)過(guò)初始化，液晶屏的上只顯示“ 和“ f：“，當(dāng)開(kāi)關(guān)一 按一下是此時(shí)輸出波形為正弦波，按兩下時(shí)輸出為方波，按三下時(shí)輸出為三角波。另外兩個(gè)開(kāi)關(guān)可以調(diào)節(jié)頻率，三種波形的頻率可調(diào)范圍不同，分別如下： 正弦波： 1 180 波： 1 角波： 1 180據(jù)示波器的波形頻率的顯示計(jì)算出三種波形的頻率計(jì)算公式如下： 正弦波： f=(1000/(9+3* 方 波： f=(100000/(3* 三角波： f=(1000/(15+3*其中 由單片機(jī)采用編程方法產(chǎn)生三種波形、通過(guò) 19 正弦波程序： if(1) /正弦波 / j=0;j #33; 32; 34; d=; 20; 21; 22; 35; 36; a,ys,j; 56= 0000000000000000000 28 0000;/*正弦波碼 */ z) /延時(shí)子程序 i,j; i=z;i0;j=110;j0; y) i; i=y;i0; /1602寫指令 ; P1=); ; ); ; /1602數(shù)據(jù) ; P1=); ; ); ; /初始化 ; ; ; 29 ; /寫 /寫 f： /寫頻率 000; 00%10; 0%10; ge=0; /顯示頻率 if(1) 1000/(9+3*; if(2) 30 100