单片机课程设计
题 目： 多功能信号发生器设计
班 级： 自动化081 姓 名： 学 号： 指导教师： 设计时间： 2011.7.7 ~2011.7.12
评语： 成绩 单片机课程设计
目录
1.引言 ...................................................................................................................................................... 3
1.1单片机概述................................................................................................................................ 3 1.2信号发生器的分类.................................................................................................................... 3 1.3信号发生器的用途及发展趋势 ................................................................................................ 3 1.4 研究内容 .................................................................................................................................. 3 2.设计与原理 .......................................................................................................................................... 3
2.1 方案的比较............................................................................................................................... 4 2.2 设计原理 .................................................................................................................................. 4 2.3 设计思想 .................................................................................................................................. 4 2.4 设计功能 .................................................................................................................................. 5 3.硬件设计 .............................................................................................................................................. 5
3.1 硬件原理框图........................................................................................................................... 5 3.2 主控电路 .................................................................................................................................. 6 3.3 数/模转换电路......................................................................................................................... 6 3.4 按键接口电路........................................................................................................................... 7 3.5 时钟电路 .................................................................................................................................. 8 3.6 显示电路 .................................................................................................................................. 8 4.软件设计 .............................................................................................................................................. 9
4.1 程序流程图............................................................................................................................... 9 4.2 波形仿真 ................................................................................................................................ 10
4.2.1 正弦波的仿真 ............................................................................................................. 10 4.2.2三角波的仿真.............................................................................................................. 10 4.2.3 锯齿波的仿真 ............................................................................................................. 11 4.2.4 方波的仿真................................................................................................................. 11
5.总结 .................................................................................................................................................... 12 6.参考文献 ............................................................................................................................................ 12 7.附录 .................................................................................................................................................... 13
7.1源程序 ..................................................................................................................................... 13 7.2硬件设计图.............................................................................................................................. 21
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单片机课程设计
基于单片机的信号发生器设计
1.引言
1.1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)、随机存取存储器(RAM)、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。其最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中,这是其他计算机和网络都无法做到的[9,10]。
1.2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[5]。
1.3信号发生器的用途及发展趋势
信号发生器是一种常用的信号源,广泛应用于科学研究、生产实践和教学实验等领域。特别是在通信系统的科研实验中,常常需要用到多种不同频率和相位的信号,如正弦波、三角波、方波和锯齿波等,因此多功能信号发生器应用十分广泛。在数字化时代的今天,经典的由模拟电路组成的信号发生器已经渐渐远离了人们,取而代之的是电路简洁、功能多样、功耗低的数字电路。在以后的时间里,将会有越来越多的数字化的信号发生器运用在各种科学技术领域和工程实践中,给人们的日常生活带来更多的便利。
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
2.设计与原理
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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（VCO）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[1,7]。
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,其信号发生器构成原理框图如图2.1所示[2]。
89C51 单片机 接口 电路 D/A 转换器 图2.1 信号发生器原理框图
滤波放大 输出 89C51是整个波形发生器的核心部分,通过程序的编写和执行,产生各种各样的信号,并从键盘接收数据,进行各种功能的转换和信号幅度的调节。当数字信号经过接口电路到达转换电路,将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。
2.3 设计思想
（1）利用单片机产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形,信号的频率和幅度可变。
（2）将一个周期的信号分离成256个点（按X轴等分）,每两点之间的时间间隔为?T,用单片机的定时器产生,其表示式为：?T=T/256。
如果单片机的晶振为12MHz,采用定时器方式0,则定时器的初值为：
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X=213—?T/Tmec (2.1)
定时时间常数为：
TL =（8192—?T）/MOD256 (2.2)
TH = (8192—?T)/256 (2.3)
MOD32表示除32取余数
（3）正弦波的模拟信号是D/A转换器的模拟量输出,其计算公式为：
Y=（A/2sin?t）+A/2 (其中A=VREF) （2.4）
?t=N?T (N=1~256) (2.5)
那么对应着存放在计算机里的这一点的数据为：
Di?(Y?255)/A?2 (sin t ? ? 255 （ 2.6 ） ?1)（4）一个周期被分离成256个点,对应的四种波形的256个数据存放在以TAB1--TAB4为起始地址的存储器中。
2.4 设计功能
（1）本方案利用8155扩展8个独立式按键,6个LED显示器。其中“S0”号键代表方波输出,“S1”号键代表正弦波输出,“S2”号键代表三角波输出,“S3” 号键代表锯齿波输出。
（2）“S4”号键为10Hz的频率信号,“S5”号键为100Hz的频率信号,“S6”号键为500Hz的频率信号,“S7”号键为1KHz的频率信号,6个LED显示器输出信号的频率值,选用共阳极LED。
（3）利用两片DAC0832实现幅度可调的信号源,（其中一片用来调节幅度,另外一片用来实现信号源的输出）。 （4）频率范围：10~1000Hz。 （5）输出波形幅度为0～5V。
3.硬件设计
3.1 硬件原理框图
硬件原理方框图如图所示。
显示 电路 键盘 电路 单 片 机 5
数/模转 换电路 放大 电路 复位 电路 波形 输出