数字式正弦波信号发生器的设计与实现.doc

数字式正弦波信号发生器的设计与实现摘要正弦交流信号是一种应用极为广泛的信号。在许多测试仪中需要用标准的正弦信号检测一些物理量。正弦信号用作标准信号时，要求正弦信号必须有较高的精度、稳定度及较低的失真率。传统的正弦信号发生器的频率变动由机械驱动可变元件完成，当这种信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大，这样不但参数准确度难以保证，而且体积和功耗都很大。而基于单片机技术和D/A转换电路构成的正弦信号发生器就可以解决这些问题。本文主要介绍了数字式正弦信号发生器的波形产生原理和单片机控制原理。本次设计以单片机技术为基础，通过AT89C51芯片在一定时间内输出一系列的离散数字样点信号，然后通过D/A转换器转换成平滑的正弦波信号，最后通过运算放大器输出。本次设计采用模块化设计的方法，软硬件相结合，硬件设计包括：数码管频率和振幅显示电路、D/A转换正弦信号输出电路、时钟复位电路、键盘频率和振幅输入电路；软件设计包括：显示子程序、D/A转换子程序以及数据计算处理子程序、键盘频率输入子程序。通过软、硬件的结合，既可以实现波形参数的独立连续变化，又具有良好的人机对话界面，原理简单，使用方便。软硬件设计完成后利用KeilVision2集成开发环境编译该最小系统的程序，利用Proteus仿真软件设计该系统的电路原理图，最后通过两个工具的完美结合对该课题进行系统的软件模拟仿真，结果满足设计要求。本次设计的数字式正弦信号发生器的参数可调，输出波形平滑规则、频率稳定、有较强的实用性。关键词：单片机正弦波信号发生器DesignandRealizationofDigitalSinusoidalSignalGeneratorAbstractThesinesignalisaveryextensiveapplicationofthesignal.thestandardsinusoidalsignalalsobeneededinmanytestertodetectsomephysicalquantities.Sinusoidalsignalasastandardsignal,demandedthatsinusoidalsignalmusthaveahighaccuracy,stabilityandlowdistortionrate.Thetraditionalsinesignalgeneratorofvariablefrequencyisdrivedbymechanicalcomponents,whenthissignalgeneratorusedforlowfrequencysignaloutputoftenneedRCvaluegreatly,Itishardtoensureaccuracyparameters,thevolumeandpowerconsumption.ButbasedonthesinglechipmicrocomputerandD/Atransformationofsinesignalgeneratorcircuitcansolvetheseproblems.Thispapermainlyintroducesthesinusoidalsignalgeneratorofdigitalwaveformprincipleandsingle-chipmicrocomputercontrolprinciple.Designwithmicro-controllertechnologyasthefoundation,byAT89C51chipinAcertainperiodofD/Anumberofdiscreteoutputseriesofconverter,thenwordingpointsignalconvertingsmoothsinesignals,throughtheoperationalamplifieroutput.ThisdesignUSESmodulardesignmethod,combiningsoftwarewithhardwaredesign,including:digitaltubeamplitudeandfrequencydisplaycircuit,D/Atransformationsinusoidaloutputcircuit,clockingcircuitandresetcircuitkeyboardinputfrequencyandamplitude,Softwaredesignincludes:displaysubroutines,D/Atransformationandthedataprocessingprocedure,keyboardinputfrequencysubroutinesubroutine.Throughthecombinationofhardwareandsoftware,canachievecontinuousvariationofparameters,andisindependentofgoodhuman-machineconversationinterface,theprincipleofsimpleandeasytouse.AfterthecompletionofthehardwareandsoftwaredesignusingKeilmuonVision2integratedenvironmentalcompiletheprogramusingtheminimumsystem,Proteussimulationsoftwaredesignofthesystemthroughthecircuitprinciplediagram,theperfectcombinationoftwotoolsonthesystemsoftwaresimulation,theresultscansatisfythedesignrequirements.Thedesignofdigitalsinesignalgeneratorparametersisadjustableandtheoutputwaveformissmooth,stable,andpractical.Keywords：MicroControllerUnitSinewaveSignalgenerator目录1引言.12总体结构设计.22.1单片机概述.22.1.1单片机的发展.22.1.2单片机的用途.32.2系统设计的功能.32.3波形发生和输出频率的方法.32.3.1波形发生的方法.42.3.2输出频率的方法.43系统硬件设计.53.1硬件电路芯片的选择.53.1.1CPU芯片AT89C51.53.1.2D/A转换器芯片DAC0832.83.1.3显示器的选择.93.1.4运算放大器HA17741.103.2电路接口的设计.113.2.1LED数码管显示电路.113.2.2D/A转换正弦信号输出电路.123.2.3时钟电路及复位电路.133.2.4键盘频率和振幅输入电路.153.2.5电源电路的设计.154系统软件程序的设计.174.1主程序功能模块.174.2显示子程序模块.174.3D/A转换子程序模块.184.4键盘控制频率输入子程序模块.194.5数据计算处理子程序模块.205系统调试.225.1PROTEUS与KEILuVision2介绍.225.2软硬件的调试.235.2.1软件调试.235.2.2硬件调试.236结论.256.1实验结果.256.2讨论分析.25谢辞.27参考文献.28附录.29电路图.29源程序.30外文资料翻译.41泰山学院毕业设计11引言信号发生器又称波形发生器，是一种常用的信号源，被广泛地应用于无线电通信、自动测量和自动控制等系统中。传统的信号发生器绝大部分是由模拟电路构成，借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。频率的变动由机械驱动可变元件完成，当这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大，这样不但参数准确度难以保证，而且体积和功耗都很大，而由数字电路构成的低频信号发生器，虽然其低频性能好但体积较大，价格较贵。在今天，随着大规模集成电路和单片机技术的发展，许多新型信号发生器应运而生。用单片机并配置适当接口芯片产生程控正弦信号，则可替代传统的正弦信号发生器，从而有利于测试系统的集成化、程控化和智能仪表的多功能化。而单片机的最大特点是面向控制，由于它集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低，因此在数据采集、智能化仪器等技术中得到广泛的应用，从而使得单片机的应用成为工程技术多学科知识汇集的一个专门研究领域，其应用产生了极高的经济效益和社会效益。本文中的数字式正弦信号发生器就是利用单片机技术研制出来的。通过软硬件结合，不但简化了硬件设备，而且还实现了波形参数的连续变化。它的硬件由单片机以及外围的键盘、显示器、D/A转换等电路组成，软件则是用MCS-51系列单片机汇编语言对输入、显示、转换等模块进行编程。不但具有良好的人机界面，操作十分方便，而且整个系统操作方便直观。通过软件从键盘中输入所要求的频率值和幅值，单片机根据输入的值进行计算，将得到的数据经D/A转换器、外部电路处理，最后形成可用的正弦波信号。此信号发生器可以对被测系统提供1Hz到99Hz的超低频正弦波信号，具有波形稳定、波形失真度低、频率和振幅数字可调等特点。泰山学院毕业设计22总体结构设计2.1单片机概述2.1.1单片机的发展单片微型计算机简称单片机，是指集成在一块芯片上的计算机，单片机的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步,自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来,它的发展到目前为止大致可分为5个阶段：第1阶段（19711976）：单片机发展的初级阶段。发展了各种4位单片机，第2阶段（19761980）：初级8位机阶段。以1976年Intel公司推出的MCS48系列为代表，采用将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构，功能上可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。第3阶段（19801983）：高性能单片机阶段。这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个16位定时器/计数器。片内RAM、ROM的容量加大,且寻址范围可达64KB。第4阶段（198380年代末）：16位单片机阶段。1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS96系列，网络通信能力有显著提高。第5阶段（90年代）：单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是八位单片机已成为当前单片机中的主流。单片机的发展具体体现在如下四个方面：1.CPU功能增强CPU功能增强主要表现在运算速度和精度的提高方面。为了提高运算速度和精度，单片机通常采用布尔处理机和把CPU的字长增加到16位或32位。例如MCS96/98和HPCI6040等单片机。2.内部资源增多目前，单片机内部的ROM容量已达32KB，RAM数量已达1KB，并具有掉电保护功能，常用I/O电路有串行和并行I/O接口，A/D和D/A转换器，定时器/计数器，定时输出和信号捕捉输入，系统故障监测和DMA通道电路等。3.引脚的多功能化随着芯片内部功能的增强和资源的丰富，单片机所需的引脚数也会相应增加，这是不可避免的。例如：一个能寻址1MB存储空间的单片机需要20条地址线和8条数据线。太多的引脚不仅会增加制造时的困难，而且也会使芯片的集成度大为减泰山学院毕业设计3小。为了减少引脚数量，提高应用灵活性，单片机中普遍采用一脚多用的设计方案。4.低电压和低功耗在许多应用场合，单片机不仅要有很小的体积，而且还需要较低的工作电压和极小的功耗。因此，单片机普遍采用CHMOS工艺，并增加空闲和掉电两种工作方式。2.1.2单片机的用途由于单片机具有上述显著的特点，其应用领域无所不至，现将单片机的应用大致归纳为以下几个方面：1智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。2测控系统。用单片机可构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。3机电一体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化。4智能接口。在计算机控制系统(持别是较大型的工业测控系统)中，普遍采用单片机进行接口的控制与管理，因单片机与主机是并行工作，故大大提高了系统的运行速度。5.医用设备领域。单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等等。2.2系统设计的功能本设计是以AT89C51作为中央处理芯片，通过DAC0832芯片来获得正弦波信号，用按键和显示器来设置和读取频率和振幅。在KEIL环境下进行汇编编程，并在Proteus中进行仿真。此设计的主要功能：1使用51单片机与D/A转换芯片DAC0832实现数字式正弦波形发生器。2采用51单片机在一定的时间内输出一系列的离散数字样点信号，然后通过D/A转换器转换成平滑的正弦波信号。3使其具有良好的人机接口，并用LED显示。本次数字式正弦信号发生器的设计分为软件部分和硬件部分，按功能来划分硬件部分又可分为：数码管频率和振幅显示电路、D/A转换正弦信号输出电路、时钟复位电路、键盘频率和振幅输入电路；软件部分可分为：显示子程序、D/A转换子程序以及数据计算处理子程序、键盘频率输入子程序。2.3波形发生和输出频率的方法