基于单片机AT89C51的信号发生器设计.doc

I基于单片机AT89C51的信号发生器设计摘要在介绍MAX038芯片特性的基础上,论述了采用MAX038芯片设计数字函数信号发生器的原理以及整机的结构设计。对其振荡频率控制、信号输出幅度控制以及频率和幅度数显的实现作了较详细的论述。该函数信号发生器可输出三角波,方波和正弦波。本文重点论述了整机通过D/A转换电路控制MAX038的实现过程，D/A转换电路采用了8位4通道的MAX505来实现。在幅度的控制上采用数字电位器AD5171，该芯片是IC总线方式控制，文中给出了IC总线的读写控制程序。系统支持按键操作和上位机操作两种模式。关键词:函数信号；D/A；单片机控制DesignofSignalGeneratorSystemBasedonSCMAbstractBasedontheintroductionofMAX038,wediscussedtheprincipleandthewholeframeofthedigitalfunctionsignalgenerator.Wedescribedthecontroloftheoscillatoryfrequent,amplitudeandthedigitaldisplayindetail.Thegeneratorcanoutputthreekindsofwaves:sinewave,squarewave,trianglewave.Thistexthasexpositionthemirco-computercontrolstheD/Aelectriccircuitofconversionrealizetheprocess.InD/Achangingelectriccircuitadoptthe8bit4channelcometorealize.PorentiometerAD5171isadoptedinthecontroloflength.ThischipisthatICbuscontrolway.Thissystemsupportskey-controlorcomputer-controlmodes.Keywords:functionsignal；D/A；single-chipmicroprocessorcontrol；II目录绪论.1第一章系统概述和设计方案.21.1论文的内容和组织.21.2方案选择.21.3信号发生芯片选择.214方案框图设计及基本控制原理.31.5.1频段控制调整参数计算.41.5.2频率控制细调参数计算.51.5.3占空比的数字控制参数计算.61.5.4幅度的数控参数实现.6第二章系统硬件设计.82.1系统总体设计.82.2单片机介绍及外围电路.82.3D/A转换电路（频率，占空比控制电路）.102.3.1MAX505的引脚描述.102.3.2MAX505的内部结构及原理.112.3.3D/A转换电路的电路说明.132.4频段选择电路.142.5幅度控制电路.152.6键盘电路.172.7电源电路.18第三章系统软件流程图设计.203.1主程序流程图.203.2频段处理子程序.213.3频率处理子程序.213.4幅度处理子程序.22系统分析与总结.23参考文献.24附录.25基于单片机的信号发生器设计绪论1绪论基于单片机的信号发生器设计，该课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，考察现在正在使用的信号发生器的基本功能，完成一个基本的实际系统的设计全过程。关键是这个实际系统设计的过程，在整个过程中我可以充分发挥自动化的专业知识。特别是这个信号发生器的设计中涉及到一个典型的控制过程。通过单片机控制一个有特殊功能的信号发生芯片，可以产生一系列有规律的幅度和频率可调的波形。这样一个信号发生装置在控制领域有相当广泛的应用范围。在现代社会中，自动化技术已经渗透到社会生活的各个领域中。在超声波测量技术中,超声换能器(发射换能器和接收换能器)是超声波检测技术的核心部件。高精度、宽频率范围、高稳定性的激励源对于发射换能器及超声检测系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。传统的波形发生器通常由晶体管、运放IC等分离元件制成。与此相比,基于集成芯片的波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点。其中，信号发生器是自动化领域中的一个典型应用。因为现代的自动化控制中基本都会利用信号来控制设备的工作。利用信号的产生进行仪器的控制已经是自动控制中的一个重要的手段，那么一个幅度、频率、占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有使用价值。只要将这个信号发生器设计的基本思路掌握，不但可以融会贯通所学的专业知识还可以在以后工作中利用到，作为用来控制其他设备或设计的一个参考。信号发生器是电子实验室的基本设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，且许多功能用不上。本文介绍一种由集成电路MAX038设计的简易信号发生器，该仪器结构简单，虽然功能及性能指标赶不上标准信号发生器，但满足一般的实验要求。其成本低、体积小、便于携带等特点，亦可作为电子产品维修人员的重要随身设备之一。本文主要分五大部分：绪论、系统概述和设计方案、硬件部分、软件部分，总结。绪论，首先对课题研究背景和所涉及的相关技术领域进行了介绍；第一章对系统所要完成的功能和可扩展的功能进行描述，确定系统的设计方案主要参数计算，第二章对系统的硬件结构和各部分组成作了简要的介绍和讲解；第三章是软件部分，这部分重点介绍了主程序的流程框图及各个子程序的流程框图以及IC的驱动程序。最后对整篇文章进行了总结。基于单片机的信号发生器设计系统概述和技术方案2第一章系统概述和设计方案1.1论文的内容和组织本文提出并设计了一种基于AT89S51微处理器控制的MAX038信号发生芯片的信号发生器设计。文中详细介绍了该系统的原理、构成及其设计方法，着重分析了以美国MAXIM公司生产的高频信号发生芯片MAX038为核心的精密多波形高频函数信号发生系统的软硬件原理，并开发了基于AT89S51微处理器的软件程序。本次设计的基于单片机的信号发生器设计就是设计一个单片机控制系统，对信号发生芯片进行的控制。通过这个单片机对信号发生芯片进行精密控制，实现对波形的选择，频率、占空比以及波形幅度的控制。这些控制可以通过键盘设定。这就要求对选择的信号发生芯片，选用的单片机有初步的了解，并且对整个系统的结构有个合理地分配。1.2方案选择方案一：直接利用单片机编程产生三角波，方波，锯齿波。优点：简化了用于产生波形的硬件和软件,特别适用于交流感应电动机和无刷直流电机的速度控制以及变频电源的SPWM控制。1缺点：编程复杂，波形失真较大，并且不能达到要求输出的高频率信号。方案二：利用单片机控制波形信号产生芯片,通过单片机，键盘，LCD显示实现波形的数字控制。优点：控制简单,波形效果好,频率带宽。缺点：硬件电路复杂。为了满足设计要求，取得较好的效果。显然方案二较为理想。1.3信号发生芯片选择目前，集成化的函数波形发生器大多采用ILC8038或5G8038，但它们只能产生300kHz以下的中、低频的正弦波、矩形波（含方波）和三角波（含锯齿波），而且频率与占空比不能单独调节，两者互相影响，这就给实际应用带来了许多不便。此外，这些芯片的扩展功能较少，调节方式也不够灵活，基于单片机的信号发生器设计系统概述和技术方案3且无法满足高频精密信号源的要求。美国MAXIM（马克希姆）公司应市场的需求而研制的MAX038型单片集成高频精密函数发生器具有较高的频率特性、频率范围很宽、功能较全、单片集成化、外围电路简单、使用方便灵活等特点2。14方案框图设计及基本控制原理如图1.1所示，利用单片机AT89C51对主信号发生芯片进行数字控制。因为MAX038原是模拟量控制型芯片，所以中间要通过数模转换电路，对MAX038产生的波形信号进行频率，占空比，幅度的在控制，以及产生波形的选择控制。MAX038AT89C51CD4052运放AD5171LCD1602波形信号检测键盘输入控制频率粗调占空比控制频率细调波形选择幅度调节波形输出1nF100nF10pF10uF图1.1方案框图MAX038的输出频率主要受振荡电容CF,IIN端电流和FADJ端电压的控制,其中前二者与输出频率的关系如图1.2所示。选择一个CF值,对应IIN端电流的变化,将产生一定范围的输出频率。另外,改变FADJ端的电压,可以在IIN控制的基础上,对输出频率实现微调控制。为实现输出频率的数控调整,在IIN端和FADJ端分别连接一个电压输出的DAC。首先,通过DACB产生0V(00H)到2.5V(0FFH)的输出电压,经电压/电流转换网络,产生0A到748A的电流,叠加上网络本身产生的2A电流,最终对IIN端形成2A到750A的工作电流,使之产生相应的输出频率范围。DACB将此工作电流范围分为256级步进间隔,输出频率范围也被分为256级步进间隔。所以,IIN端的电流对输出频率实现粗调。第二步,通过DACA在FADJ端产生一个从-2.3V(00H)到+2.3V(0FFH)的电压范围,该范围同样包含256级步进间隔,IIN端的步进间隔再次细分为256级步进间隔,从而在粗调的基础上实现微调。基于单片机的信号发生器设计系统概述和技术方案41.5.1频段控制调整参数计算MAX038的输出频率和CF电容与IIN端的电流间的关系如表1.1所示。固定一个CF值,当IIN端的电流从2A到750A的变化时,对应产生一个频段的频率范围。经实验调整,我们选择了一系列的CF如表1.1所示,并确定了各CF所对应的频段和频率范围12ff。由于系统通过DAC控制IIN端电流和FADJ端电压,将各频段的频率范围划分为65536级间隔,因此各频段的输出误差为(12)/65536fff图1.2输出频率与IIN电流及振荡电容CF的关系另外,由于相邻频段之间存在着频率重叠现象。且考虑到各频段对应的误差大小不同,因此设定各频段的实际起止频率围:f3,f4,以期获得最小的误差。表1.1输出波形频率范围与CF的关系表频段号CFf1(2A)f2(750A)ff3f4110pF200kHz65MHz1kHz600kHz10MHz21nF2kHz650kHz10Hz6kHz600kHz3100nF20Hz6.5kHz0.1Hz60Hz6kHz410F0.2Hz65Hz0.001Hz0.2Hz60Hz基于单片机的信号发生器设计系统概述和技术方案5在5脚COCS和6脚GND接上电容FC以后，10脚IIN是频率控制的电流输入端，利用恒定电流INI向电容FC充电和放电，便可形成振荡。INI是受8脚FADJ和7脚DADJ端电压的控制，振荡频率由下式确定。02.5INREFFINFINFIVFCRCRC(1.1)因为我们要求的频率范围在0.2Hz10MHz,分四个频段来满足要求，在每个频段上连续可调，由芯片内部参数可知道，当2750INIAA时，FC的容量范围可以在1010pFF时，芯片有较好的性能。因此，有（1.1）式可知REFININVRI(1.2)当2INIA时，2.501.252INVRMA；当750INIA时，2.503.33750INVRKA,为了使数字控制能够使2750INIAA实现，我们在D/A转换模块使用图5所示的电阻连接方法。当数字量为00H时，OUTbV输出为0V。MAX038的10脚IIN有2A的电流输入。当数字量为FFH时，OUTbV输出为基准电压2.50V。MAX038的10脚IIN有750A的电流输入。用公式（1.1）（1.2）可以检验，确定表1.1所列的电容值可满足后面频率产生要求。1.5.2频率控制细调参数计算电阻、电容值选择和基频值由表3所列。其中的频率细分是指当基频确定后由MAX505输出的电压的细分值。MAX505接2.5V的基准电源，其双极性输出接到MAX038的FADJ调整端，通过内部的锁相环，作为精细的频率控制。这个电压从-2.5V变到+2.5V，引起基频（FADJ是0V时的输出频率值）的变化从1.70.3倍（即0070%FF）。当MAX505的接收数据为FFH时，其频率输出值为基频的30%，当数据为0时，频率输出值为基频的170%。当数据加（减）1时其输出频率相应地加（减）一个细分量。FADJ上的所需的电压引起输出偏离0F为XD（以%表示），则0.0343%FADJXVD，FADJV以百分比（%）线性相关地偏离0F，FADJV向0的某一方变化时相应地向加或减的方向偏离。FADJ上的电压所对应的频率由下式给出：0(10.2915)XFADJFFV(1.3)相应MAX505的输入数据为基于单片机的信号发生器设计系统概述和技术方案60128(/2.41)310.96182.96/DADJXDVFF(1.4)式中：XF为要求输出的频率；0F为当FADJV为0时的基频。同样，我们可以知道当数据D在00H和FFH之间变化的时候，可以调节频率在当前频带内细调。1.5.3占空比的数字控制参数计算MAX038的占空比的调整有两种方式，一种时利用内部基准电压源调整，另一种是利用外加电源调整，为使电路简单，采用第一种调整方式。在MAX038的DADJ端应用一个-2.3V+2.3V的电压控制信号,MAX038的DADJ引脚上的电压可控制波形的占空比CD(定义为输出波形为正时所占时间的百分数），并且能够改善正弦波的波形，可进行脉冲宽度调制和产生锯齿波。当DADJV接地（即0DADJV）时，其占空比为50%，占空比的调整可采用MAX505的一片DAC，输出2.3V范围内的电压，占空比可在10%90%范围内改变，约每伏改变15%，当电压超过2.3V将使频率偏移或引起不稳定。为产生一定占空比而加在DADJ上的电压为：(50%)0.0575DADJCVD(1.5)对双极性输出的D/A转换器，基准电源为2.3V时，MAX505接受数据与占空比的关系式为：128(1/2.3)129.63.2DADJCDVD(1.6)其中：DADJV为DADJ引脚上的电压，CD为占空比。这样可完成激励信号的占空比设置。调整FC