毕业设计（论文）-低频信号发生器设计

摘要函数信号发生器是各种测试和实验过程中必不可少的工具，在通信、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。不论是在生产、科研还是教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具，而且，信号发生器的设计方法很多，设计技术也越来越先进。研究函数信号发生器的设计方法，克服传统方法的缺点，以更好的方法设计出比较复杂的调频、调幅功能的信号发生器。本文采用函数信号发生器芯片ICL8038设计了一种信号发生器，完成了信号发生器的总体方案设计、硬件电路设计和软件设计。硬件电路主要包括信号产生电路、单片机最小系统、频率控制电路、幅值控制电路以及键盘电路。单片机最小系统负责系统控制，键盘电路用于波形的选择、频率的控制和幅值的控制。末级的放大电路则对生成的信号进行适当的放大，以提高信号的振幅和强度。软件部分主要实现输出信号的波形选择，输出信号的频率和幅值的调节。关键词信号发生器，ICL8038，频率调节，幅值调节ABSTRACTFUNCTIONSIGNALGENERATORISALLSORTSOFTESTANDEXPERIMENTPROCESSTHEESSENTIALTOOL,INCOMMUNICATION,MEASURING,RADAR,CONTROL,TEACHINGFIELDSUSEDWIDELYBOTHINPRODUCTIONANDSCIENTIFICRESEARCHORTEACHING,SIGNALGENERATORAREELECTRONICENGINEERSIGNALSIMULATIONEXPERIMENT,ANDTHEBESTTOOL,SIGNALGENERATORSIGNALGENERATORDESIGNTECHNOLOGYISBECOMINGMOREANDMOREADVANCEDRESEARCHFUNCTIONSIGNALGENERATORDESIGNMETHODS,OVERCOMESHORTCOMINGSOFTRADITIONALMETHODS,INORDERTOBETTERDESIGNEDCOMPLEXFM,ATTENUATIONFUNCTIONSIGNALGENERATORINTHISPAPER,THEFUNCTIONSIGNALGENERATORICL8038CHIPWASADOPTEDTODESIGNAKINDOFSIGNALGENERATORTHISSIGNALGENERATORMAINLYINCLUDESTHEOVERALLDESIGNOFTHEWHOLESYSTEMSTRUCTURE,THEDESIGNOFHARDWAREANDSOFTWAREHARDWARECIRCUITISMAINLYINCLUDINGSIGNALOUTPUTCIRCUIT,SINGLECHIPMICROCOMPUTERMINIMUMSYSTEM,WAVEFORMSOUTPUTCIRCUIT,FREQUENCYCONTROLCIRCUIT,AMPLITUDECONTROLCIRCUITANDKEYBOARDCIRCUITSINGLECHIPMINIMIZESYSTEMISRESPONSIBLEFORUSERSINTERACTIONANDSYSTEMCONTROL,KEYBOARDCIRCUITFORSELECTIONOFWAVEFORM,FREQUENCYANDAMPLITUDECONTROLTHELASTSTAGEAMPLIFIERCIRCUITISTHESIGNALTOGENERATEPROPERAMPLIFIER,INORDERTOIMPROVETHESIGNALAMPLITUDEANDSTRENGTHTHESOFTWAREDESIGNMAINLYUSEDTOREALIZETHESELECTIONOFWAVEFORMTYPE,CHANGEOFFREQUENCYANDAMPLITUDEKEYWORDSSIGNALGENERATOR,ICL8038,CHANGEOFFREQUENCY,CHANGEOFAMPLITUDE目录摘要IABSTRACTI1绪论111信号发生器概述112信号发生器的发展状况113本文的主要工作32信号发生器的总体方案设计421信号发生器的总体方案4211信号发生部分4212信号幅值控制部分4213信号频率控制部分522硬件总体方案523软件总体方案624本章小结73信号发生器的硬件电路设计831信号产生电路8311ICL8038内部原理9312电路分析1032单片机最小系统12321主要特性13322管脚说明（图35）14323单片机电源1733频率控制模块1734幅值控制模块18341幅值控制模块的原理18342AD603简介19343D/A转换原理介绍20344DAC0832引脚介绍2135波形选择模块2336键盘控制模块2537本章小结274信号发生器的软件设计2841主程序流程图2842频率调节子程序设计2943幅值调节子程序设计3044波形选择子程序设计3245矩阵键盘子程序设计3346仿真结果35461仿真软件PROTUES简介35462方波、正弦波、三角波的产生36463波形的转换37464信号幅值的调节38465信号频率的调节3947本章小结405结论41谢辞42参考资料43附件1总电路图44附录2外文资料翻译461绪论11信号发生器概述在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。波形发生器也称函数发生器，作为实验信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿波，正弦波，方波，三角波等波形。信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路经之一，不用依靠。但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。12信号发生器的发展状况波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。在70年代前，信号发生器主要有两类正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。90年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统，它由HP8770A任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。HP8770A实际上也只能产生8中波形，而且价格昂贵。不久以后，ANALOGIC公司推出了型号为DATA2020的多波形合成器，LECROY公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过GHZ的DDS芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003年，AGILENT的产品33220A能够产生17种波形，最高频率可达到20M，2005年的产品N6030A能够产生高达500MHZ的频率，采样的频率可达125GHZ。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成VFT形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言如VISUALBASIC,VISUALC等等编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。（2）与VXI资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便。（3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。13本文的主要工作本文主要安排五个章节介绍基于单片机的信号发生器。第一章为绪论部分。主要介绍信号发生器的背景及意义，波形发生器的发展状况，本文的主要内容及章节安排。第二章为信号发生器总体方案设计。主要介绍了信号发生器的整体结构，信号发生器的主电路结构及工作方式，本文基于ICL8038的信号发生器的整体方案设计。第三章为信号发生器的硬件设计。主要包括信号波形产生电路，单片机控制电路，频率控制电路，幅值控制电路，键盘电路及波形选择电路的设计。第四章为信号发生器的软件设计。主要包括主程序的设计，幅值调节程序，幅值调节程序，波形选择程序和键盘程序等设计。第五章为结论部分。对全文进行了总结，提出设计所取得的成效和不足。2信号发生器的总体方案设计21信号发生器的方案选择本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号选择、信号频率控制以及信号幅值的控制。在设计的过程中，我们针对信号发生部分、信号幅值控制部分、信号幅值控制部分进行不同方案的比较。211信号发生部分方案一采用震荡电路（如RC振荡电路或555震荡电路）实现频率的连续调节，通过波形变换电路得到所需的波形。但是该电路对电阻和电容的要求较高，工作很不稳定。方案二采用专用波形IC芯片（如MAX038或ICL8038）实现，通过改变外围电路参数设置输出信号的频率。该方案实现简单，电路简单，可以参考。方案三采用单片机、FPGA、DDS芯片等通过软件编程生成波形数据，在经过D/A转换电路实现模拟信号输出。该方式能实现各种波形，且能达到各个频率，但成本较高。根据以上比较采用方案二。212信号幅值控制部分方案一采用可编程放大器，电路简单，对放大倍数以及信号输出电压有较高的要求，需要对输出电压进行预先处理。方案二采用数字电位器，该方式能通过单片机控制，实现幅值的调节。该方式线路简单，编程方便，可实施性强。方案三采用单一放大电路，该方式能得到可调连续的幅值变化，但还得需要进行峰值检测，反馈给单片机输出幅值信号，方法比较繁琐。根据以上比较，采用方案一。213信号频率控制部分方案一采用纯可变电阻调节，改变函数信号发生器芯片ICL8038输出波形的频率，该方法还得通过频率计来得出频率，实现太繁琐。方案二改变接入电路的电容大小，可以通过单片机编程实现频率的调节，且容易通过编程显示频率。根据以上比较，采用方案二。22信号发生器的总体方案221硬件总体方案ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需调整个别的外部元件就能产生从0001HZ300KHZ的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端,所以可以用来对低频信号进行频率调制。我们设计能输出正弦波、方波、三角波。它是本制作的核心，通过键盘输入，单片机AT89C52可控制ICL8038的输出波形类型的选择，并可由键盘设定电压值及频率，再经由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器输出对ICL8038的实现频率和幅度的调控。硬件总体方案如下图所示。图21系统模块图44键盘模块ICL8038函数信号发生器AT89C52单片机控制系统波形选择幅值调节频率调节本次设计所研究的就是所需要的某种波形输出对应的数字信号，在通过D/A转换器和单片机部分的转换输出一组连续变换的05V的电压脉冲值。在设计时分块来做，按照波形选择模块、频率控制模块、幅值控制模块、键盘控制模块四个电路模块设计。模块介绍（1）44键盘模块实现波形的切换、幅值的控制和频率的控制。（2）幅值控制模块通过单片机控制程控增益放大器AD603，改变其反馈电阻的大小，实现幅值的变化。（3）频率控制模块通过单片机控制接入电路的电容的组合，改变输出信号频率的大小。（4）波形选择模块通过控制输出口，实现正弦波、三角波、方波的输出。通过以上的介绍，该信号发生器具有以下几个功能（1）通过按键能输出三角波、正弦波、方波等几种常用的波形。（2）通过按键能实现幅值的连续可调，幅值范围为0510V。（3）通过按键能实现频率的调节222软件总体方案软件设计程序的基本思路是程序开始，先初始化。然后检测键盘的按键如果是波形类型变换的按键按下，则转换波形种类；如果是频率改变的按键按下，改变输出频率；如果是幅值变换的按键按下，则改变放大器的反馈电阻，实现幅值的变化。其主要完成的设计有以下几个部分（1）主程序的设计完成系统的初始化，各部分的配置以及在主循环中进行系统的工作状态检测。（2）波形产生电路的编程完成通过按键选择波形类型的输出。（3）幅值控制电路通过检测按键，实现单片机输出数字量的改变，同时改变DAC0832输出的模拟量，从而改变输出波形的幅值。（4）频率控制电路通过按键实现接入ICL8038的电容的选择，从而实现频率的改变。（5）键盘子程序通过扫描单片机I/O端口确定是否有键按下，并判断按下的是何种功能的按键。然后根据键值转入相应的入口执行相应的按键子程序23本章小结本章主要介绍了信号发生器设计的总体思路。主要包括以下几个内容首先是信号发生器的方案选择，通过比较实现信号发生器的各种方案的比较例如信号发生模块、信号幅值调整模块和频率调整模块等的比较中，选择出最好的一种实现方式；然后简单介绍波形发生器的核心器件ICL8038的信息，画出信号发生器的硬件框图。之后是各个模块的简介，简单介绍各个模块的功能，最后是软件编程。该章的作用是为下文的具体介绍做了个铺垫。3信号发生器的硬件电路设计本章将介绍信号发生器的电路设计原理，对各个功能模块分别进行讨论，主要包括波形产生电路、单片机控制电路、频率控制电路、幅值调节电路和键盘电路。31信号产生电路本设计主要基于函数发生器芯片ICL8038产生波形,该芯片是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需调整个别的外部元件就能产生从0001HZ300KHZ的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。该芯片性能特点具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50PPM；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1的失真度；三角波输出具有01高线性度；工作变化周期宽，298之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为可同时产生和输出正弦波、三角波、方波等波形。（1）ICL8038电源电压范围宽，采用单电源供电时，VGND的电压范围1030V；采用双电源供电时，VV的电压可在515V内选取。电源电流约15MA。（2）振荡频率范围宽，频率稳定性好。频率范围是0001HZ300KHZ，频率温漂仅50PPM/1PPM106。（3）输出波形的失真小。正弦波失真度5，经过仔细调整后，失真度还可降低到05。三角波的线性度高达01。（4）矩形波占空比的调节范围很宽，D199，由此可获得窄脉冲、宽脉冲或方波。（5）外围电路非常简单，易于制作。通过调节外部阻容元件值，即可改变振荡频率，产生高质量的中、低频正弦波，矩形波（或方波，窄脉冲）,三角波（或锯齿波）等函数波形，其应用领域比普通单一波形的信号发生器更为广阔。此外8038还能实现FM调制，扫描输出。311ICL8038内部原理图31ICL8038内部原理电路图ICL8038是单片集成函数发生器，其内部原理电路框图如图31。在图31中，ICL8038由恒流源I1、I2，电压比较器C1、C2和触发器等组成。电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/VRVCCVEE，电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电，使电容两端电压VC随时间线性上升，当VC上升到VC2VR/3时，比较器C1输出发生跳变，使触发器输出端Q由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。由于I2I1，因此电容C放电，VC随时间线性下降。当VC下降到VCVR/3时，比较器C2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，VC又随时间线性上升。如此周而复始，产生振荡，若I22I1，VC上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。而触发器输出的方波经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。因此，ICL8038能输出方波、三角波和正弦波等三种不同的波形与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。而触发器输出的方波经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。因此，ICL8038能输出方波、三角波和正弦波等三种不同的波形其中，振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的23倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的13倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。在以上基本电路中很容易获得3种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得。由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚3和管脚9输出。适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。因此，对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下，可以循环调节，从最小到最大，任意选择调整，所以，只要调节电容器充放电时间不相等，就可获得锯齿波等函数信号。正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038中的非线性网络是由4级击穿点的非线性逼近网络构成。一般说来，逼近点越多得到的正弦波效果越好，失真度也越小，在本芯片中N4，失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达05左右。其精度效果相当满意。312电路分析由于ICL8038单片函数发生器有两种工作方式，即输出函数信号的频率调节电压可以由内部供给，也可以由外部供给。在初始阶段我们用以下几种由内部供给偏置电压调节的接线图对芯片进行测试，观察其特性，图32为基本接法。图32ICL8038典型接法针对以上电路失真无法调节的缺点，我们改进方案，实现正弦波正负失真的可调。由于该芯片所产生的正弦波是由三角波经非线性网络变换而获得。该芯片的第1脚和第12脚就是为调节输出正弦波失真度而设置的。下图为一个调节输出正弦波失真度的典型应用，其中第1脚调节振荡电容充电时间过程中的非线性逼近点，第12脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近点，在安装调试中，我们选用两只100K的多圈精密电位器，反复调节，达到了很好效果的方波占空比调节、正弦波和三角波的对称调节。图33信号产生电路基本设计在图33中，波形的选择是通过单刀三置开关SW1来实现的，频率调节依靠可变电阻RV3和电容C1，幅值调节通过程控增益放大器AD603调节，为了使放大器不会干扰波形，在放大器前接入一个电压跟随器。这个电路已经可以产生方波、正弦波和三角波，下一步设计用单片机控制按键来选择波形以及波形幅值和频率的调节。32单片机最小系统单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高，且价格相对低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。目前，在我国，单片机已经广泛地应用于只能仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。本系统采用AT89C52单片机，该单片机AT89C52是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2052是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，AT89C2052是它的一种精简版本。AT89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图34是AT89C52单片机芯片，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。图34AT89C52DIP封装芯片它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第一脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚第40管脚。AT89C52单片机的功能321主要特性与MCS51兼容4K字节可编程FLASH存储器寿命1000写/擦循环数据保留时间10年全静态工作0HZ24MHZ三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路322管脚说明（图35）图35AT89C52管脚分布VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示口管脚备选功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外部中断0）P33/INT1（外部中断1）P34T0（记时器0外部输入）P35T1（记时器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。323单片机电源40脚是电源AT89C52工作电源电压为5（102）V，且典型值为5V；在线路中，电源去藕是一个关键问题。整个线路往往会由于电源引线而产生电路谐振，当有大的瞬时变化时，也会产生尖峰干扰信号。消除这两种现象的有效办法就是在片子的电源管脚与地之间加上适当的去藕电容。以上是单片机AT89C52的基本资料，接下去介绍本次设计中单片机控制电路，该原理图如图33所示如图所示，单片机下边的一个是晶振电路，另外一个是复位电路，它是单片机正常工作的必要电路。P1口、INT0和INT1接液晶显示模块，控制它显示波形的类型、幅值和频率。P0口接D/A转换芯片，控制波形输出的频率。P2口接键盘电路，通过键盘输入，改变信号的类型、幅值和频率。RXD端和TXD端接A0和A1，控制波形的类型。RD端和WR端接D/A芯片的使能端，控制数模转换芯片，从而控制它频率的改变。另外单片机EA/VP端接口接电源，为单片机提供电源。该模块为本设计的控制模块，所有芯片都是单片机控制的，是设计的核心部分。图36单片机控制系统原理图33频率控制模块频率与接入ICL8038的电容有关，电容越大频率越小，再此利用单片机控制接入电容的大小来调节信号输出的频率。另外，尤三极管构成模拟开关，通过控制基极的高低电位即可控制电容是否接入电路电容取8个容值由00005U至0064U的呈二进制指数递增的电容。由单片机编码计数器，由两个按键调节电容容值的增减，从而控制输出信号的频率。图37频率控制模块34幅值控制模块幅值控制电路在本设计中占有重要的地位，该模块主要用DAC0832数模转换芯片以及AD603程控增益放大芯片。341幅值控制模块的原理幅值控制模块的原理图如图38所示。图38幅值控制模块接ICL803810脚接地接单片机P1口如上图中所示，DAC0832的工作模式为单缓冲方式。如上图所示，该原理图为幅值控制模块，通过单片机控制DAC0832的输出电压，再将DAC0832的输出电压作为AD603的电压控制端，AD603的控制端为差分电压，0505V，在此将GENG置05V,只需将GPOS的电压控制在01V的变化范围内即可。5,7脚直连，这样增益范围是1030DB。而AD603的输出电压最大值为5V，最小值为0V。需要经过运放的缩小才能达到要求。AD603还要求信号输入端VINP的幅值在2V之内，因此有需要一系列的放大缩小处理，使3个信号输出端的幅值都达到要求，为了避免干扰，还加上了电压跟随器作隔离处理，如图39图39信号幅值预处理此模块采用DAC0832和AD603进行输出控制。通过单片机对它的控制端进行改变，改变其输出阻值，以此改变AD603的控制电压来改变放大增益，从而达到改变输出电压的目的。342AD603简介AD603是一款低噪声、电压控制型放大器，用于射频RF和中频IF自动增益控制AGC系统。它提供精确的引脚可选增益，90MHZ带宽时增益范围为11DB至31DB，9MHZ带宽时增益范围为9DB至51DB。用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。折合到输入的噪声谱密度仅为13NV/HZ，采用推荐的5V电源时功耗为125MW。很多信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。在自动化程度要求较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHZ带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/S。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在1130DB时的带宽为90MHZ，增益在941DB时具有9MHZ带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。图310AD603引脚图343D/A转换原理介绍以倒T形电阻网络D/A转换器为例，介绍D/A转换的原理。倒T形电阻网络D/A转换器结构如图311所示图311倒T形电阻网络D/A转换器图中S0S3为模拟开关，由输入数码DI控制，当DI1时，SI接运算放大器反相输入端（虚地），电流II流入求和电路；当DI0时，SI将电阻2R接地。所以，无论SI处于何种位置，与SI相连的2R电阻均接“地”（地或者虚地）。流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。总电流（31）输出电压（32）将输入数字量扩展到N位，则有（33）可简写为（34）其中，344DAC0832引脚介绍DAC0832是8位分辨率D/A转换集成芯片，与处理器完全兼容，其价格低廉，接口简单，转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。其引脚如图312所示。图312DAC0832引脚图D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832的主要特性参数如下（1）分辨率为8位；（2）电流稳定时间1US；（3）可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；（4）只需在满量程下调整其线性度；（5）单一电源供电（5V15V）；（6）低功耗，200MW。DAC0832结构DI0DI7数据输入线，TLL电平。ILE数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。CS片选信号输入线，低电平有效。WR1为输入寄存器的写选通信号。XFER数据传送控制信号输入线，低电平有效。WR2为DAC寄存器写选通输入线。IOUT1电流输出线。当输入全为1时IOUT1最大。IOUT2电流输出线。其值与IOUT1之和为一常数。RFB反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻VCC电源输入线5V15VVREF基准电压输入线10V10VAGND模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地DGND数字地,两种地线在基准电源处共地比较好DAC0832的工作方式根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。35波形选择模块波形选择主要通过模拟开关CD4051实现。CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4520V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD5V，VSS0，VEE135V，则05V的数字信号可控制13545V的模拟信号。这些开关电路在整个VDDVSS和VDDVEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端“1”时，所有的通道截止。只有当INH0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。其中VEE可以接负电压，也可以接地。当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他时候可以接地。图313CD4051引脚图表31CD4051引脚说明CD4051引脚功能说明引脚号符号功能124512131415IN/OUT输入/输出端91011ABC地址端3OUT/IN公共输出/输入端6INH禁止端7VEE负电压端8VSS数字信号接地端16VDD电源表32CD4051真值表INHCBA输出0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1XXX均不接通本系统只产生三种波形，而CD4051是八选一的模拟开关，故只需选择其中三路，由于控制端A、B、C正好对应于X1、X2和X3，故取X1、X2和X3作为CD4051的输入端，输出端直接连接后面的电压跟随器和反向放大器。利用AT89C52单片机只需控制A、B、C的高低电位即可进行三种波形的选择，同一时刻只允许其中一路导通，即A、B、C只有一个置高电位。36键盘控制模块软件需要实现的主要功能是检测键盘的输入，更具输入结果选择相应的波形信号。该电路图如图314所示。图314键盘电路键盘操作和对应的输出如下输入按键P（第1行第1列），频率微调减；输入按键P（第1行第2列），频率微调加；输入按键P（第1行第3列），频率粗调减；输入按键P（第1行第4列），频率粗调加；输入按键F（第2行第1列），幅值微调加；输入按键F（第2行第2列），频率微调减；输入按键F（第2行第3列），频率粗调加；输入按键F（第2行第4列），频率粗调减；输入按键SQ（第1行第1列），得到矩形波；输入按键SI（第1行第2列），得到正弦波；输入按键TR（第1行第3列），得到三角波；其中按键第三行第四列和第四行所有按键没用到。该工作原理如下该键盘电路接P2口，检测键盘上是否有键按下将行线送入低电平，列线送入高电平。读入P2口的状态来判别。其具体过程如下P2口输入0FH,即所有行线置成高电平，所有列线置成低电平，然后将P1口状态读入与0FH比较，如果有键按下，总会有一根行线电平被拉置低电平，从而使行输入状态不全为1识别键盘中哪一个键按下确认有键按下后，保存行扫描时有键按下时的状态X，P2口输出F0H，进行列扫描，保存列扫描状态Y，取出键值ZX|Y，例如第一行第一列有键按下，那么行扫描读入的状态为00001110，列扫描读入的状态为11100000，最后键值Z11101110EEH，然后转区执行相应的服务程序。37本章小结本章详细讲述了系统硬件各部分的设计，硬件部分主要包括单片机控制电路，频率调节电路，幅值控制电路，波形控制电路和键盘电路。对这些硬件的设计包括结构设计，参数计算及选型。在设计中尽量采用了典型电路，简化了系统的设计。在设计电路的过程中因为一些细节没有注意到而影响了设计的进程，给设计带来了一些麻烦，但经过多次反复的改进，这些问题已基本解决。此外，通过此次设计，让我了解了更多的实用电路知识，也进一步充实了自己硬件方面的知识储备。4信号发生器的软件设计41主程序流程图上一章介绍了该信号发生器的硬件设计，本章主要根据他的硬件实现他的软件设计。以下是本设计总的信号流程图，主要是实现信号波形选择、信号幅值调节和信号频率调节等功能。开始检测是否有键按下程序初始化调用显示子程序按键是否为波形选择键波形选择子程序按键是否为频率调节键按键是否为幅值调节键幅值调节子程序频率调节子程序波形输出NYYNYNY图41主程序流程图42频率调节子程序设计频率调节通过8个容值呈2的指数倍递增的电容，通过单片机控制来选择电容的组合，从而改变频率。容值的改变有单片机编码计数器实现，通过高四位和第四位的分辨控制实现的频率的粗调和微调。图42频率调节流程图频率调节具体程序IFKEY10/频率调节WHILEP20XEET1T11P1T1T216IFT116T10,T2T21IFKEY20开始选择频率增加或者减小选择频率粗调或者微调返回WHILEP20XDET1T11P1T1T216IFT11T115,T2T21IFKEY30WHILEP20XBET2T21P1T1T216IFT216T20IFKEY40WHILEP20X7ET2T21P1T1T216IFT21T215P1T1T21643幅值调节子程序设计幅值调节AD603实现的幅值的程序控制，AD603的控制电压由单片机通过控制DAC0832的输出电压来实现对AD603的控制端的控制，从而改变幅值。DAC0832电压的改变由单片机编码计数器实现，通过高四位和第四位的分辨控制实现的幅值的粗调和微调。开始选择幅值增加或者减小图43幅值调节流程图幅值调节具体程序IFKEY50/幅值调节WHILEP20XEDT3T31P0T3T416IFT316T30,T4T41IFKEY60WHILEP20XDDT3T31P0T3T416IFT31T315,T4T41IFKEY70WHILEP20XBDT4T41P0T3T416IFT416T40IFKEY80选择幅值粗调或者微调返回WHILEP20X7DT4T41P0T3T416IFT41T415P0T3T41644波形选择子程序设计波形的选择通过一个八选一的芯片DA4051来控制，有一个SWITCHCASE语句来控制芯片的控制端，从而实现对波形的选择。图44波形选择流程图波形选择具体程序段SWITCHKCASE0XEBP30X01BREAKCASE0XDBP30X02BREAKCASE0XBBP30X04BREAK开始选择初始波形波形切换返回45矩阵键盘子程序设计这里矩阵键盘使用了行列扫描法，是一种最常用的按键识别方法，介绍过程如下1、判断键盘中有无键按下将全部行线Y0Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。2、判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。图45矩阵键盘控制流程图矩阵键盘控制子程序INCLUDEUNSIGNEDCHART,K,KEY1,KEY2,KEY3,KEY4,KEY5,KEY6,KEY7,KEY8MAININTT10,T24,T30,T410开始扫描键盘行列确定是否有按键按下送回被按下的键值P1T1T216P0T3T416P30WHILE1P20XF0TP2TTIFT0XF0TP2TT|0X0FP2TKP2SWITCHKCASE0XEEKEY10BREAKCASE0XDEKEY20BREAKCASE0XBEKEY30BREAKCASE0X7EKEY40BREAKCASE0XEDKEY50BREAKCASE0XDDKEY60BREAKCASE0XBDKEY70BREAKCASE0X7DKEY80BREAKCASE0XEBP30X01BREAKCASE0XDBP30X02BREAKCASE0XBBP30X04BREAKELSEKEY11,KEY21,KEY31,KEY41,KEY51,KEY61,KEY71,KEY8146仿真结果461仿真软件PROTUES简介PROTUES软件是英国LABCENTERELECTRONICS公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。PROTEUS是世界上著名的EDA工具仿真软件，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加CORTEX和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、KEIL和MATLAB等多种编译。该软件具有很多优点（1）丰富的器件库超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。（2）完善的电路仿真功能（PROSPICE）基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，LABCE