多功能信号发生器的设计.doc

编号：099050241021本科毕业论文题题目：目：多功能信号发生器的设计学学院：院：物理与电子信息学院专专业：业：电子信息科学与技术年年级：级：2009级1班姓姓名：名：齐晓春指导教师：指导教师：陈玉芳完成日期：完成日期：2012-5-20摘要摘要该函数信号发生器是一个基于单片机设计。可以通过很多方法设计一个函数信号发生器，本文利用单片机设计的函数信号发生器具有编程灵活、智能等实际的优点。利用单片机设计的函数信号发生器能够产生正弦波、三角波以及方波，该函数信号发生器可以实现对占空比和频率的调节，并能实现液晶屏显示波形名称和波形频率，通过按键可以达到波形的切换和频率的调节。在编程语言上，我们选择自身比较熟悉的C环境，经过设计及后期长时间的调试，这样在后期波形的调试及与硬件衔接方面更容易发挥出自身优势。设计的所有功能均已实现。关键词关键词原理图DAC0832AT89C52液晶LCD内蒙古民族大学本科毕业论文1AbstractThisworkisbasedonafunctionsignalgeneratorchipdesign.Therearemanydesignsoffunctionsignalgeneratorusingthefunctionsignalgeneratordesignhasadvantagesofflexibleprogrammingfunctionmoretoexpandtheactual.UsingSCMtodesignthefunctionsignalgeneratorcangeneratesinewavetrianglewavesquarewaveandrealizethedutycycleregulationoffrequencyandwaveandtheLCDscreendisplaynameandwavefrequencyadjustthewaveswitchingandfrequencyanddutycyclecanusethebuttontoachieve.InprogramminglanguagewechoosethemorefamiliarwiththeClanguagesointhedebuggingperiodwaveandhardwareinterfaceeasiertoplaytheirownadvantages.Throughthedesignandpostlongtimedebuggingallthefunctionaldesignhavebeenachieved.Keywords:principlediagramDAC0832AT89C52LCD内蒙古民族大学本科毕业论文2目录目录摘要摘要.0Abstract.1目录目录.2引言引言.3第一章：市场与介绍.31.1前言.31.2多功能信号发生器的描述.4第二章：多功能信号发生器的设计方案.52.1设计的目的：.52.2设计要求：.52.3系统主要功能.52.4系统硬件构成及功能.5第三章外部电路的设计模块.73、1电源模块的设计.73、2控制模块的设计.83、3信号处理模块的设计.93、4显示模块的设计.103、5软体语言模块的设计.11第四章仿真图及结果分析.124、1波形发生器的调试与测试.124、2仿真结果图.13正弦波仿真图.13三角波仿真图.13方波仿真图.144.3误差分析.14参考文献：参考文献：.15附录附录.16电路原理图.16元件清单.17程序清单.17致谢致谢.24个人简介个人简介.25个人履历：个人履历：.25内蒙古民族大学本科毕业论文3引言引言第一章：市场与介绍第一章：市场与介绍1.1前言前言随着电子技术的迅速发展，这就促使信号发生器种类需要增多，性能有待提高。微处理器的产生，更促使信号发生器向着全面化、智能化方向发展。如今，许多信号发生器均带有微处理器，因而具备了自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、全面化、自动化和智能化方向发展。在科学研究、工程教育及生产实践中，如教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。比如在实验室仪器中，为了使电子按照一定规律运动，常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等较多的领域都得到了广泛的应用。但市面上的信号发生器不能满足需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。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1.25GHz。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快。对目前而言，国外（美）研究和使用的信号发生器大多要求频率在10HZ-50MHZ，产生正弦、三角、锯齿、方波、6调幅、流等波形，而国内则对频率在510HZ-40MHZ，能产生正选-三角等基3本波形已经调幅、调频、TTL等的信号发生器需求大。可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如LC8038它只需在外接很少的几只元件就能实现一个多种波形输出的信号发生器。这种多功能信号发生器被广泛应用于生物力学工程和仪器仪表领域。本系统以AT89C52为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作成本较低。适合学生学习电子技术测量使用。AT89C52是一种能够生成精密波形的集成电路，只需要借助外部的个别元件就内蒙古民族大学本科毕业论文4能产生从0.001Hz30KHz的高保真三角波、正弦波、矩形波等信号。电流和电阻可以控制波形频率的和占空比。还可以通过调至调制信号输入端来对低频信号进行频率调制。1.2多功能信号发生器的描述多功能信号发生器的描述（1）该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波。（2）函数发生器以集成运放和晶体管为核心进行设计（3）信号发生器作为一种常用的信号源是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并被加到被测器件或设备上，用其他仪器观察测量，来确定其性能指标。信号发生器是电子测量领域中最基本、最常见的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号如正弦波三角波方波等因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。（4）便携式和智能化越来越成为仪器的基本要求，对传统仪器的数字的智能化，集成化也就明显得尤为重要。平时常用信号源产生正弦波，方波，三角波等常见波形作为待测系统的输入，测试系统的性能。单在某些场合，我们需要特殊波形对系统进行测试，这是传统的模拟信号发生器和数字信号发生器很难胜任的。利用单片机的强大功能，设计合适的人机交互界面，使用户能够通过手动的设定，设置所需波形。该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：波形的设定，DA转换，单片机（52单片机，显示电路，键盘控制），显示和各模块的连接通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力随着集成制造技术的不断发展，多功能信号发生器已被制作成为专用集成电路。该集成电路使用方便，调试简单，性能稳定，它不仅能产生正弦波，同时还能产生三角波和方波。5G8038就是其中的一种，采用这种芯片只需要简单的外围电路就可以实现三种波形的输出。第二章：多功能信号发生器的设计方案第二章：多功能信号发生器的设计方案2.1设计的目的：设计的目的：欲设计一个能产生三角波、正弦波以及方波的函数信号发生器。并可以进内蒙古民族大学本科毕业论文5一步实现对波形频率和占空比的调节，由液晶屏分两行显示波形名称和波形频率。通过该设计可以达到一下目的：1、为了能更好的提及灵活运用所学知识和解决实际课题的能力。可以达到巩固、加深和扩大单片机应用的知识面的层次2、通过设计可以培养选择和查阅有关手册、图表及文献资料的能力，系统、编程、调试的动脑动手能力也可以相应的提高。3、通过对课题设计方案的分析、选择、比较，熟悉运用单片机系统开发、软硬件设计的方法内容及步骤。4、熟悉DAC083274LS22的接口电路方法及使用方法。5、掌握函数信号发生器的工作原理。2.2设计要求：设计要求：1、熟悉系统中的各个实验模块原理并画出实验原理图。2、会输出几种波形，通过按键可以实现对频率和占空比的调节。2.3系统主要功能系统主要功能该函数信号发生器可以输出三种波形，有正弦波，三角波，方波。在此基础上进一步实现通过按键对波形频率和占空比的调节，并用液晶屏分两行显示波形名称和波形频率。2.4系统硬件构成及功能系统硬件构成及功能函数信号发生器的设计总体框图如图1所示，主要器件有单片机AT89C52电源，键盘模块，LCD1602显示模块等等，其中：AT89C52是片内有ROMEPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图（2）89C52单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：(1)有可供用户使用的大量IO口线。(2)内部存储器容量有限。内蒙古民族大学本科毕业论文6(3)应用系统开发具有特殊性。按键模块可由5个复位开关与74LS22组成的系统的按键模块并可以通过对单片机传输中断信号来实现波形切换及频率和占空比的调节。显示模块可以用LCD1602来显示并达到分行显示波形的类型和波形频率的功能。电源模块是由220V市变电压经变压，整流，稳压得到+-5V+-12V的电压，维持系统正常工作。系统的总体框图如图1所示：键盘显示控制器显示模块键盘模块波形输出模块电源源主控器AT89C52图1系统总体框图Figure1overallsystemblockdiagram第三章第三章外部电路的设计模块外部电路的设计模块3、1电源模块的设计电源模块的设计稳压电源原理将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置被称为稳压电源，它的完成需要变压、整流、滤波、稳压四个环节来实现，如下图6内蒙古民族大学本科毕业论文7图2稳压电源的原理框图Fig.2principleofregulatedpowersupply其中：（1）整流电路可以将50Hz的正弦交流电利用单向导电元件变换成脉动的直流电。（2）电源变压器是降压变压器，它可实现220V交流电压与符合需要的交流电压的转换，并输送给整流电路，线圈的匝数比将会影响其负压比（3）滤波电路是指可以滤除整流电路输出的大部分交流电压，进而得到较多的平滑的直流电压。（4）稳压电路是用来稳压电路的的，是保证输出的直流电压稳定程度，不随交流电压和负载的变化而发生变化。整流电路采用单相二极管全波整流电路方式，电路如图3。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有流经负载RL的电流，且具有一致的方向。电路的输出波形如图3所示。图3整流电路及输出波形Fig.3therectificationcircuitandtheoutputwavefT工频交流脉动直流直流整流滤波稳压负载t023422Ut0234ou22U内蒙古民族大学本科毕业论文8在整流电路中，每半个周期内导电是二极管的特性，所以流过每个二极管的电流平均等于输出值的一半，即。故电路中的二极管最大承受的反向电压为(U2是变压器副边电压有效值)。22U常常，常利用电容器两端的电压和流过电感器的电流不能突变的特点，并联电容器和负载电容或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.11.2)U2，直流输出电流：（I2是变压器副边电流的有效值。），稳压电路可选集成三端稳压器电路。图4电源总体体原理电路图Fig.4thegeneralprincipleofpowercircuitdiagram3、2控制模块的设计控制模块的设计控制模块74LS22的内部结构如下：图5、74LS22为四输入双与门Figure574ls22forfourdoubleandgate121ofII25.121IIo内蒙古民族大学本科毕业论文9A1，B1，C1，D1构成第一个与门的输入，Y1为第一个与门的输出。A2，B2，C2，D2为第一个与门的输入，Y2为第一个与门的输出。3、3信号处理模块的设计信号处理模块的设计AD转换器可采用DAC0832来进行模数转化。如图所示，它是四大部分构成的有：倒T型R-2R电阻网络、74LS122、LM741和参考电压VREF，其中LM741的输出量V0为：图6T型R-2R电阻网络Figure6TxingR-2Rinternalstructure可见，输出的模拟量与输入的数字量（）成正比，模拟量到数字量得以相互转化。一个8位DA转换器一定有8个输入端，有一个输入就会有一个模拟输出端。输入可有256个不同的二进制组态，那么输出就可以存在着256个电压，其值可以是任意匹配的，而只是256个可能值。信号经过DAC0832转换后输出的信号由于信号的幅值比较小，所以需要放大。采用常规的放大方式，采用两片运放，实现两级放大，设计的电路如图7：内蒙古民族大学本科毕业论文10VREF8RFB9GND10IOUT111IOUT212DI713DI614DI515DI416DI07CS1WR12GND3DI34DI25DI16XFER17WR218ILE19VDD20DAC0832814321LM358D814321LM358DR2R1R3OUTVREF图7信号处理模块电路Figure7amplifiercircuitinterface3、4显示模块的设计显示模块的设计显示模块可以用LCD1602来显示并达到分行显示波形的类型和波形频率的功能。图8液晶显示Fig.8liquidcrystaldisplay如上图所示，1602的八位数据端接单片机的P1口，其三个使能端RS、RW、E分别接单片机的P3.2P3.4。通过软件控制液晶屏可以显示波形的内蒙古民族大学本科毕业论文11种类以及波形的频率。3、5软体语言模块的设计软体语言模块的设计本系统采用AT89C52单片机，用编程的方法来产生三种波形，并通过编程来切换三种波形以及波形频率的改变。具体功能有：（1）各个波形的切换；（2）各种参数的设定；（3）频率增减等。软件调通后，通过编程器下载到AT89C52芯片中，然后插到系统中即可独立完成所有的控制。软件的流程图如下：图9程序流程图Figure9flowchartoftheproper内蒙古民族大学本科毕业论文12第四章第四章仿真图及结果分析仿真图及结果分析4、1波形发生器的调试与测试波形发生器的调试与测试在测试本系统是采用的是将设置的数值与示波器所测值进行对比，进而可以知道本系统的性能。测试数据：设定频率（HZ）示波器测试频率（HZ）相对误差%3.93.961.57.87.931.2815.6316.133.194、2仿真结果图仿真结果图正弦波仿真图正弦波仿真图图10正弦波图Figure10sinewavefigure内蒙古民族大学本科毕业论文13三角波仿真图三角波仿真图图11三角波图Figure11trianglewavefigure方波仿真图方波仿真图图12方波Figure12squarewave内蒙古民族大学本科毕业论文144.3误差分析误差分析总结本次设计虽有小部分误差，但基本上达到大致要求，在总结后，我们发现这些误差可以修正的。处理方法如下：通过改变外接电容的大小可以改变频率的输出范围。通过增大电位器阻值可以增大输出信号的幅度。在设计过程中，应用的知识有电路基础，模拟电子，数字电子等，就像一个总回顾，让我们从中复习了以前学过的知识，并且拓展了专业视野，学识的增长是我们所需要的，在制作过程中，与同学讨论研究，相互协作，也提升了我们的动手水平。内蒙古民族大学本科毕业论文15参考文献：参考文献：1谢自美电子线路设计.实验.测试（第三版）武汉：华中科技大学出版社。2000年7月2杨帮文新型集成器件家用电路北京：电子工业出版社，2002.83第二届全国大学生电子设计竞赛组委会。全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编。北京：北京理工大学出版社，1997.4李炎清毕业论文写作与范例厦门：厦门大学出版社。2006.105潭博学、苗江静集成电路原理及应用北京：电子工业出版社。2003.96姚福安编著.电子电路设计与实践.山东科学技术出版社7李叶紫.MCS-51单片机应用教程.北京：清华大学出版社，2004.232238.内蒙古民族大学本科毕业论文16附录附录电路原理图电路原理图图13电路原理图Fig13.schematiccircuitdiagram内蒙古民族大学本科毕业论文17元件清单元件清单程序清单程序清单#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineFosc240000001200000012分频后的频率#defineDAdataP0sbitDA_S1=P20sbitDA_S2=P21sbitkey=P32ucharwavecountucharTHtempTLtempuintT_tempucharjudge=1ucharwaveucharcodefreq_unit4=105020010sawtoothucharidatawavefreq4=1111ucharcodelcd_hang1=SineWaveTriangleWave元器件规格数量控制器件74LS221芯片控制开关AT89C521模数转化块DAC08321电阻10-10K若干电容100pf-10uf若干电感线圈螺线1数码管LCD6011运放LM358D2二极管若干三极管若干导线若干内蒙古民族大学本科毕业论文18SquareWavesawtoothWaveSelectWave:pressNo.1key!ucharidatalcd_hang216=f=Hzucharcodewave_freq_adjust=0 xff0 xb80 x760 x560 x430 x370 x2e0 x260 x200 x1c0 xff0 x8e0 x5a0 x410 x320 x280 x200 x1b0 x170 x0e0 xff0 x8e0 x5a0 x410 x320 x280 x200 x1b0 x170 x0euintcodewave_freq_adjust=3801841188667554628383229514290655040322723142951429065504032272314ucharcodewaveTH=0 xfc0 xfe0 xfe0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xfc0 xfe0 xfe0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xffucharcodewaveTL=0 xf20 x780 xfb0 x3c0 x630 x7d0 x8f0 x9d0 xa80 xb10 x170 x0b0 xb20 x050 x370 x580 x700 x820 x900 x9b0 x4d0 xa70 xc40 xd30 xdc0 xe20 xe60 xea0 xec0 xeeucharcodewaveTH=0 xfd0 xfe0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xfd0 xfe0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xec0 xf60 xf90 xfb0 xfc0 xfc0 xfd0 xfd0 xfd0 xfeucharcodewaveTL=0 x060 x8a0 x100 x4e0 x780 x930 xa80 xb30 xbe0 xc60 xac0 xde0 x480 x7a0 x990 xaf0 xbb0 xc80 xd00 xde0 x880 x500 x900 x320 x340 xbe0 x4a0 xa30 xe50 x2cucharcodetriangle_tab=0 x000 x080 x100 x180 x200 x280 x300 x380 x400 x480 x500 x580 x600 x680 x700 x780 x800 x880 x900 x980 xa00 xa80 xb00 xb80 xc00 xc80 xd00 xd80 xe00 xe80 xf00 xf80 xff0 xf80 xf00 xe80 xe00 xd80 xd00 xc80 xc00 xb80 xb00 xa80 xa00 x980 x900 x880 x800 x780 x700 x680 x600 x580 x500 x480 x400 x380 x300 x280 x200 x180 x100 x080 x00ucharcodesine_tab256=内蒙古民族大学本科毕业论文190 x800 x830 x860 x890 x8d0 x900 x930 x960 x990 x9c0 x9f0 xa20 xa50 xa80 xab0 xae0 xb10 xb40 xb70 xba0 xbc0 xbf0 xc20 xc50 xc70 xca0 xcc0 xcf0 xd10 xd40 xd60 xd80 xda0 xdd0 xdf0 xe10 xe30 xe50 xe70 xe90 xea0 xec0 xee0 xef0 xf10 xf20 xf40 xf50 xf60 xf70 xf80 xf90 xfa0 xfb0 xfc0 xfd0 xfd0 xfe0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff）0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xff0 xfe0 xfd0 xfd0 xfc0 xfb0 xfa0 xf90 xf80 xf70 xf60 xf50 xf40 xf20 xf10 xef0 xee0 xec0 xea0 xe90 xe70 xe50 xe30 xe10 xde0 xdd0 xda0 xd80 xd60 xd40 xd10 xcf0 xcc0 xca0 xc70 xc50 xc20 xbf0 xbc0 xba0 xb70 xb40 xb10 xae0 xab0 xa80 xa50 xa20 x9f0 x9c0 x990 x960 x930 x900 x8d0 x890 x860 x830 x800 x800 x7c0 x790 x760 x720 x6f0 x6c0 x690 x660 x630 x600 x5d0 x5a0 x570 x550 x510 x4e0 x4c0 x480 x450 x430 x400 x3d0 x3a0 x380 x350 x330 x300 x2e0 x2b0 x290 x270 x250 x220 x200 x1e0 x1c0 x1a0 x180 x160 x150 x130 x110 x100 x0e0 x0d0 x0b0 x0a0 x090 x080 x070 x060 x050 x040 x030 x020 x020 x010 x000 x000 x000 x000 x000 x000 x000 x000 x000 x000 x000 x000 x010 x020 x020 x030 x040 x050 x060 x070 x080 x090 x0a0 x0b0 x0d0 x0e0 x100 x110 x130 x150 x160 x180 x1a0 x1c0 x1e0 x200 x220 x250 x270 x290 x2b0 x2e0 x300 x330 x350 x380 x3a0 x3d0 x400 x430 x450 x480 x4c0 x4e0 x510 x550 x570 x5a0 x5d0 x600 x630 x660 x690 x6c0 x6f0 x720 x760 x790 x7c0 x80ucharcodesawtooth_tab=0 x000 x020 x040 x060 x080 x0a0 x0c0 x0e0 x100 x120 x140 x160 x180 x1a0 x1c0 x1e0 x200 x220 x240 x260 x280 x2a0 x2c0 x2e0 x300 x320 x340 x360 x380 x3a0 x3c0 x3e0 x400 x420 x440 x460 x480 x4a0 x4c0 x4e0 x500 x520 x540 x560 x580 x5a0 x5c0 x5e0 x600 x620 x640 x660 x680 x6a0 x6c0 x6e0 x700 x720 x740 x760 x780 x7a0 x7c0 x7e0 x800 x820 x840 x860 x880 x8a0 x8c0 x8e0 x900 x920 x940 x960 x980 x9a0 x9c0 x9e0 xa00 xa20 xa40 xa60 xa80 xaa0 xac0 xae0 xb00 xb20 xb40 xb60 xb80 xba0 xbc0 xbe0 xc00 xc20 xc40 xc60 xc80 xca0 xcc0 xce0 xd00 xd20 xd40 xd60 xd80 xda0 xdc0 xde0 xe00 xe20 xe40 xe60 xe80 xea0 xec0 xeevoiddelay(ucharz)uintxy内蒙古民族大学本科毕业论文20for(x=zx0 x-)for(y=110y0y-)voidtriangle_out()DAdata=triangle_tabwavecount+if(wavecount64)wavecount=0DA_S1=0DA_S1=1voidsine_out()DAdata=sine_tabwavecount+DA_S1=0DA_S1=1voidsquare_out()judge=judgeif(judge=1)DAdata=0 xffelseDAdata=0 x00DA_S1=0DA_S1=11602液晶的相关函数#definelcd_portsP1sbitrs=P22sbitrw=P23sbitlcden=P24voidwrite_com(ucharcom)rs=0lcden=0lcd_ports=comdelay(5)lcden=1delay(5)lcden=0voidwrite_date(uchardate)内蒙古民族大学本科毕业论文21rs=1lcden=0lcd_ports=datedelay(5)lcden=1delay(5)lcden=0voiddisp_lcd(ucharaddrucharte