函数信号发生器的设计.doc

摘 要信号发生器是人们在科技生产中经常使用到的一种信号源，比如说，在日常教学学习中对电子电路的分析就能广泛地应用到信号发生器，信号发生器在工作生产的自动化控制系统中也是必不可少的。目前人们最常使用的信号发生器就是函数信号发生器，虽然价格昂贵，但是函数信号发生器能输出我们需要的特殊的波形。在本次课题设计中使用的是AT89C51单片机构成的发生器，通过单片机的控制，这个函数信号发生器能够产生三角波、方波、正弦波等多种特殊波形，并且在单片机上加一个外围器件-距阵式键盘，就能够使用键盘来选择波形频率的增加和减少，同时还进行了波形的选择，再用LCD来显示出来频率的大小。还要在单片机的输出端口接上DAC0832进行数模转换，后面再通过运算放大器对波形进行调整，最后输出波形接在示波器上显示，这种方法不仅准确而且容易操作。关键词： 函数信号发生器 单片机 矩阵式键盘 DAC0832 LED AbstractSignal generator is a kind of signal source in people often used in the production of science and technology, for example ,widely used in electronic circuit analysis will be able to learn the daily teaching to signal generator, it is also necessary in the automation of production control system.The signa generator is currently the most commonly used people fuction signal generator, although the price is expensive, but it can output the special waveform that we need. In this paper, we use is composed of of single-chip AT89C51 generator based on MCU, this fuction signial generator can generate triangle wave, square wave, sine wave and other special waveform. And a peripheral devicematrix keyboard microcontroller in SISU, can increase and decrease the use of the keybobard to select the waveform frequency, also the waveform selection, then use LCD to display the size of the frequency. But the digital analog conversion at the output port of the microcontroller is connected to DAC0832, followed by operation amplifier to adjust the waveform, then finally output waveform displayed on the oscilloscope, this method is not only accurate and easy to operate.Keywords： fuction signal generator MCU Matrix keyboard DAC0832 LED 目录摘要（中文）.1摘要（英文）.1第一章 绪论.41.1 信号发生器的综述.41.1.1 信号发生器的简单介绍.41.1.2 信号发生器的分类.41.2 研究信号发生器的目的和意义.51.3 本课题在国内外的发展状况.61.4 本课题的研究内容.6第二章 信号发生器的设计.72.1 方案的比较.7第三章 硬件系统的设计.83.1 单片机的介绍.83.1.1 AT89C51的介绍.83.1.2 单片机最小系统的介绍.103.2 DC0832转化器简介.113.3 8255简介.133.4 LED数码管.14第四章 硬件设计.144.1 主控电路.154.2 数/模转换电路.164.3 按键接口电路.174.4 时钟电路.184.5 显示电路.184.6 和基于分立元件的函数信号发生器的对比.194.6.1 正弦波电路模块.194.6.2 三角波的电路模块.20第五章 软件设计.205.1 设计方案.205.2 程序流程图.215.3 子程序流程图.225.4 波形图.225.4.1 方波波形图.225.4.2 正弦波波形图.235.4.3 三角波波形图.235.4.4 锯齿波波形图.24致谢.25参考文献.25附录.27第一章 绪论1.1信号发生器的综述1.1.1 信号发生器的简单介绍信号发生器又可以称为信号源或者是振荡器，根据信号的波形可以分为四种类型，即函数信号，正弦信号，脉冲信号和随机信号，可以使用三角函数方程式来表示各种波形，能够产生如三角波形、锯齿波形、矩形波形（含方波）、正弦波形的电路就叫做函数信号发生器，函数信号发生器被广泛地应用在生产科技和设备的检测中。例如在通信网络和广播电视中，都是需要射频（又可称为高频）发射的，这里的射频波就是载波，因为信号发生器能够产生高频，在生产应用中需要把视频信号、音频信号（低频）或者是脉冲信号运载出去时就能够用到它。在工农业领域和生物科技医学方面，常常需要用到高频感应加热、熔炼、淬火、核磁共振成像、超声诊断等，这些都需要使用信号发生器，只是不同的领率使用的信号发生器的频率和功率有大小之分。1.1.2 信号发生器的分类信号发生器有多种分类方法，可以按照信号发生器的波形将它划分为四大类：函数信号发生器又称作波形信号发生器。能产生一些具有特定周期性的时间函数波形如正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等等信号，频率范围低至几个微赫高至几十兆赫。在自动控制系统的测试、通信系统和仪器仪表的使用等方面应用广泛，此外它还可以用于其他没有用到电子测量的领域。正弦信号发生器。它是一种频率成分最为单一的常见信号源，通过傅里叶分解能够把任何复杂的信号分解成频率不同，幅度不一样的正弦信号的叠加，主要应用于电子电路设计中对电路的测量和仪表的测量校正调试等方面。根据性能和用途的不同还可以将它细分成频率为20赫兹到10兆赫兹的低频信号发生器、频率为100千赫兹到300兆赫兹的高频信号发生器、微波信号发生器、频率合成式信号发生器、扫频和程控信号发生器等。脉冲信号发生器。脉冲信号发生器有通用型和专用型两种，通用型所产生的脉冲信号的频率都能够调节，主要用于在实验室中的一些科学实验中；专用型脉冲信号发生器可以波形复杂也可以因为某些指标不同而特殊，主要用在一些专用设备的开发研制、生产、测试和维修。随机信号发生器。通常将它分为伪随机信号发生器和噪声信号发生器两大类。噪声信号发生器应用相当广泛，当等待检测的系统中输入了一个随机信号，就需要模拟实际工作条件中的噪声来测试这个系统的性能，当外加一个已知的噪声信号和系统内部的噪声比较来测定噪声系数时也能用到噪声信号发生器，在用随机信号代替正弦或脉冲信号用以测定系统动态的特性时噪声信号发生器也是必不可少的。如果用噪声信号进行相关函数的测量时，若没有足够长的测量时间，就会出现统计性的误差，这时就能用伪随机信号来解决。1.2 研究信号发生器的目的和意义信号发生器是信号源的一种类型，是一种经常使用的设备，它的主要作用就是提供已知的信号即各种波形给被测电路，再结合其它仪表设备测量所需参数，在各种实验应用、试验测试甚至科技领域中都有着广泛的应用。它并不是测量仪器，而是根据使用者的需求，作为一种激励源，仿真出各种测试信号，提供给被测电路，用以满足各种测量或多种实际需要。随着科技的不断发展，要求的不断提高，纯粹由物理器件构成的传统信号发生器存在许多弊端，因为其体积很大和重量较沉所以在需要移动使用时就不方便，另外传统的信号失真较大不易于精度测量，波形种类也很少不能满足多种需求且调节波形形状时不够灵活，因此传统的信号发生器不能满足用户对便携性、精度和稳定性等的实际要求。想要满足军事需求和各种科技生产、教学等方面，有一个良好的市场价值和前景，研究设计出一种具有方便携带、使用灵活、准确度高、输出波形多样且频率稳定性好、输出频率范围广等特点的波形发生器势在必行。在科学技术蓬勃发展的21世纪，自动化技术有着不可或缺的优势，已经在社会生活和科学生产等多种领域广泛应用。其中，信号发生器就是在自动化领域中的一个典型应用。例如，在使用超声波测量技术时,其中的核心部件即超声换能器(包括发射换能器和接收换能器)。精度高、稳定性高、频率范围广的激励源对发射换能器和超声检测系统性能的提高和改善有至关重要的作用。传统的波形发生器通常是由晶体管、运放IC等分离元件构成，与此相比,基于单片机的信号发生器具有结构简单、容易控制、输出波形多样且稳定，各种参数的显示准确清楚和频率范围广等特点。特别是在现代化的自动化技术控制中基本上都会使用信号来控制设备的工作，这已经成为在自动化技术中控制仪器的一种典型方式，那么一个频率、幅度和波形可调的函数信号发生器的设计和完成更具有实用价值。使用单片机设计的多功能函数信号发生器,不仅减少了器件从而简化了电路,节约了成本,而且能让系统稳定、节能，能够方便快捷地输出多种低频信号。这种结构简单，成本很小但是性能优良的信号发生装置已经在现代化控制领域的各个方面越来越广泛地应用，在实验教学，工业生产以及军事、航空和商业领域都有含信号发生装置的应用产品。本次课题的主要目的就是充分运用在大学期间学到的专业知识，研究考察现有的信号发生器的优缺点，设计出一个频率和幅值都容易调节的函数信号发生器。通过这次课题的设计和完成了解单片机系统的软硬件开发过程和比较传统用分立元件构成的发生器和这次用单片机构成的函数信号发生器之间的优势劣势，同时还要熟悉信号发生器系统的设计流程。通过本次设计来培养我们综合运用所学的基本知识的能力以及科学设计和细心观察比较的技能，学习独立解决简单工程技术和相关的专业问题，学习工程研究和科学设计的基本方法，完成对所学知识的系统训练。通过本次函数信号发生器的设计，不仅可以对大学期间所学的专业知识做一个全面系统的回顾以便更好地理解掌握，而且对今后的工作学习也有很好的帮助。1.3 本课题在国内外的发展状况传统的信号发生器因为频率很低，应用的范围比较狭小，如果能够提高输出波形的频率，就能让信号发生器有更广泛的应用领域。目前在市场上的信号发生器大部分是只由硬件搭建成的，通常都是单函数信号且频率都不是很高，其不容易调试，工作不稳定。在对其改进提高的过程中有多种方式，比如采用直接数字合成DDS芯片的函数发生器，她能够输出很高的频率也能产生任意的波形，但是制作成本很高。我国已经开始开发研制优良的函数信号发生器，虽然总体来说还没有形成真正的产业，但在研发学习中取得了不错的成果。根据目前我国比较成熟的产品来看，大多是一些PC仪器的插卡，VIX系统模块和独立的仪器都很少。关于函数发生器的种类和性能，我国和国外都存在较大的差距。我国采用新科技和新器件生产出了S1000型的数字扫描信号发生器，它的精度较高且频率范围较广；美国安捷伦生产的33250A型的函数信号发生器，能够产生精度较高、波形稳定且失真比较小的任意波形。1.4 本课题主要研究的内容（1）理论分析：了解函数信号发生器的相关概念，包括需要产生的几种常见的波形，比如正弦波、三角、方波和锯齿波，然后将传统用分立元件做的作为对比，突出本次课题的优点。（2）主要元器件的选择。简单介绍本次课题需要使用的各种硬件，主要包括以下几个：单片机AT89C51的介绍、单片机最小系统的介绍、DAC0832芯片简介、8255简介和LED数码管的介绍。（3）硬件系统的设计。主要包括：主控电路的设计、数模转换电路的设计、按键接口电路的设计、时钟电路的设计和显示电路的设计LED显示程序设计；DAC控制程序设计。（4）系统仿真调试。通过模拟仿真出四种波形：方波、正弦波、三角波和锯齿波。第二章 信号发生器的设计2.1 方案的比较信号发生器的设计方案有多种，可用多种方案来完成。在设计前对各种方案进行了比较： 方案一：采用单片机函数信号发生器如ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生正弦波、三角波和方波的专用集成电路，并且操作方法简单容易进行，可以用D/A转换器改变输出的电压，在数控方面也能实现频率的调节，但是这种方式产生的波形都不是纯净的波形，会伴随着一些高次谐波分量，虽然采用其他的措施能够滤掉一些，但不能够完全滤除掉。 方案二：利用MAX038芯片组成的电路来输出波形。MAX038不仅精度高而且能输出很大的频率，它能够产生较为准确的正弦波、方波和三角波三种周期性波形。但是这个方案需要很高的成本且程序也很复杂。 方案三：采用传统的锁相频率合成的方法。即通过芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再使用过零比较器将之转变成方波，用积分电路转换成三角波。这种方案的频率很稳定，但是锁相环技术相当复杂，程序控制比较困难。方案四：采用分立器件组成电路，主要部件有UA741运算放大器，电压比较器，积分运算电路，差分放大电路，选择开关，电位器和一些电容电阻组成。该方案由三级单元电路组成的，第一级单元产生方波，第二级单元产生三角波，第三级产生正弦波。但是这种信号发生器输出的频率范围小，而且在电路设计过程中各参数设定太麻烦，并且对于频率大小的测量往往需要通过切换硬件电路进行的，这种操作很不方便。 方案五：利用AT89C52单片机采用程序设计方法产生正弦波、方波、三角波和锯齿波四种波形。主要利用D/A转换器DAC0832将数字信号转变成模拟信号，滤波放大，最终在示波器上显示出来，并通过键盘来进行四种波形的选择和频率变化，最终输出所需的波形的种类及频率。使用单片机的定时器设置定时时间，每半个周期对I/O 口取反一次，从而实现频率输出。在高频阶段，这种方案虽然存在比较大的误差，但是编程相对简单，且容易控制。它具有体积小、价格低廉、较高性能、操作方便在低频范围内稳定性好、节能等特点。 方案的确定：使用专用的函数发生电路，如ICL8038 或MAX038，通过数模转换调整函数发生器控制了电压从而实现频率的控制，虽然这种方案可以使频率不断变化，也节省了波形转换电路，但控制电压与频率变化的关系不是准确的线性关系，如果不加上频率负反馈频率就无法准确稳定，若加上频率负反馈则将使电路变得特别复杂，稳定度也会因此下降。并且如果需要实现的带宽比较大时，就需要不断变换振荡电容，电路复杂程度会进一步增大。为了避免调试困难，就不采用这种方案。综合比较，方案五既可满足毕业设计的基本要求又能充分满足各种参数的需要，且电路简单，操作灵活，容易控制。单片机具有可编程性，硬件的功能描述就可以完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。所以采用方案五。第三章 硬件系统的设计3.1单片机的介绍 单片机是实质就是一个集成电路芯片，采用的是超大规模集成电路的技术，它将中央处理器CPU、内存、各种各样的I/O口和定时器/计数器的能力集于一身，在工业控制领域应用非常广泛。单片机又被称为单片机微控制器，相当于一个微型计算机，体积很小，质量轻，为本次毕业设计的设计和完成提供了便捷。3.1.1 AT89C51的介绍本次毕业课题选择的单片机芯片是AT89C51，AT89C51是高性能的CMOS 8位的单片机，里面含有4kb的可反复擦写的只读存储器（PEROM）和128b的随机存储存储器（RAM）。此单片机的生产采用非易失性以及高密度性的存储技术，兼容MCS-51的标准指令系统，机内通用8位二进制的中央处理器（CPU）和Flash存储单元。AT89C51里面有一个反向振荡放大器和内部时钟工作电路输入端XTAL1和反向振荡器的输出端XTAL2，XTAL1和XTAL2共同组成了一个反向放大器，这个反向放大器内部可以配置成一个片内振荡器。该反向放大器和作为反馈元件的石英晶体或者是陶瓷谐振器共同组成自激振荡器，其中放大器的反馈回路中连接石英晶体（或者是陶瓷谐振器）以及电容C1，C2构成并联振荡电路。虽然对于连接的电容C1，C2没有明确的严格要求，但是电容的大小会对振荡频率的大小、振荡器工作和温度的稳定性以及起振的难易程度有或多或少的影响。本次课题中我们选用的是30pF的电容。如果是采用陶瓷谐振荡，最好选用40或者是50pF容值的电容，或者是采用外部时钟电路也可以。如果采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应该悬空。图3-1-1 AT89C511、 各引脚功能VCC（P40）：供电电压，接+5V电源GND（P20）：接地XTAL1（P19）：单片机内振荡电路的输入端XTAL2（P20）：单片机内振荡电路的输出端RST/VPP（P9）：复位引脚，当振荡器工作时，引脚上出现两个机器周期的高电平时，单片机复位。ALE/PROG(P30)：地址锁存信号输出端PSEN(P29)：外部程序存储器读选通信号EA/VPP(P31)：外部程序存储器使能端，低电平时，从外部程序存储器读指令；高电平时，从内部程序存储器读指令。P0 (P0.0P0.7）口：8位的I/O双向口，作输入口时，应该先软件置“1”。P1 (P1.0P1.7) 口：8位的准双向I/O口线，作输入口时，应该先软件置“1”。P2 (P2.0P2.7) 口：8位的准双向I/O口线，作输入口时，应该先软件置“1”。P3 (P3.0P3.7) 口：8位的准双向I/O口线，作输入口时，应该先软件置“1”3.1.2 单片机最小系统的介绍图3-1-2 单片机最小系统如图3-1-2为单片机最小系统，由图可以看出单片机最小系统主要由电源、复位和振荡电路组成。可以用外部稳定的电源给单片机最小系统的电源供电模块，大约需要5V。单片机的复位电路是在单片机的复位引脚RST上外接一个电阻和一个电容，可以把电路的一个状态初始化到一个空状态。单片机晶振电路的主要作用是为系统提供基本的时钟信号。3.2 DC0832转化器简介本次课题选用的D/A转化器是DAC0832，DAC0832是采样频率为8位的D/A转换器件，与微处理器兼容，芯片内部有两级输入寄存器，这使得DAC0832具备双缓冲，单缓冲和直通三种输入方式，以便适用于各种电路的需要。D/A转换的结果采用电流的形式输出。此外DA芯片因为价格低廉，接口结构简单，容易转换等优点，在单片机的系统中广泛应用。图3-2-1：DAC0832内部结构图图3-2-2：DAC0832引脚图DAC0832引脚功能说明：D0D7：8位的数据输入端1，D7为最高位。TTL为高电平时，有效时间应该大于90ns，否则在锁存器上数据会出错；IOUT1：模拟电流的输出端口1，当DAC寄存器中的数据全部为1时，输出最大电流，当DAC寄存器中的数据全部为0时，不输出电流；IOUT2：模拟电流的输出端口2，并且IOUT1+IOUT2=常数；VREF：反馈信号电压的输入端，此电压可为正可为负，一般为+10V-10V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连；RFB：反馈信号的输入端，可以直接连接到外部的运算放大器的输出端，改变连接在REF端外部的电阻可以调节满量程的精度；VCC：芯片的供电电压，电源的输入端口，变化范围是+5V+15V；AGND：模拟信号的接地端；DGND：数字信号的接地端；ILE：数据锁存寄存器允许控制信号输入端，当高电平时有效；CS：片选信号的输入端，可以接通数据锁存器，当为低电平时有效；WR1：数据锁存器写信号选通输入线，当脉宽大于500ns时，负脉冲有效。将ILE、CS、WR1逻辑组合，会产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器的状态会随着数据线的变化而变化，LE1变化到负的状态时，数据锁存；WR2：DAC寄存器写信号选通输入线，当脉宽大于500ns时，负脉冲有效。将WR1、XFER逻辑组合，会产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出状态会随着寄存器的输入而变化，LE2变化到负状态时，数据锁存器的内容会变化到DAC寄存器，并开始D/A转换；XFER：数据传输控制信号的输入端，当脉宽大于500ns时，负脉冲有效；Rfb集成电路反馈电阻的信号输入端，改变连接在Rfb外部的电阻值，可以调节满量程的精度；DAC0832主要的性能参数：1. 8位的分辨率；2. 电流转换时间为1us；3. 满量程的误差为正负1LSB；4. 供电电源为+5V+15V；5. 功耗小，为200mW3.3 8255简介3-3-1 8255引脚图8255是可以编写程序的并行的I/O接口的芯片。其共有3组8位的并行I/O口，40个引脚，各口的选择灵活多样，通用性强。可以作为单片机与多种外接设备的中间接口电路，作为连接芯片，8255必须能够提供与主机连接的三个总线接口，就是通常所说的地址总线、数据总线和控制总线接口。与此同时，必须具备与外界设备能够相连的A、B、C接口。8255的编程功能来自于它本身具有的逻辑控制功能，所以8255内部可以分为三个结构部分：与CPU连接的结构部分、与外界设备连接的结构部分、控制结构部分。1. 引脚功能RESET：复位输入线，当输入高电平时，包括控制寄存器在内的所有内部寄存器全部被清零，所有的输入输出口均变成输入方式。CS：芯片选择信号线，输入引脚是低电平代表选中芯片，这时的8255能够与中央处理器CPU进行传输通讯；当输入引脚为高电平，8255不能与CPU进行数据的传输RD：读信号线，当低电平输入时，RD会产生一个低脉冲，且CS为低电平，此时CPU能够从8255内部读出数据或者是信息。WR：写入信号线，当输入引脚为低电平时，WR产生一个低脉冲，且CS为低电平，此时的CUP能够将数据写入8255D0D7：三态双向数据总线，这是8255与中央处理器之间进行数据传输的通道8255具有3个互不影响的I/O通道，工作电压是+5V，相对应的工作方式有基本输入/输出方式（方式1）、选通输入/输出方式（方式2）和双向选通输入/输出方式（方式3）三种。PA0PA7：端口A输入输出线，作于3种工作方式的任意一种都能正常工作，有一个8位的数据输入锁存器和一个8位的数据输出锁存器。PB0PB7：端口B输入输出线，能工作于工作方式1和3，有一个8位的I/O锁存器和一个8位的输入输出缓冲器。PC0PC7：端口C输入输出线，能工作于工作方式3，有一个8位的数据输出锁存器和一个8位的数据输入缓冲器，能够与端口A和端口B配合工作A1，A0：地址选择端用来选择8255的PA端口，PB端口PC端口和控制寄存器；A1和A0都为低电平时，PA端口被选择；A1为低电平，A0为高电平时，PB端口被选择；A1为高电平，A0为低电平时，PC端口被选择；A1和A0均为高电平时，控制寄存器被选择。3.4 LED数码管LED数码管是指由多个发光二极管组装在一起构成的“8”字形的器件，组成器件的引线隐藏在内部，只需要引出它们的各个引脚，七段数码管和八段数码管是我们常用的LED数码管，八段比七段其实就多了一个小数点，其他的结构基本相同，所谓八段就是数码管内部结构中包含了八个小LED发光二极管。显示出来不同的样式就是因为控制了不同的LED的亮灭来显示的。数码管又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种类型，其中，共阴极就是将八个LED的阴极连接起来并接地，如果想让此数码管亮，就让这八个LED中的任意一个LED的另一端接高电平，其引脚图如下：3-4-1 数码管原理图第四章 硬件设计 4.1主控电路本课题所使用的单片机AT89C51里面包含两个16位的可以编程的计时器也可以称之为计数器，用T0和T1表示，T0、T1有计数器工作方式、计时器工作方式和四种工作模式。我们在使用波形发生器时，将它视作定时器使用，在这个过程中，它可以精确的计算出输出的波形两个采样点之间的先后输出的时间差，即延迟时间。而模式1采用的是16为计数器当T0或者是T1被选中，并允许开始计数后，从初始值开始计数，最高位产生输出时，就会向中央处理器请求中断。为了是处理器能够具有对外界不同步的事件处理能力，就设置了中断系统，通俗的讲，当中央处理器CPU正在处理某件事的同时，外界发生了紧急事件，这时就要求CPU暂时停下正在处理的事件，转而去处理这个紧急的事件。在使用波形发生器的过程中，只要遇到定时器/计数器输出时发出的中断请求，即在AT89C51单片机输出一个波形采样点信号之后，紧接着启动定时器，在定时器没有产生中断信号之前，发生了中断请求，这时的AT89C51会响应中断请求，然后再输出下一个采样点信号，就这样循环下去，输出结果就是所需要的信号的波形。如图4-1-1所示，键盘信号从AT89C51单片机的P0口输入，通过AT89C51的P2口可以向8255输出一些控制信号，如果按下键盘，就在读信号的控制端产生一个读信号，这时的单片机可以读到输入的信号；如果有信号的输出，就在写信号的控制端产生一个写信号，所要输出的信号就会通过8255的PB口输出，这个信号产生的结果会显示在数码管上。4-1-1 主控电路图4.2 数/模转换电路AT89C51单片机有一个64K的空间可以存储程序，这个空间足够大，因此我们不需要增大它的存储空间，在单片机进行编程时就能够直接由单片机输出我们需要的信号的数字量，然后通过数/模转换器将输出的数字量转变成模拟电流并输出，再通过运算放大器就能转变成模拟电压的输出。数/模转换器能够输出的做大电压是根据其输入的基准电压的多少决定的，因此我们如果能够控制基准电压，就能够控制输出的电压的幅度，从而实现调节幅值的大小。DAC0832价格低，有比较简单的接口，数模之间转换容易，最重要的是它有8位分辨率，所以本课题就用两个DAC0832来输出信号，用第一个DAC0832来输出信号，而第二个DAC0832就用来控制第一个DAC0832的基准电压，把P0口作为两个DAC0832的数据传输的总线，P2口的P2.0、P2.1作为控制两个DAC0832的选通。DAC0832内部主要有8位的输入寄存器、8位的D/A转换器、8位的DAC寄存器和输入控制器四个部分，但是实际上，DAC0832所输出的电量不是真的能够持续可调的，而是以她的绝对分辨率为单位增加或者是减少的，是一种准模拟量的输出方式。DAC0832是电流型的输出方式，所以在本课题中药在DAC0832外面连接运算放大器，让DAC0832输出的信号成为电压型的输出如图4-3-14-2-1 数模转换电路从图4-2-1中可以看出，DAC0832的片选地址是7FFFH，当P25有效，如果从P0输入的信号数据是H，则此时的U3的输出电压是+5V；如果P0口输入的信号是FFH时，则U3可以输出的电压是-5V，所以输出波形的电压变化范围是-5V+5V。4.3 按键接口电路因为本课题设计需要控制输出波形的频率和幅度的范围，所以需要使用的按键比较多，因此我们就选择用P1口来扩展4*4的键盘。本课题需要显示的输出结果是不需要时时刻刻发生改变的，只是要求用数码管显示出输出信号的幅度和频率等的信息，所以本次设计选择静态数码管，显示数据由单片机的串行通信口输出。如图4-4-1所示图4-3-1按键接口电路图4-3-1是本课题的键盘接口电路，由图我们可以看出，键盘和8255的PA口相连接，AT89C51单片机的P0口和8255的D0口相连接，通过单片机AT89C51不断地扫描键盘，判断出键盘是否按下键，如果发现有键按下，就会根据相应的按键作出反应，根据设计的需要我们给不同按键不同的功能，其中，“S0”号的按键代表方波的输出，“S1”号的按键代表正弦波的输出，“S3”号的按键代表锯齿波的输出，“S4”号的按键代表10Hz的信号频率，“S6”号的按键代表500Hz的信号频率，“S7”号按键代表1KHz的信号频率4.4 时钟电路时钟电路一般包括、容振荡器和晶震制芯片，时钟电路的最大特点就是可以使任何工作都能按照时间的顺序执行，产生向“时钟”一样准确无误的振荡电路。如图4-5-1所示4-4-1 时钟电路图中电容C1和C2可以稳定振荡频率，两个电容的大小都是30pf，振荡器选择的是频率是12MHz的石英晶体，在频率比较大的时候，三角波、正弦波和锯齿波的延迟时间很小，大约是几微妙，所以延迟时间还要再加上指令的时间才能获得比较大的频率的波形。4.5 显示电路显示电路就是用来显示输出波形的结果，显示输出波形信号的频率，这样就使得整个设计更加完整和人性化，从实用性和经济的角度出发，LED数码显示器是最佳的选择，我们这次的设计使用共阳极接法的LED数码管显示器，所以当主控电路的输出端口输出一个低电平时，与其相对应的数码管就会变亮，从而可以显示所需要的结果，LED数码管如图4-6-1所示4-5-1 LED显示电路4.6 和基于分立元件的函数信号发生器的对比 如果采用分立元件和运放电路来实现波形的选择和幅度的调节，经过考虑在此电路中选择LM423运算放大器，所产生的波形就通过几路开关进行选择，再通过运算放大器LM358组成的电压跟随器进行输出，而幅度的调节就通过在运算放大器前加上一个电位器来实现。这种方法比较麻烦，简单举设计出正弦波和三角波的产生电路。4.6.1 正弦波的电路模块图4-6-1 正弦波基本结构如图4-6-1为正弦波的产生电路，主要由RC桥式正弦波振荡器组成。C1和R1串联与C2和R2并联组成了正反馈，R3和Rf则是稳定幅值的电路。在设计的过程中Rf/R1的值应该略微比2大，能够使Au的值略大于3，但是Au不能远远大于3，这会因为振幅增的太大而让放大器到非线性区工作，导致波形非线性失真严重；同时Au也不能比3小，这会不起振。4.6.2 三角波的电路模块图4-6-2 三角波基本结构如图4-6-2为三角波的产生电路，集成运算放大器U1和连接在它上面的R1，R2，R3，R4与VDz组成了电压比较器，集成运算放大器U2和连接在它上面的电阻R和R5以及电容C组成了积分器第五章 软件设计5.1 设计的主要内容从所需要的输出结果分析，可以从两个方面进行软件的设计，幅度范围的控制方面和频率大小的控制方面。1.对于幅度控制，因为DAC0832数模转换器可以输出的最大幅度可以用它的基准电压来控制，所以如果控制了第二个DAC0832数模转换器输出给第一个DAC0832数模转换器的电压值就能够控制信号的输出幅度。所以，就令第二个DAC0832数模转换器的值是选取的几个固定的值。因为DAC0832数模转换器的内部具有锁存器的功能，所以只需向第二个DAC0832输入一次值，一直等到下一次幅度发生改变。2.对于频率控制，单片机内部使用二进制语言，数据只有0、1之分，它所产生的信号也都是离散信号。在本此课题中，为了能够使单片机AT89C51输出所需的数字信号，我们采用先对信号进行采样然后再量化的方法来实现让单片机产生所需要的数字信号。针对信号的四分之一个周期，我们采样19个幅度值，使用定时/计数器来控制两次采样点的输出的时间间隔，并通过反复的查表对比来输出相应的幅度值，所以这整个信号的输出是通过正查表和逆向查表的方式来实现的。通常我们采样的点越多，信号失真度也就越小。通过控制不同的计数初值就可以控制整个信号的频率。计数时间=信号周期/72。计数次数=计数时间/机器周期。对应的，计数初值=65536计数次数。单片机只能产生离散频率的信号，所以所得到的信号频率不是连续的，而是离散的频率点。由于这部分计算位数较多，不适合用单片机编程来计算计数初值，所以本设计中将各频率的计数初值算出，让单片机按控制命令来查表控制频率。正弦波和三角波的频率控制方法都与上述方法相同，而方波的频率控制是半周期计数，经过半周期只需改变输出为最大或最小电平即可。5.2 程序流程图本次课题通过按键的选择实现中断程序的调用，在读取按键对应的键值后，启动计时器和相应的中断服务程序，再直接查询程序中预先设置的数据值，通过转换输出相应的电压，从而形成所需的各种波形。主程序的流程图如5-2-1所示图5-2-1主程序流程图通过主程序的流程图可以看出，在程序开始运行之后，首先做的是对8155进行初始化，然后是判断信号的频率值，这个步骤完成后，如果是符合所需的输出频率，就根据频率值重置新的时间常数，并通过显示器显示频率的值，如果不符和所需的输出频率，就返回到开始。在中断结束后，还要再判断输出的波形是否符合要求，如符合，就显示出来频率；不符合则返回，重新判断，如此往复。5.3 子程序的流程图图5-3-1 子流程图图5-3-1为各波形子程序的流程图。如图所示，在中断服务子程序开始后，通过判断来确定各种波形的输出，当判断选择的不是方波后，则转向对正弦波的判断，如此反复。如果选择的是方波，则用查表的方法求出相应的数据，并通过D/A转换器将数据转换成模拟信号，形成所需波形信号。5.4 波形图四种波形的仿真波形图如下：5.4.1 方波波形图在仿真环境下，运行仿真软件，按要求操作键盘会出现如下波形图，各个波形的仿真图右四种不同的频率。方波波形如图5-4-1所示方波图 图5-4-1方波由图可知，横坐标是时间轴，每小格表示的时间是1.33ms，纵坐标是幅值轴，每小格表示的幅值是1.00mv。当“SO”键按下时，将会产生方波，键“S4”“S7”决定了方波的频率，“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。5.4.2 正弦波波形图5-4-2 正弦波图如图5-4-2是正弦波图，横坐标为时间轴，每小格表示的时间是1.33ms，纵坐标为幅值轴，每小格表示的幅值为1.00mv。当“S1”键按下是将产生正弦波，键“S4”“S7”决定方波的频率，“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。5.4.3.三角波波形图三角波图如图5-4-3所示5-4-2三角波图横坐标为时间轴，每小格表示1.33ms，纵坐标为幅值轴，每小格为1.00mv。当“S2”键按下是将产生正弦波，键“S4”“S7”决定方波的频率，“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。5.4.4锯齿波波形图锯齿波如图5-6-4所示5-4-4 锯齿波图5-4-4为锯齿图，横坐标为时间轴，每小格表示的时间是1.33ms，纵坐标为幅值轴，每小格表示的幅值为1.00mv。当“S3”键按下是将产生正弦波，键“S4” “S7”决定方波的频率，“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。波形分析：在将电路和实物连接的情况下再将程序下载至单片机中进行实电路的测试时，波形与实际要求存在一些误差，这些误差的来源主要是由于电路的具体参数选择不好以及程序的延时所造成的。但基本上是符合设计要求的。致谢毕业设计课程是检验学生综合运用大学以来所学知识的重要环节，通过对课题的选择、研究、学习和完成能提高我们解决问题的能录，锻炼我们的实践动手能力。,是对学生实际工作能力的具体训练过程和考察过程。随着科学技术的不断发展创新，单片机已经成为当今计算机科技应用不可或缺的重要成员，可以说单片机遍布我们的日常生活，对人民生活水平的提高起着决定性的作用。因此作为二十一世纪的大学，特别是电信专业的我们来说，熟悉和掌握单片机的操作技术和实际应用尤为重要。从刚开始选定课题的犹豫到后来的整个课题的完成，真可算得上是一次对大学三年来所学课程的一次回忆。的确，从选题到定稿，从理论到实践，在好几个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件的使用方法，对单片机汇编语言掌握得不好这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师和同学们的指导和帮助下，一步一步的解决问题。在这里我要对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！参考文献1 张永瑞. 电子测量技术基础M.西安电子科技大学出版社，2006.61101.2 李叶紫. MCS-51单片机应用教程M.北京：清华大学出版社，2004.232238.3 沙占友. 单片机外围电路设计，电子工业出版社，2005.5688.4 沈红卫. 基于单片机的智能系统设计与实现，电子工业大学出版社，2005.6589.5 王静霞. 单片机应用技术（C语言版）.电子工业出版社, 2009.123189. 6 周明德. 微型计算机系统原理及应用（第四版）.北京