毕业设计（论文）-基于单片机控制的函数信号发生器的设计.doc

毕业设计 基于单片机控制的函数信号发生器的设计基于单片机控制的函数信号发生器的设计 系 电子信息工程系 专业 电子信息工程技术 移动通信方向 姓名 班级 通信 112 学号 1101043325 指导教师 职称 讲师 设计时间 2013 9 15 2014 1 3 摘要 1 摘摘 要要 信号发生器 它是一种用于产生标准信号的电子仪器 随着科学技术的发展 对它 的要求越来越高 在工业生产和科研中利用信号发生器输出的信号 可以对元器件的性 能及参数进行测量 还可以对电工和电子产品进行指数验证 参数调整及性能鉴定 常 用的信号发生器绝大部分都是由模拟电路构成的 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于保证 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 因此 高精度 宽调幅 低价格将成为数字量信号发生器的发展趋势 本设计核心任务是 以 89C51 为核心 结合 DAC0832 实现程序控制产生正弦波 锯 齿波及方波等常用的低频信号 可以通过键盘选择波形及增减频率 关键词 关键词 信号发生器 低频 数模转换 89C51 目录 2 目录目录 摘摘 要要 1 1 目录目录 2 2 第第 1 1 章章 系统概述系统概述 4 4 1 1 方案论证和比较 4 1 1 1 总体方案 4 1 1 2 改变幅度方案 4 1 2 工作原理 4 第第 2 2 章章 单元电路设计与分析单元电路设计与分析 6 6 2 1 主控电路 6 2 2 数 模转换电路 7 2 3 运算放大电路和低通滤波电路 8 2 4 系统软件设计 8 2 4 1 主程序流程 8 2 4 2 中断服务程序 9 第第 3 3 章安装调试及测量数据分析章安装调试及测量数据分析 1010 3 1 调试过程 10 3 2 频率的测量数据 10 3 3 出现的问题与解决的方法 10 3 4 系统仿真波形 11 3 5 效果分析 11 3 6 测量仪器 11 结结 论论 1212 参考文献参考文献 1313 目录 3 致致 谢谢 1414 附录附录 A A 总电路图总电路图 1515 附录附录 B B 源程序源程序 1616 第 1 章 系统概述 4 第第 1 章章 系统概述系统概述 1 1 方案论证和比较方案论证和比较 1 1 1 总体方案总体方案 方案一 采用模拟电路搭建函数信号发生器 它可以同时产生方波 三角波 正弦 波 但是这种模块产生的不能产生任意的波形 例如梯形波 并且频率调节很不方便 方案二 采用锁相式频率合成器 利用锁相环 将压控振荡器 VCO 的输出频率 锁定在所需频率上 该方案性能良好 但难以达到输出频率覆盖系数的要求 且电路复 杂 方案三 使用集成信号发生器发生芯片 例如 AD9854 它可以生成最高几十 MHZ 的波 形 但是该方案也不能产生任意波形 例如梯形波 并且价格昂贵 方案四 采用 AT89C51 单片机和 DAC0832 数模转换器生成波形 加上一个低通滤波 器 生成的波形比较纯净 它的特点是可产生任意波形 频率容易调节 频率能达到设 计的 500HZ 以上 性能高 在低频范围内稳定性好 操作方便 体积小 耗电少 经比较 方案四既可满足课程设计的基本要求又能充分发挥其优势 电路简单 易 控制 性价比高 所以采用该方案 1 1 2 改变幅度方案改变幅度方案 方案一 可以将送给 DA 的数字量乘以一个系数 这样就可以改变 DA 输出电流的幅 度 从而改变输出电压 但是这样做有很严重的问题 单片机在做乘法运算时需要很长 的时间 这样的话输出波形的频率就会很低 达不到至少 500HZ 的要求 并且该方案的输出电压做不到连续可调 当 DA 的输入数字量比较小时 输出的波形 失真就会比较严重 方案二 将输出电压通过一个运算放大器的放大 这样还有个优点是幅度连续可调 经比较 方案二既可满足课程设计的基本要求 并且电路也挺简单 1 2 工作原理工作原理 数字信号可以通过数 模转换器转换成模拟信号 因此可通过产生数字信号再转换成 模拟信号的方法来获得所需要的波形 89C51 单片机本身就是一个完整的微型计算机 具 有组成微型计算机的各部分部件 中央处理器 CPU 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM I O 接口电路 定时器 计数器以及串行通讯接口等 只要将 89C51 再配置键盘及 数模转换及波形输出 放大电路等部分 即可构成所需的波形发生器 其信号发生器构 第 1 章 系统概述 5 成系统框图如下 1 1 图所示 单片机 数模转换电路 放大电路 低通滤波 按键电路 电源 波形 ROM表 波形输出 图图 1 1 系统框图系统框图 89C51 是整个波形发生器的核心部分 通过程序的编写和执行 产生各种各样的信号 并从键盘接收数据 进行各种功能的转换和信号幅度的调节 当数字信号电路到达转换 电路 将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形 波形 ROM 表是将信号一个周期等间距地分离成 64 个点 储存在单片机得 RON 内 具 体 ROM 表是通过 MATLAB 生成的 第 2 章 单元电路设计与分析 6 第第 2 章章 单元电路设计与分析单元电路设计与分析 2 1 主控电路主控电路 设计中主要采用 STC89C51 型单片机 它具有如下优点 1 拥有完善的外部扩展 总线 通过这些总线可方便地扩展外围单元 外围接口等 2 该单片机内部拥有 4K 字 节的 FLASH ROM 程序存储器空间和 256 字节的 RAM 数据存储空间 完全可以满足程序的 要求 由于该芯片可电擦写 故可重复使用 如果更改程序内容 可将芯片拿下重新烧 写 3 该单片机与工业标准的 MCS 51 型机的指令集和输出引脚兼容 中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的 当中央处理器 CPU 正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件 要求 CPU 暂停当前的工作 转而去处理这 个紧急事件 在波形发生器中 用两个开光直接与外部中断 0 和外部中断 1 的管脚相连 其中 S1 开光用来改变波形 S2 开光用来改变频率 在程序主函数中 我们写了个死循环一直输 出一个默认的波形 当 S1 或 S2 按下又抬起时 程序会暂时跳出死循环 进入中断处理 程序 从而对波形和频率进行改变 时钟电路 由于频率较大时 三角波 正弦波 方波等波中每一点延时时间为几微 秒 故延时时间还要加上指令时间即可得到指定频率的波形 该电路用 11 0592MHz 晶振 如下图 2 1 所示 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 X2 18 X1 19 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 STC89C52 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PAIZU 10K VCC Y1 11 0592M C6 30P C7 30P D0 P30 P31 VCC VCC 1 2 5V D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CSDA WR S1 S2 S3 图图 2 12 1 主图控电路图主图控电路图 第 2 章 单元电路设计与分析 7 2 2 数数 模转换电路模转换电路 由于单片机产生的是数字信号 要想得到所需要的波形 就要把数字信号转换成模 拟信号 所以该文选用价格低廉 接口简单 转换控制容易并具有 8 位分辨率的数模转 换器 DAC0832 DAC0832 主要由 8 位输入寄存器 8 位 DAC 寄存器 8 位 D A 转换器 以及输入控制电路四部分组成 但实际上 DAC0832 输出的电量也不是真正能连续可调 而是以其绝对分辨率为单位增减 是准模拟量的输出 DAC0832 是电流型输出 在应用 时外接运放使之成为电压型输出 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 本设计选用直通方式 DAC0832 的数据口和单片机的 P0 口相连 CSDA 片选信号输入线 选通数据锁存器 低电平有效 WR 数据锁存器写选通输入线 负脉冲 脉宽应大于500ns 有效 由 ILE CS WR1的逻辑组合产生 LE1 当 LE1为高电平时 数据锁存器状态随输入数 据线变换 LE1的负跳变时将输入数据锁存 如图2 2所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 P4 DAC0832 VCC CSDA WR D0 VCC D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 图图 2 22 2 数模转换电路图数模转换电路图 第 2 章 单元电路设计与分析 8 2 3 运算放大电路和低通滤波电路运算放大电路和低通滤波电路 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 P4 DAC0832 VCC CSDA WR D0 VCC 7 5 6 2 411 LM324 9 10 8 3 411 LM324 12V 10K R2 5K R1 12V 12V 12V 100 R3 104 C6 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 1 2 VOUT1 1 2 VOUT2 图图 2 32 3 运算放大电路和低通滤波电路图运算放大电路和低通滤波电路图 LM324 的 5 管脚与 DAC0832 的 IOUT2 12 管脚相连 LM324 的 6 管脚与 DAC0832 的 IOUT1 11 管脚相连 LM324 的 7 管脚与 DAC0832 的 REF 9 管脚相连 第一级运算放大器的作用是将 DAC0832 输出的电流信号转化为电压信号 V1 第二 级运算放大器的作用是将 V1 通过反向放大电路 R2 R1 倍 题目要求输出的电压在 0 5V 可调 而 V1 的电压大约是 5V 所以 R1 选择 5K 的电 阻 R2 选择 10K 的电位器 这样最大的输出电压为 5 10 2 10 最小电压为 0 可 以实现题目要求的 0 5V 在第二个运算放大器的输出端连了一个低通滤波器 如果不加低通滤波器 也能够 生成波形 但是产生的信号中毛刺很多 加一个低通滤波器不仅起到的滤波的作用 还 起到了平滑的作用 低通滤波器的截止频率 F 1 2 pi R3 C6 这里我们选择 R3 为 100 欧姆电阻 C6 为 104 电容 截止频率 F 16KHZ 实验表明 此时的输出波形效果不错 2 4 系统软件设计系统软件设计 软件设计上 根据功能分了几个模块编程 模块主要有 主程序模块 外部中断 0 模块 外部中断 1 模块 2 4 1 主程序流程主程序流程 主程序先是进行一些初始化的工作 然后根据波形标志 a b c d e 的值进入相应的 while 循环 这样写的好处是输出的波形频率可以 790 多 HZ 在 while 循环中 单片机 根据地址标志位不停的查表 然后把查得的值赋给 DAC0832 的数据口 然后地址标志位 加一 并判断地址标志位是否等于 64 如果是就置 0 再往下执行 如果不是直接往下执 行 然后根据频率标志位进行相应的延时 如图 2 4 所示 第 2 章 单元电路设计与分析 9 初始化 开始 根据地址标志位查表 while循环 输出数字量给 DAC0832数据口 根据a b c d e的值进入相 应的while循环 地址标志位加1 地址标志位是 否等于64 否 地址标志位置0 相应延时 对应频 率 图图 2 42 4 主程序流程图主程序流程图 2 4 2 中断服务程序中断服务程序 本程序中两个外部中断分别起到了控制波形和频率的作用 在程序中还加入了消抖 部分 如下图 2 5 所示 外部中断1 是否有中断信 号 是 否 频率标志位加1 频率标志位是 否等于8 是 否 频率标志位置0 根据频率标志做 相应处理 外部中断0 是否有中断信 号 是 否 波形标志位加1 波形标志位是 否等于5 是 否 波形标志位置0 根据波形标志做 相应处理 图图 2 52 5 中断服务程序图中断服务程序图 第 3 章 安装调试及测量数据分析 10 第第 3 章安装调试及测量数据分析章安装调试及测量数据分析 3 1 调试过程调试过程 1 不通电 用万用表根据电路图仔细检查各线路连接是否正常 2 首先是调试单片机部分 DA 和运算放大器芯片不接 用 STC ISP V483 软件通 过串口下程序 看是否可以正常下程序 3 当可以正常下程序时 给 51 单片机下一个让所有 I 0 口一会儿输入 0 延时 再 输出 1 以此类推 用万用表测量各 I O 口得电压是不是一会儿高 一会儿低 4 安上 DA 和运算放大器芯片 给单片机下一个输出正弦波的测试程序 通过示波 器看输出是否正常 5 给单片机下一个完整的程序 分别按下 S1 看波形是否改变 按下 S2 看频率 是否改变 3 2 频率的测量数据频率的测量数据 表表 3 1 频率测量表频率测量表 周期T2T3T4T5T6T7T8T 理论值798 6399 3266 2199 7159 7133 1114 199 8 实际值798 6399 6266 5199 9159 9133 3114 299 9 3 3 出现的问题与解决的方法出现的问题与解决的方法 1 调试单片机的串口时 发现不能正常的下程序 我想可能是单片机坏了借了一块 学习板测试了一下单片机芯片 发现可以正常下载 这说明很可能是 MAX232 的电路出 了问题 我仔细查看了电路图 又上网查了下其他的 MAX232 的电路图 发现我的电路 图和别人的不一样 我是按照郭天翔的那本 新概念 51 单片机 C 语言教程 入门 提高 开发 拓展全 第 130 页的串口电路画的图 电路图中 MAX232 的 TIOU1 接串口的第 3 脚 而其他书上有些电路图却是 MAX232 的 TIOU1 接到了串口的第 2 脚 于是我将 MAX232 的 TIOU1 接串口的第 2 脚 再下程序 终于可以正常下载了 2 刚开始写的测试程序输出的波形失真很大 我想可能是波形的 ROM 表里的数据 值过小 导致 DA 输出的误差很大 因而卧将波形的 ROM 表里的数据值调大 在测试时 第 3 章 安装调试及测量数据分析 11 发现波形变得好多了 3 调试波形的时候我发现矩形波的失真比较大 我想到可能是低通滤波器的截止频率 太低了 因而我将 RC 低通滤波器的电阻由 1K 换成了 100 欧姆 效果好了很多 3 4 系统仿真波形系统仿真波形 矩形波 图图 3 13 1 矩形波图矩形波图 锯齿波 图图 3 23 2 锯齿波图锯齿波图 正弦波 图图 3 3 3 3 正弦波图正弦波图 3 5 效果分析效果分析 由 3 1 的频率理论值与实际值 可知频率在 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 上频率误差很小 最终的波形输出效果也很不错 3 6 测量仪器测量仪器 主要测量仪器为示波器 直流稳压电源 万用表 结论 12 结 论 通过大约三个月的研究设计和调试 实现系统的正常工作并且基本上达到了预期的 设计目标这样一个过程 使我学到了很多知识 积累了许多宝贵的经验 锻炼了自己的 独立思考能力和实际动手能力 学会了如何综合实施一个工程项目的研究与设计 毕业论文课题是基于单片机控制函数信号发生器 在这次设计过程中我在董老师和 同学们的帮助下完成了此课题 由于我们专业知识不是很扎实 我们遇到很多问题 还 好在董老师的多次指导下我才能完成这次毕业论文 在这过程中我深刻体会到专业知识 的欠缺和知识的重要性 虽然本方案设计的系统基本上符合课题的要求但是还有一些不足之处如下 1 锯齿波的产生是根据数组表产生的而不是通过自增或者自减产生 2 正弦波的频率不够精准误差较大等 基于单片机的信号发生器设计 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模数转换器 DAC0832 产生所需要的电流 然后使用运算放大器 LM324 可以将其电流输出线性地转换成电压输出 再将电压经过运算放大器的放大 可 以得到足够幅度的信号 通过程序的控制 可以产生一系列有规律的波形 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 最终做出来的信号发生器满足了题目中的所有要求 1 产生三种波形 正弦波 矩形波 锯齿波 2 最大频率为 798 6HZ 并且频率可按按 1T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 变化 3 幅度可调 峰峰值在 0 5V 之间变化 当然还是存在不足的地方 比如不能实现频率的按一个小的步进调整 并且当频率太 小时矩形波会有些失真 信号发生器可以生成更多的波形 只需要再加些波形表即可 参考文献 13 参考文献参考文献 1 刘坤 51 单片机 C 语言应用开发技术大全 M 人民邮电出版社 2008 09 2 寇戈 蒋立平 模拟电路与数字电路 第二版 电子工业出版社 3 康华光 电子技术基础 第五版 高等教育出版社 4 张毅刚 新编 MCS 51 单片机应用设计 M 哈尔滨工业大学出版社 2003 5 余小平 奚大顺主编 电子系统设计基础篇 第二版 北京航空航天大学出版社 6 王晓光 单片机在低频信号发生器中的应用 J 工业仪表与自动化 2003 2 7 陈坚 单片机低频信号发生器 J 华东地质学院学报 1999 8 戚勇 数字式低频信号发生器的软件设计 J 山东理工大学学报 2007 9 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛训练教程 电子工业出版社 2005 01 致谢 14 致 谢 在江苏信息职业技术学院的三年学习时间即将过去 三年时间并不算长 但对我而 言 是磨砺青春 挥洒书生意气的三年 也是承受师恩 增长才干 提高学识的三年 在此 谨对培育我的母校 教导我的老师 帮助我的同学们致予最诚挚的谢意和敬意 为此要感谢教研室的诸位老师三年来对我细心的培养 教给了我专业知识为我们学 生进入社会打下坚实的基础 做毕业设计的过程中老师给出了不少指导意见 让我少走了不少的弯路 比如说在 画程序流程图的时候 开始我没掌握正确的规律 后来在老师的指导下才顺利的完成了 董老师他渊博的知识 开阔的视野给了我深深的启迪 论文凝聚着他的血汗 他以严谨 的治学态度和敬业精神深深的感染了我对工作学习产生了深深的影响 在此我向董老师 表示衷心的谢意 感谢这篇论文所涉及到的各位学者 本文引用了数位学者的研究文献 如果没有各 位学者的研究成果的帮助和启发 我将很难完成本篇论文的写作 感谢我的同学和朋友 在我写论文的过程中给予我了很多你问素材 还在论文的撰写和排版等过程中提供热情 的帮助 在毕业之际 我衷心地祝愿同学和朋友们在以后的人生道路上越走越宽广 也深深 相信在未来的日子里我们将一路携手前行 会遇到很多的碰撞和交流 我们将始终记得 我们曾在江苏信息职业技术学院同窗学习 这将是我克服困难 不断前进的精神动力 附录 A 总电路 15 附录附录 A 总电路图总电路图 图图 A 1A 1 总电路图总电路图 附录 B 源程序 16 附录附录 B 源程序源程序 include define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit csda P2 2 sbit wr P2 1 sbit s1 P3 2 sbit s2 P3 3 uchar k 0 p 0 delay 0 uchar bxxz 0 pinglv 0 uchar a 1 b 0 c 0 d 0 e 0 uchar code sin 64 135 145 158 167 176 188 199 209 218 226 234 240 245 249 252 254 254 253 25 1 247 243 237 230 222 213 204 193 182 170 158 146 133 121 108 96 84 72 61 50 41 32 24 17 11 7 3 1 0 0 2 5 9 14 20 28 36 45 5 5 66 78 90 102 114 128 uchar code juxing 64 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 25 5 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 255 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 uchar code juchi 64 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101 10 5 109 113 117 121 125 130 134 138 142 附录 B 源程序 17 146 150 154 158 162 166 170 174 178 182 186 190 194 198 202 206 210 215 21 9 223 227 231 235 239 243 247 251 255 uchar code tixing 64 0 13 26 39 52 65 78 91 104 117 130 143 156 169 182 195 208 221 234 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 247 242 229 216 203 190 177 164 151 138 125 112 99 8 6 73 60 47 34 21 8 uchar code sanjiao 64 0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128 136 144 152 160 168 176 1 84 192 200 208 216 224 232 240 248 248 240 232 224 216 208 200 192 184 176 168 160 152 144 136 128 120 112 10 4 96 88 80 72 6