信号发生器的设计与制作.doc

毕业设计 论文 毕业设计 论文 设计 说明书 题目设计 说明书 题目 信号发生器的设计与制作信号发生器的设计与制作 学学 院 院 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 学生姓名 学生姓名 林烨淦林烨淦 专业班级 专业班级 0909 应用电子应用电子 2 2 班班 学学 号 号 20091082062009108206 指导教师 指导教师 葛建新葛建新 20112011 年年 5 5 月月 1010 日日 毕业设计 论文 毕业设计 论文 2 目录 摘要摘要 3 3 第第 1 1 章章 方案与设计方案与设计 4 4 1 11 1 设计和创作设计和创作 5 5 1 21 2 多功能波形发生器的技术指标多功能波形发生器的技术指标 5 5 1 31 3 操作设计操作设计 5 5 第第 2 2 章章 硬件组成部分硬件组成部分 6 6 2 12 1 单片机模块单片机模块 6 6 2 22 2 键盘显示器接口电路键盘显示器接口电路 7 7 2 32 3 D AD A 电路电路 7 7 2 42 4 电源电路电源电路 8 8 第第 3 3 章章 软件结构软件结构 9 9 3 13 1 人机交互模块人机交互模块 1010 3 1 1 LED 显示子模块 10 3 1 2 键盘输入处理子模块 11 3 23 2 波形产生模块波形产生模块 1717 第第 4 4 章章 总结总结 1919 致谢致谢 2020 参考文献参考文献 2121 毕业设计 论文 毕业设计 论文 3 附录一附录一 总电路图总电路图 2222 附录二附录二 PROTEUSPROTEUS 仿真波形截图仿真波形截图 2323 附录三附录三 实物图实物图 2525 毕业设计 论文 毕业设计 论文 4 摘要摘要 波形发生器即简易函数信号发生器 是一种能够产生多种波形 如三角波 方波 正弦波等波形的电路 函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分 广泛的用途 通过对函数波形发生器的原理以及构成分析 可设计一个恩能够变 换出三角波 正弦波 方波的函数波形发生器 在工业生产和科研中利用函数信 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 波形发生器是一种常用的信号源 广泛地应用于电子电路 自动控制系统和 教学实验等领域 本多功能波形发生器设计使用的 AT89S51 单片机和键盘电路作 为核心控制 8255 作为显示芯片 双 DAC0832 控制输出波形参考幅值构成的发生 器可产生锯齿波 三角波 正弦波等多种波形 波形的频率 幅值根据内部程序 设定的参考值 利用键盘控制输出相应的波形 具有线路简单 结构紧凑等优点 关键词 关键词 AT89C51 DACO832 8255 毕业设计 论文 毕业设计 论文 5 第第 1 1 章章 方案与设计方案与设计 方案一 采用函数信号发生器 ICL8038 集成模拟芯片 它是一种可以同时产 生方波 三角波 正弦波的专用集成电路 但是这种模块产生的波形都不是纯净 的波形 会寄生一些高次谐波分量 采用其他的措施虽可滤除一些 但不能完全 滤除掉 方案二 采用 AT89C51 单片机和 DAC0832 数模转换器生成波形 由于是软件 滤波 所以不会有寄生的高次谐波分量 生成的波形比较纯净 它的特点是价格 低 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 方案二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 11 1 设计和创作设计和创作 1 以单片机 STC12C5A60S2 为控制核心 2 采用 DAC0832 作为数模转换电路元件 3 经过运放把完整的波形输出 1 21 2 多功能波形发生器的技术指标多功能波形发生器的技术指标 1 波形类型 方型 正弦波 三角波 锯齿波 2 幅值电压 1V 2V 3V 4V 5V 3 频率值 10HZ 20HZ 50HZ 100HZ 200HZ 500HZ 1KHZ 4 输出极性 双极性 1 31 3 操作设计操作设计 1 机器通电后 系统进行初始化 LED 在面板上显示 6 个 0 表示系统处于初始 状态 等待用户输入设置命令 此时 无任何波形信号输出 2 用户按下 F V W 可以分别进入频率 幅值波形设置 使系统进入设 置状态 相应的数码管显示 一 此时 按其它键 无效 3 在进入某一设置状态后 输入 0 9 等数字键 数字键仅在设置状态时 有效 为欲输出的波形设置相应参数 LED 将参数显示在面板上 4 如果在设置中 要改变已设定的参数 可按下 CL 键 清除所有已设定参数 毕业设计 论文 毕业设计 论文 6 系统恢复初始状态 LED 显示 6 个 0 等待重新输入命令 第第 2 2 章章 硬件组成部分硬件组成部分 通过综合比较 决定选用获得广泛应用 性能价格高的常用芯片来构成硬件 电路 单片机采用 MCS 51 系列的 89C51 一块 74LS244 和 74LS373 各一块 反 相驱动器 ULN2803A 一块 运算放大器 LM324 一块 波形发生器的硬件电 路由单片机 键盘显示器接口电路 波形转换 D A 电路和电源线路等四部分 构成 图 2 1 2 12 1 单片机模块单片机模块 1 功能 1 形成扫描码 键值识别 键功能处理 完成参数设置 2 形成显示段码 向 LED 显示接口电路输出 3 产生定时中断 4 形成波形的数字编码 并输出到 D A 接口电路 AT89C51 LED 显示 键盘 D A运放 键盘输入控制 毕业设计 论文 毕业设计 论文 7 2 如图 2 1 所示 89C51 的 P0 口和 P2 口作为扩展 I O 口 与 8255 0832 74LS373 相连接 可寻址片外的寄存器 单片机寻址外设 采 用存储器映像方式 外部接口芯片与内部存储器统一编址 89C51 提供 16 根 地址线 P0 分时复用 和 P2 P2 口提供高 8 位地址线 P0 口提供低 8 位地 址线 P0 口同时还要负责与 8255 0832 的数据传递 P2 7 是 8255 的片选信 号 P2 6 是 0832 1 的片选 P2 5 是 0832 2 的片选 低电平有效 P0 0 P0 1 经过 74LS373 锁存后 送到 8255 的 A1 A2 作 片内 A 口 B 口 C 口 控制口等寄存器的字选 89C51 的 P1 口的低 4 位连接 4 只发光三极管 作为波形类型指示灯 表示正在输出的波形是什么类型 3 单片机 89C51 内部有两个定时器 计数器 在波形发生器中使用 T0 作为中 断源 不同的频率值对应不同的定时初值 定时器的溢出信号作为中断请求 控制定时器中断的特殊功能寄存器设置如下 定时控制寄存器 TCON 00010000 工作方式选择寄存器 TMOD 00000000 中断允许控制寄存器 IE 10000010 2 22 2 键盘显示器接口电路键盘显示器接口电路 1 功能 1 驱动 6 位数码管动态显示 2 提供响应界面 3 扫面键盘 4 提供输入按键 2 由并口芯片 8255 锁存器 74LS273 74LS244 反向驱动器 ULN2803A 6 位 共阴极数码管 LED 和 4 4 行列式键盘组成 8255 的 C 口作为键盘的 I O 接口 C 口的低 4 位输出到扫描码 高 4 位作为输入行状态 按键的分布如图所示 8255 的 A 口作为 LED 段码输出口 与 74LS244 相连接 B 口作为 LED 的位选信号 输出口 与 ULN2803A 相连接 8255 内部的 4 个寄存器地址分配如下 控制口 7FFFH A 口 7FFFCH B 口 7FFDH C 口 7FFEH 毕业设计 论文 毕业设计 论文 8 2 32 3 D AD A 电路电路 1 功能 将波形样值的数字编码转换成模拟值和完成单极性向双极性的波形 输出 2 构成由两片 0832 和一块 LM324 运放组成 0832 1 是参考电压提供者 单片机向 0832 1 内的锁存器送数字编码 不同的编码会产生不同的输出值 在本发生器中 可输出 1V 2V 3V 4V 5V 等五个模拟值 这些值作为 0832 2 的参考电压 使 0832 2 输出波形信号时 其幅度是可调的 0832 2 用于产生各种波形信号 单片机在波形产生程序的控制下 生成波 形样值编码 并送到 0832 2 中的锁存器 经过 D A 转换 得到波形的模拟 样值点 假如 N 个点就构成波形的一个周期 那么 0832 2 输出 N 个样值点 后 样值点形成运动轨迹 就是波形信号的一个周期 重复输出 N 个点后 由此成第二个周期 第三个周期 这样 0832 2 就能连续的输出周期变 化的波形信号 运放 A1 是直流放大器 运放 A2 是单极性电压放大器 运放 A3 是双极性驱动放大器 使波形信号能带得起负载 地址分配 0832 1 DFFFH 0832 2 BFFFH 2 42 4 电源电路电源电路 1 功能 为波形发生器提供直流能量 2 构成由变压器 整流硅堆 稳压块 7805 组成 220V 的交流电 经过开关 保险管 1 5A 250V 到变压器降压 由 220V 降为 10V 通过硅堆将交流电 变成直流电 对于谐波 用 4700 F 的电解电容给予滤除 为保证直流电压 稳定 使用 7805 进行稳压 最后 5V 电源配送到各用电负载 毕业设计 论文 毕业设计 论文 9 第第 3 3 章章 软件结构软件结构 在波形产生器系统中 程序由人机交互模块和波形产生模块组成 人机交互 模块又可分成键盘子模块和 LED 子模块 人机交互模块作为主程序 管理单片机 系统 波形发生模块作为中断服务程序 实现系统的波形输出 图图 3 13 1 如图 3 1 所示 A 是波形发生器的主流图 由系统初始化和人机交互模块 组成 其中 LED 显示子模块和键盘输入处理子模块占用单片机主要处理时间 单 片机反复运行该模块程序人机交互模块相当于系统的监控程序 B 是定时中 断服务流程图 波形发生模块放置在定时中断服务程序中 系统每隔一定时间 产生一个定时中断 暂停主流程运行 转到定时中断服务程序起始处 执行波形 发生模块 该模块输出一个样值后 结束此次中断服务 返回主流程断点处继续 运行 反复多次定时中断服务 从而完成波形生成 片内 RAM 有 128B 的容量 主流程 初始化 LED 显示 键盘输入处理 判断波形 方 波 正 弦 波 三 角 波 锯 齿 波 中断返回 定时中断开始 毕业设计 论文 毕业设计 论文 10 30H 3FH 定义为堆栈区 40H 45H 定义为 LED 显示缓冲储存区 40H 存放波形编号 41H 44H 存放频率值 45H 存放参考电压值 46H 定义为设置标志区 3 13 1 人机交互模块人机交互模块 3 1 13 1 1 LEDLED 显示子模块显示子模块 在单片机内部 RAM 中的 40H 45H 是 LED 显示器的显示缓冲区 40H 的内容送 到左边的第一只数码管显示 41H 的内容送左边的第二只数码管 45H 的内 容送左边的第六只数码管 最后一位 显示缓冲区的内容如何形成可以显示的 段码呢 在设计中 我们采用查表的方式来形成 编写程序前 根据共阴极 LED 显示器的工作原理 确定显示数字 1 2 3 8 9 的段码 将它们按大小 顺序编制成显示码表 存于 ROM 中 在编程时 可以由显示缓冲区内的数字 通 过查表的方法得到相应的段码 显示子模块的程序流程图如图 3 2 所示 LED 显示初始化 向 8255 的 B 口送位选 信号 形成下一次位选 信号 通过查表 将数字转换成显示 段码 送 8255 的 A 口 延时 形成下一位显示数字 的地址 显示 6 次吗 结束 开始 毕业设计 论文 毕业设计 论文 11 图 3 2 子流程图 3 1 23 1 2 键盘输入处理子模块键盘输入处理子模块 在具体实现时 键值识别部分作为主程序 键功能处理部分作为子程序 它 们之间的关系是主程序调用子程序 键盘的工作过程 1 扫描键盘 获得列扫描码和行状态码 从而确定被按下的按键的键值 2 根据键值 通过散转表 跳转到相应的键功能处理部分 3 进入键处理部分 完成键功能 4 完成一次键输入工作 通过键盘对单片机系统进行设置 每按一次键 键盘都会有上述的处理过程 每 次仅能完成一个键功能 在实际设置波形参数时 一个参数需要多个键功能来实 现 那么相应的键盘也要多次完成键值识别 跳转键处理的工作过程 工作过程 如图 3 3 和图 3 4 所示 散转表 0 键 处 理 1 键 处 理 9 键 处 理 En 键 处 理 CL 键 处 理 F 键 处 理 V 键 处 理 W 键 处 理 返回键盘输入主程序 键 处 理 开始 毕业设计 论文 毕业设计 论文 12 图 3 3 键闭合查询 闭合 去抖动 列扫描键盘 行状态有零吗 获取列码和行码 与键特征值比对 找到键值吗 等待释放 调用键功能处理 退出 形成下次列扫描码 扫描 4 次吗 形成下个键值 形成 下个特征 比对 16 次吗 开始 毕业设计 论文 毕业设计 论文 13 图 3 4 各功能键处理 设计如下 F 键的处理 进入 KEY F PRO 子程序段 将设置标志区 ROM46H 设为 01H 表示是频率参数设定 送 42H 到 R5 中 41H 是频率值显示缓冲区首址 将 ROM 中 41H 42H 43H 等存储单元送 0AH 使 LED 显示 0 最后退回到键盘主程序 处理流程图3 5 图 3 5 流程图 V 键处理 将设置标志区 ROM46H 存储单元 设为 02H 表示是参考电 压设定 将 ROM 中 46H 存储单元置为 0AH 使相应位的 LED 显示 处理流程 图 3 6 将设置标志 ROM46H 设 定为频率 01 RS 设定为 41H 返回扫描程序 开始 46H 02 返回扫描程序 开始 毕业设计 论文 毕业设计 论文 14 图 3 6 流程图 W 键处理 将设置标志区设为 03H 表示是波形编号设定 将 40H 存储单 元的内容置 0AH 使相应位的 LED 显示 处理流程图 3 7 图 3 7 流程图 0 9 键处理 首先查看设置标志区 46H 的内容 判断有无设置 若有设 置 则判断是频率设置 还是参考电压设置 或者是波形编号设置 确定是某种 设置 则进入设定操作 即将数字 0 9 送到显存相应的地址单元 如果无设 置 则直接退回到主程序 处理流程图 3 8 46H 03 返回扫描程序 开始 设置类 型 数字送显存 ROM41H 43 H 数字送显存 ROM45H 数字送显存 ROM40H 返回键盘扫描 程序 开始 毕业设计 论文 毕业设计 论文 15 图 3 8 流程图 CL 键处理 将显示缓冲区 ROM40H 45H 的内容全部清零 使 LED 显示 000000 将设置标志区 ROM46H 的内空清零 使其处于 无设置 状态 将定 时器 TO 的初值清零 并停止 TO 的定时运行 使定时器 TO 不工作 之后 退回 主程序 处理流程图 3 9 图 3 9 流程图 EN 键处理 首先检查 W V F 等参数值是否已全部设置 如果已经全部 设置 1 从 ROM45H 取出参考电压值 通过查表 获得电压的数字编码 送到 0832 1 产生输出 作为 0832 2 参考电压 2 从 ROM41H 43H 中取频率 值 判定该值 判定该值 根据判断结果 进入相应的程序段 实现 频率与定 时初值的转换 完成 TMOD 的设定和初值设定 3 开启定时中断 向 R6 赋于 样值 初始编号 最后 退回到主程序 处理流程图 3 10 显存内容清零 设置标志清零 定时初值清零 停止定时运行 返回扫描程序 开始 毕业设计 论文 毕业设计 论文 16 W V F 都设置 好了吗 向 0832 1 送电压编码 0832 1 输出参考电压 频率值判断 TMOD 设定 定时初值设定 开启定时中断 赋以样值初始编号 返回扫描程序 开始 毕业设计 论文 毕业设计 论文 17 图 3 10 流程图 3 23 2 波形产生模块波形产生模块 设计思想 1 将一个周期 T 的信号分离成 32 个点 按 X 轴等分 每面点之间的时间间隔 为 T 用单片机的定时器产生 2 一个周期被分离成 32 个点 对应的三种波形的 32 个数据存放在以 TAB1 TAB3 为起始地址的存储器中 中断服务流程如图 12 所示 保护现场 波形类型值送 R7 调用波形产生子程序 恢复现场 返回主程序 开始 毕业设计 论文 毕业设计 论文 18 图 3 11 中断服务流程图 图 3 11 波形产生流程图 查表获得样值编码 将样值编码送 0852 2 形成下一个样值编号 样值编号等于 32 吗 样值编号清零 R6 0 返回中断服务程序 开始 毕业设计 论文 毕业设计 论文 19 第第 4 4 章章 总结总结 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 本论文设计是基于单片机的信号发生器 主要是以软件为主 硬件为辅 能 实现输出正弦波 方波 三角波等波形 这次的意义在于亲手把自己所学单片机方面的知识用于实践 提高我们的动 手能力 也使我们能够初步掌握一些分析问题 解决问题的方法 也是我们感受 到理论问题转化到实际问题所要经过的过程和两者之间的差距 此题是老师出的题目 意义在于能用低的成本做出高效的产品 另外本人可通过 此项目提高自己的电子方面的知识及编程等等的能力 毕业设计 论文 毕业设计 论文 20 致谢致谢 毕业设计是我大学专科学习的过程向学校 社会交出的一张总结答卷 它不 仅是我对大学三年所学知识的总结 也是把所学知识融会贯通运用到实践中的一 次尝试 是衡量我三年学习成果的一个必要标准 通过此次的毕业设计 不仅使我深刻的巩固以往的所学习本专业的知识 也 实际熟练了本专业的技能操作 在毕业设计过程中 通过翻阅有单片机 红外遥 控等方面的书集 拓宽了我的知识面 并对单片机的知识有了总体的理解 经过 了反复思考的过程 这让我能够深刻的体会到基础的理论知识与实际实现还是存 在的差异 实际应用中还要考虑各个方面的因素 这给我以后的学习和工作奠定 了坚实的基础 在毕业设计即将结束之际 我要感谢我的指导教师葛建新老师 从毕业设计