简易信号发生器.doc

课程设计报告课程 电 子 综 合 设 计 题目 简 易 信 号 发 生 器 系 别 物 理 与 电 子 工 程 学 院 年 级 08级 专 业 电子信息工程 班 级 1 学 号 学生姓名 指导教师 周平 职 称 讲 师 设计时间 2011.12.10 2012.1.12 目录第一章 绪论31.1课题的背景31.2课题的意义31.3课题的发展状况4第二章 系统设计52.1课题研究方案52.2系统功能的概述5第三章 系统硬件设计73.1系统硬件的总体设计概述73.2系统各个模块设计73.2.1单片机最小应用系统系统模块73.2.2D/A转换模块93.2.3放大模块103.3PCB的设计113.3.1创建新元件113.3.2自动布线与指定网络布线113.3.3PCB图11第四章 系统软件的设计124.1系统总体控制功能图124.2各波形形成的过程12第五章系统调试165.1硬件系统的调试165.2各功能模块软件调试165.3硬件实物图16第六章 心得与体会17参考文献18附录119附录220附录323第一章 绪论1.1课题的背景随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、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、多功能、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，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，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，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。 但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。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。1.2课题的意义便携式和智能化越来越成为仪器的基本要求，对传统仪器的数字化，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，D/A转换，单片机（51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。1.3课题的发展状况波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，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、正弦、方波、三角等波形。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径之一，不用依靠单片机。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，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。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。第二章 系统设计2.1课题研究方案方案一：用分立元件组成的函数信号发生器通常是单函数信号发生器，且频率不高，工作不是很稳定，而且不易调试，虽然结构很简单，制作容易，但是输出的信号频率线性度差、频率稳定度低、频率稳定度低、频率分辨率低、频率变换时间比较长，相位的噪声大以及人机界面不友好等缺点。方案二：可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更过的则是应用专门的函数信号发生器IC，如8038等，它们功能较少而且精度不高，频率上限不高，调节方式也不够灵活，频率和占空比也不能独立调节，二者相互影响。方案三：利用专用直接数字合成DDS芯片的函数信号发生器，能产生任意波形并能达到很高的频率，但是成本较高，从成本上考虑，不适合选择这么昂贵的芯片。方案四：利用常用的单片机AT89C51和常用的数模转换芯片DAC0832结合，在利用运放LM324转化为模拟电压，通过按键输入给单片机控制不同波形的输出，其体积小，成本低，功率小。综合考虑，方案四各项性能和指标都优于其他几种方案，能使输出频率有较好的稳定性，充分体现了模块化设计的要求，而且这些芯片及器件均为通用器件，在市场上较常见，价格也低廉，样品制作成功的可能性比较大，所以本设计采用方案四。2.2系统功能的概述本系统中所应用的控制芯片为AT89C51,这个单片机用于产生最初的信号源，通过单片机循环产生数据，再将数据传给数模转换芯片。单片机通过内部程序控制给出数据的频率，从而控制整个系统的信号输出频率。单片机送给数模转换芯片DAC0832的数据通过内部器件转换成模拟信号输出，这是输出的是数字信号，需要通过运算放大器转化为模拟信号，如果要得到双极性的信号，那么就要通过两级运放转化。其系统框图如图1-1。按键复位电路AT89C51D/A转换芯片电流电压转换电流波形输出晶振电路图1-1第三章 系统硬件设计3.1系统硬件的总体设计概述本系统主要是应用在实验室的信号的地要求，对于不同的实验需要有不同的波形需求，在实验条件要求不高的情况下，比如一定的脉宽调制，需要一定频率的方波进行调节，这时需要一个简单的方波，而本系统正好能够提供这样一种波形，还有其他一些条件下都可以通过本系统的控制来调节。本系统提供了五种不同的波形输出，通过五个按键控制相应的方波，锯齿波，梯形波，三角波和正弦波。每次只能有一个键按下，没有按键按下时没有波形产生，按键输入信号给单片机，单片机对按键的情况进行处理，例如第一个按键按下时，系统需要产生一个方波，那么单片机循环输出0和1，那么通过DAC0832就通过运放循环输出高低电平，这样系统就能够输出方波，同样的道理，锯齿波、三角波、正弦波的产生也可以采用相似的道理。本设计的硬件系统分为三个模块：单片机最小应用系统模块，D/A转换模块，放大器模块。3.2系统各个模块设计3.2.1单片机最小应用系统系统模块单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路.下面给出一个51单片机的最小系统电路图（图3-1）。图3-1本系统采用的单片机芯片是AT89C51。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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MCS-51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AT89C51是一种高效微控制器。图3-1是常用的一种单片机，型号为AT89C51，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3-1MCS-51单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位（如图3-2(a)）和按钮复位(如图3-2(b)两种方式。图3-2晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。3.2.2D/A转换模块DAC0832是CMOS工艺制造的8位D/A转换器，属于8位电流输出型D/A转换器，转换时间为1us，片内带输入数字锁存器。DAC0832与单片机接成数据直接写入方式，当单片机把一个数据写入DAC寄存器时，DAC0832的输出模拟电压信号随之对应变化。利用D/A转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、正弦波、锯齿波等以及它们组合产生的复合波形和不规则波形。DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换电路组成。输入寄存器和DAC寄存器作为双缓冲，因为在CPU数据线直接接到DAC0832的输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在CPU执行输出指令的瞬间内，输入寄存器可用于保存此瞬间出现的数据。有时，微机控制系统要求同时输出多个模拟量参数，此时对应于每一种参数需要一片DAC0832，每片DAC0832的转换时间相同，就可采用DAC寄存器对CPU分时输入到输入寄存器的各参数在同一时刻开始锁存，进而同时产生各模拟信号。微处理器与DAC0832之间可以不加锁存器，而是利用DAC0832内部锁存器，将CPU通过数据总线直接向DAC0832输出的停留时间很短的数据保存，直至转换结束。本系统D/A转换电路图3-4。图3-43.2.3放大模块DAC0832的数据输出方式在微机应用系统中,通常使用的是电压信号,而DAC0832输出的是电流信号，这就需要由运算放大器组成的电路实现转换。系统中使用的运放为LM324。LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。系统中的电路图如图3.所示，VOUT为系统的输出双极性波形。图3-53.3PCB的设计3.3.1创建新元件利用向导创建PCB新元件。可以执行菜单命令【Tools】/【New Component】或单击元件编辑浏览器上的【Add】按钮，在所出现的图上单击【NEXT】，进入PPCCBB元件向导设定元件的外形形式，如设定焊盘尺寸、新元件引脚的相对位置与间距、线宽、改变引脚的数目、文件名称的设置等，就可以自动产生一个PCB元件。3.3.2自动布线与指定网络布线PCB板的制作过程要把自动布线、指定网络布线、手工布线、手工导线调整结合起来使用。敷铜的应用：具体的实现方法可以执行菜单命令【Place】/【Polygon Plane】，在出现的对话框中对敷铜属性进行设置。包地的应用：执行菜单命令【Tools】/【Outline Selected Objects】即可。补泪滴的应用：泪滴是指导线与焊点或导线的连接处的过度区域。此区域通常设计为泪滴形状，是为了防止在钻孔的时候的应力集中而使接触处断裂。3.3.3PCB图图3-6第四章 系统软件的设计4.1系统总体控制功能图程序是本设计中的重点。单片机的功能与它的程序有很大关系，本设计中，为实现输出三种波形，要使单片机定时向数模转换器发送数据，数据的不同将实现不同的波形输出。软件系统框图如图4-1开始、初始化扫描键盘电路有键按下吗调用相应子程序其他键按下了吗调用相应子程序图4-1NN图4-14.2各波形形成的过程方波的形成过程方波发生程序运用延时的方法实现，只用一个主程序即可，因为产生一个方波只需要高低两个数，所以程序比较简单。要给一个频率，再计算所需的延时即可。实现方波的程序如下：void fang() int i;for(i=0;i=0;i-)DAC0832=255;锯齿波形成过程锯齿波中的斜线用一个个小台阶来逼近，在一个周期内从最小值开始逐步递增，当达到最大值后又回到最小值，如此循环，当台阶间隔很小时，波形基本上近似于直线。适当选择循环的时间，可以得到不同周期的锯齿波。锯齿波发生原理与方波类似，只是高低两个延时的常数不同，所以用延时法，来产生锯齿波。void jvchi() unsigned char i; for(i=0;i255;i+) DAC0832=i; 正弦波的产生的基本原理DAC0832是8位的D/A转换器件，其工作电压是05V，当输入00数字量的时候，输出为0V电压；当输入80数字量的时候，输出为2.5V电压；当输入FF数字量的时候，输出为5V电压。单片机的I/O输出均为+5 V的TTL电平，因此产生的正弦波幅值为+2.5 V。将一个周期内的正弦波形等分为256份，那么第1点的角度为0，对应的正弦值为2.5sin0；第2点的角度为360/256，对应的正弦值为2.5sin （360/256 ） ，如此计算下去，将这些模拟量正弦值都转换为单极性方式下的数字量，得到一张按照点号顺序排列的正弦波波形，其数值如附录2中所示。而每次送到LM324的八位数字量是根据查正弦波形数据表格而得到。其实在计算正弦波形数据的时候，并不需要算出整个02区间的每一个值，而只需计算出0中的值就行，其他区间的值都可以通过对0中的值取不同的变换。比如的值可以和0值一一对应，而2的值可以对0区间的值取反得到。计算值可以用C语言编程得到。幅度公式为Y=2.51+sin() （N=0,1,264）相应的Y值数字化后的递增量=0.0196那么每一个点相对于起一个点的递增率为A= （Y2当前的点，Y1为前一个点）所以每一个点的数字量与递增率A成一一对应关系。数字量化C程序：#includemain()int n，i=0，j，k； float y=0， a=3.1415926，b=0，c=2.5000，d=0； for(n=0；n=64；n+) y=2.5*sin(a*n/128)+2.5； b=y； /b，y为当前幅度值 d=b-c； /d为递增率 j=d/0.0196； /j为数字递增率,0.0196为 k=128+j； /k为数字量 printf(“%d，%f，%f，%d，%dn”，i，y，d，j，k)； i+；正弦波的形成过程void sin() unsigned int i; for(i=0;i256;i+) DAC0832=table2i; 三角波的形成过程由于三角波的函数值比较容易计算，所以不必要像正弦波那样还需用表格。可直接通过如下程序段实现。void tran() unsigned char i; for(i=0;i0;i-) DAC0832=i;第五章系统调试5.1硬件系统的调试按照电路图将各器件焊接到实验板上，在焊接过程中难免会出现短路或断路的现象，这就需要对焊接完的硬件电路进行调试。首先，用焊接完的实物和电路图进行对照，找出是否有遗漏或者接错的地方，如有发现及时更正。其次，用万用表检查电路中是否有短路和断路的现象，并检查所有的电源线是否导通，所有的地线是否导通。再次，将电路分成多个小模块，并且编辑一些专门的小程序，来检测它们是否正确。最后，接通电源，用万用表检测各部分电路的电压和电流是否正常。5.2各功能模块软件调试硬件电路检查无误后，需要对系统的各个模块进行软件与硬件相结合的调试。本设计使用的是WAVE系列仿真器，将仿真器接入硬件电路中，并和电脑的串行口工作。如果电路工作不正常，那么将程序设置几个断点，并单步运行程序，找出程序的错误及时更正。5.3硬件实物图图5-1第六章 心得与体会这次的电子设计实训即将结束，在这次的设计中由于但基本理论知识的有限和实践经验的不足，使得本设计还存在着一些不足与缺陷但基本完成了对波形的控制。通过这次的课程设计，我们知道了信号发生器在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。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。例如在通信、广播、电视系统中都需要射频发射，这就需要信号发生器，在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振图像等，都需要功率或大或小、频率或高过低的信号。在现代社会中，自动化技术早已渗透到社会生产的各个领域中，高精度、宽频率、高稳定性的信号发生器对于所属整体系统的性能改善和提高起着至关重要的作用。而我们这次所设计的简易信号发生器只基本实现波形的输出，对于生活，工作中的信号发生器来说只是基础。在这次课程设计中，焊接与调试的过程不是一帆风顺的，有很多的问题都是自己摸索和在与同学交流的过程中得到了解决。在设计的过程中，我们总是无法获得四种波形，多次检查硬件电路的接线问题，和同学交流，网上搜索硬件控制，进行多种尝试，完成了设计并调试成功。在调试多次后，发现自己的波形不稳定，在三种波形之间转换时会出现反复的情况，在请教老师后，对电路进行了多次的尝试性修改，如对程序进行一些跳转上的优化，终于产生了稳定的波形。焊接与调试过程是发现问题的过程，这要求我们耐心和心细，有一种严谨的科学态度，以能够更好的实现我们的设计。在这次毕业设计中，我是受益非常多的。在老师的指导下同学的帮助下，不仅了解许多关于自动控制和单片机程序编写的知识，并且能够运用这些知识进行温度系统的弱点对强电的自动控制，进一步研究，分析，掌握系统功能，特性，解决一些实际的问题。为以后的学习道路打下了坚实的基础。参考文献1 康光华.电子技术基础 模拟部分.高等教育出版社. 11252 康光华.电子技术基础 数字部分.高等教育出版社. 0483 李华.MCS-51单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社. 23454 刘文涛.单片机语言C51典型应用设计.人民邮电出版社. 22555 尹建华.微型计算机原理与接口技术.北京：高等教育出版社.2003 801206 英国Guiyun Tian.单片机原理及应用（英文版）高等教育出版社50907 李刚,林凌,王炎.新概念单片机教程.天津大学出版社. 31458 李全利,迟荣强.单片机原理及接口技术.高等教育出版社. 15559 赵文博,刘文涛.单片机语言C51典型程序设计.人民邮电出版社. 315610 李刚.51系列单片机系统设计与应用技巧.北京航空航天大学出版社. 284511 张毅刚.MCS51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社. 7010312 李朝青.单片机原理与接口技术.北京：航空航天大学出版社1999 6195附录1附录2#includereg52.h #includeabsacc.h#define DAC0832 XBYTE0x0000#define P2.0=0unsigned int code table2=64,67,70,73,76,79,82,85,88,91,94,96,99,102,104,106, 109,111,113,115,117,118,120,121,123,124,125,126,126, 127,127,127,127,127,127,127,126,126,125,124,123,121, 120,118,117,115,113,111,109,106,104,102,99,96,94,91, 88,85,82,79,76,73,70,67,64,60,57,54,51,48,45,42,