基于单片机的低频信号发生器答题报告.doc

本科毕业设计（论文）开题报告论文题目： 基于单片机的低频信号发生器 学 生 姓 名： 李伟涛 学 号：100706112 二级学院名称： 电子信息学院 专 业： 电科 指 导 教 师： 钱晓岚 职 称： 讲师 合作/企业教师： 职 称： 填表日期： 2013 年 12 月 16 日 一、 选题的背景与意义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。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。但在某些场合，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。我国的单片机应用始于80年代，虽然发展迅速，但相对于世界市场我国的占有率还很低。到目前为止，由于我国的微电子技术和制造工艺都比较落后及国外单片机的竞争等原因，我国还没有设计生产出自己的单片机。国内的单片机目前注重的还只是低中档的应用，普遍采用的是8或16位的单片机，对宏单片机和DSP等高档的应用还处于初始阶段。在1980年以前，信号发生器全部属于模拟方式，借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。频率的变动由机械驱动可变元件，如电容器或谐振腔来完成，往往调节范围受到限制。1980年以后，数字技术日益成熟，信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路。数字合成技术使信号发生器变为非常轻便、覆盖频率范围宽、输出动态范围大、容易编程、适用性强和使用方便。到了二十一世纪，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近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成 v=f (t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如Visual Basic ,Visual C 等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。 （2）与VXI资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便。 （3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半实际应用前景低频信号在医学 电化学研究和实验教学中都有广泛的应用，尤其在电化学领域，电化学仪器配以方波 三角波 正弦波发生器，可以研究电化学系统各种暂态行为；配以慢的线性扫描信号或阶梯波信号，可以自动进行稳态极化曲线测量。然而市面上用于电化学领域的信号发生器很少，而基于51单片机的低频信号发生器可以满足电化学领域对于信号发生器的要求，在国内属于先进水平，且该信号发生器在低频时精度高失真小，性能稳定，电路结构简单，体积小的应用前景。二 研究的基本问题和拟解决的主要问题MCS-51系列单片机为核心,设计一个低频信号发生器。要求能输出0.150HZ的正弦波、三角波和方波信号,能方便的用键盘选择不同的输出并在LED显示器上显示。要解决的问题是波形要更好更平滑，要周期也要稳定，可调频率范围要够宽，想办法提高到更高的频率，同时幅度也要连续可调。三 研究的方法和技术线路硬件电路的实现原理与构思1采用AT89C51单片机和DAC0832芯片，直接连接键盘和显示图2-1。 P0 AT89C51P2P1 P3LCD 显示器4*4键盘D/A转换芯片图2-1 方案1电路原理图该种方案主要对AT89C51单片机的各个I/O口充分利用. P2.0-P2.3 和P3.0-P3.3是连接4*6的键盘, 在P0口接显示电路,P1口连接DAC0832输出波形.这样总体来说,能对单片机各个接口都利用上,而不在多用其它芯片,从而减小了系统的成本.也对按照系统便携式低频信号发生器的要求所完成.占用空间小,使用芯片少,低功耗。其缺点就是在考虑以后发展和改进的时候,单片机数据接口都被占用了,那么很难进行改进和进一步发展,在对系统驱动和数据的存储有一定的困难. 所有采用芯片8255对AT89C51进行扩展,其中使用74LS373来驱动,并且加了一个74LS138译码器,8255的PA口和12864LCD显示器连接,PB0-PB5和PC0-PC3连接4*6的键盘,AT89C51的P1连接DAC0832来显示波形.电路连接如图2-2.此方案主要用到了8255对单片机的扩展,在功耗低,型号小的要求下,用8255扩展,在本来I/O接口刚好够用的情况下,多余几个接口,以后在系统电路改进或发展上都有着很好的作用.在编辑程序上对各个I/O口地址上有了明确的划分.容易编程和改进电路.2键盘显示电路的构思由于本设计要求控制波形的幅度和频率，所需按键较多，所以设计选用P1口来扩展44键盘。由于44键盘的设计已很普遍，所以在本文中不加以介绍。本设计中要求用数码管显示输出信号的幅度和频率等信息，而这些信息在信号输出的时候是不需要时刻改变的，所以设计中选用静态数码管显示，由单片机的串行通信口输出显示数据。这样可以节省单片机的端口来做其它的用途，给予了装置可优化性。AT89C51单片机74LS16474LS164数码管数码管图 1.2显示电路方框图图中只给出两位数码管的显示，可以按要求任意扩展N位数码显示，每扩展一片74LS164，可以增加一位LED显示器。所要显示的数据由RXD串行发送出去，由74LS164转化为并行输出，再由LED显示。这样，在显示数据输送完毕之后，主程序可以不必扫描显示器，从而使CPU能用于其它工作。（二）软件设计的构思1幅度控制由于D/A数模转换器输出的最大幅度可以用其基准电压来控制，所以控制第二片D/A数模转换器输出给第一片D/A数模转换器的电压值就可控制信号幅度。因此，送入第二片的值是几个固定的值。由于DAC0832内部具有锁存器，所以只需向第二片D/A送值一次，直到下一次改变信号幅度。2频率控制单片机内部数据只有0、1之分，所产生的信号也都是离散信号。为了能够让单片机输出所需的数字信号，我们采用对信号采样、量化的方法来实现由单片机产生所需信号。在本设计中，对信号的四分之一周期采样19个幅度值，通过反复查表来输出幅度值，而整个信号是通过正查表和逆向查表来实现的。采样的点越密，信号失真度也就越小。两次采样点的输出时间间隔是由定时、计数器来控制的，因此，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，