基于单片机的任意信号发生器设计论文

摘要I摘要信号有着十分重要的作用，例如在通信、电视、广播等系统中都需要载波把视频、音频等信号运载出去。在通信领域、仪表测量领域中，信号也是必需的。此外，在其他非测量领域，信号也有着十分广泛的应用。而信号发生器作为一种信号源，可以产生矩形波、正弦波、三角波等标准周期信号以及用户自定义信号。因此，研制一种具有高精度、高稳定性、低成本等特点的任意信号发生器十分必要。本次设计是基于STC12C5A60S2单片机的任意信号发生器的设计。以单片机为核心，结合外围的数模转换电路、运放滤波电路、按键电路、LCD1602液晶驱动电路、复位电路、电源供电电路、串行接口电路，通过AltiumDesigner软件绘制原理图、C语言结合KeilC软件编写驱动程序，在Protues中实现了仿真，可实现正弦波、矩形波、三角波以及用户自定义波的产生，并实现频率、幅度可调。此外，完成了电路的搭建。关键词单片机编程；数模转换；运放滤波；液晶显示IIAbstractSignalhasaveryimportantrole,forexampleincommunications,television,radioandothersystemsrequirethecarriertovideo,audioandothersignalscarryout.Incommunications,instrumentationmeasurementfield,thesignalisalsorequired.Inaddition,othernon-measurement,signalalsohasaverywiderangeofapplications.Thewaveformgeneratorasasignalsource,canproduceasquarewave,sinewave,trianglewaveperiodicsignalstandardanduser-definedsignal.Therefore,thedevelopmentofahighaccuracy,highstability,lowcost,arbitrarywaveformgeneratorisnecessary.ThedesignisarbitrarywaveformgeneratorSTC12C5A60S2microcontrollerbaseddesign.Microcontrollerasthecore,combinedwiththeperipheryofthedigitaltoanalogconversioncircuit,op-ampfiltercircuit,keycircuit,LCD1602LCDdrivercircuit,resetcircuit,powersupplycircuit,aserialinterfacecircuitschematicdrawingbyAltiumDesignersoftware,ClanguagebindingKeilCsoftwaredevelopmentdriversimplementedinProtuessimulation,enablingsinewave,squarewave,trianglewaveanduser-definedwavegenerationandtoachievefrequency,amplitudeadjustable.Inaddition,thecompletionofthebuildingofthecircuit.KeywordsSCM；DAC；opampfilter；LCDIII目录摘要.IAbstract.II第1章绪论.11.1课题背景.11.1.1国内外信号发生器的研究现状.11.1.2信号发生器的主要发展趋势.21.2本文的结构和主要内容.3第2章任意信号发生器的设计方案.52.1任意信号发生器设计的基本原理.52.1.1直接模拟法.52.1.2基于单片机的方法.52.2基于单片机的任意信号发生器的设计方案.72.2.1硬件电路的设计方案.72.2.2软件的设计方案.82.3本章小结.9第3章硬件电路设计以及焊接结果.113.1硬件电路设计的总体概述.113.2基于STC12C5A60S2单片机的核心电路的介绍.133.2.1单片机STC12C5A60S2的功能介绍.133.2.2核心电路.133.3数模转换电路的设计与介绍.143.3.1DAC0832的引脚功能说明.153.3.2数模转换电路.163.4运放滤波电路的设计与介绍.173.4.1LM358的引脚功能介绍.173.4.2运放滤波电路.183.5按键电路的设计与介绍.19IV3.5.174LS00的引脚功能介绍.193.5.274LS32的引脚功能介绍.203.5.3按键电路.213.6显示模块的设计与介绍.213.6.1LCD1602的引脚功能介绍.213.6.2LCD1602液晶驱动电路.223.7焊接结果.223.8本章小结.24第4章软件程序设计以及仿真结果.254.1软件设计流程.254.1.1主程序.254.1.2外部中断程序.264.1.3定时中断程序.284.1.4液晶显示程序.284.2仿真结果.294.3本章小结.32结论.33参考文献.34致谢.36附录1.37附录2.41附录3.45附录4.53第1章绪论1第1章绪论1.1课题背景能够产生信号的仪器称为信号源，又称为信号发生器。众所周知，信号在我们的生活中有着非常重要的作用。比如在电视、广播等系统中常需要高频载波把有用信号运载出去。此外，在测量时所需的电测试信号，广泛应用于电路实验、设备检测等方面，而且无论是在生产还是在科研、教学等方面，都需要信号发生器来产生所需要的信号。1.1.1国内外信号发生器的研究现状信号发生器作为一种信号源，应用十分广泛，它不仅可以产生正弦波、矩形波、三角波等周期波形，而且也可以产生用户自定义波等任意波形1。随着科技的不断发展，人们对信号源的需求不断增加，基于单片机的信号发生器作为信号发生器的一个分支，也逐步得到人们的重视。早在20年代电子设备刚刚出现时，信号发生器就已经出现了。随着通信领域的技术的不断发展，40年代出现了标准信号发生器，但主要用于测试各种接收机。同时还出现了脉冲信号发生器，主要用于测试脉冲电路。但是早期的信号发生器的电路简单、结构复杂、因此发展相对比较缓慢，直到1964年才生产出第一台全晶体管的信号发生器2。60年代以来，信号发生器有了较快的发展，不仅出现了多种类型的信号发生器，而且其性能指标也得到了很大的提高。70年代以前，信号发生器主要包括正弦波发生器和脉冲波发生器，函数发生器作为两者之间的信号发生器，只能产生方波等几种常用的标准波形，当要产生其他波形时，则需要比较复杂的电路。在这个时期，信号发生器大多采用模拟电子技术，其电路结构复杂，且只能产生方波、正弦波、锯齿波等几种简单的波形，输出的波形不稳定3。此外，模拟器件所需的成本高，而且电路体积大、功耗大。70年代以后，出现了微处理器，再结合D/A、A/D以及相应的硬件和软件，使信号发生器的功能得到大大的扩展，可以产生更加复杂、更加稳燕山大学里仁学院毕业设计（论文）2定、精度更高的波形4。在这个阶段，信号发生器大多以软件为主。但软件控制波形也有它的缺点，其中最大的缺点就是输出的波形的频率比较低，而且与处理器的工作速度息息相关。如果要提高频率，可以改写软件程序以减少执行周期，也可以提高处理器的处理速度，但根本的方法还是要改进硬件电路的设计。目前，任意信号发生器以直接数字合成技术（DDS）为基础，将波形的采样点的值以数字的形式存入存储器作为查询表，再通过查表法将数字信号输出给数模转换器转换为模拟信号，以得到所需要的任意波形。现在，信号发生器的发展趋势主要体现在：输出波形的频率范围得到不断地扩大，使信号发生器的应用领域越来越广；与VXI资源结合。现在，国外已经有了数字化的智能函数发生器，比如HP公司的HP-8642B、FLUKE公司6080A等产品5。但这些产品价格比较高，且多为射频信号发生器。在我国，任意信号发生器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大的改观。但客观来说，目前我国在信号发生器生产领域基本上是处于起步阶段，仍没有形成真正的产业。虽然国内也有了少数半数字化的信号发生器，但大多都是对传统的函数发生器进行简单的数字化改造，性能并没有得到明显的提高。1.1.2信号发生器的主要发展趋势无论是国内还是国外，设计稳定性更高、频率范围更大、分辨率更高、成本更低、性能更高、操作更简单、可控性更好的信号发生器始终是信号发生器的主旋律。就目前已经存在的这些任意信号发生器来说，和快速发展的移动通信和高速网络的测量要求相比，还有很大的距离6。随着电子产业不断地引入新兴技术和新的标准，为了应对各个领域层出不穷的更高的要求，信号发生器也正在不断地向前发展。信号发生器的主要发展趋势可以用以下几个方面来概述：(1)频率范围更大：大频率范围的信号发生器可应用于更多的领域。国外高端波形发生器生产公司仍在不断创新，向着生产出更大频率范围的信号发生器迈进。第1章绪论3(2)不断满足用户的新要求，拥有更高的性能：未来的市场要求信号发生器能够应用在更多、更广的领域，因此任意信号发生器的多功能集成对于用户来说非常重要。(3)更低的成本.总之，无论是从元件系统的集成度上，还是从材料与制造的技术上，任意信号发生器的发展的方向都是集成度更高、尺寸更小而且更加智能化7。从科学诞生以来，人类就在不断摸索和改造实验仪器和设备，而制造更小的仪器是人类的目标之一。另外，封装方法的研究开发对于电子器件的微型化起着越来越重要的作用。由于芯片越来越小，多块芯片的组装也越来越紧凑，以避免各芯片之间的信号交换出现延迟。1.2本文的结构和主要内容本次设计的核心是通过单片机编程实现各种信号的产生，首先将要产生的信号的采样值存入单片机STC12C5A60S2的存储器中作为查询表，然后通过查表法输出需要的波形。但是单片机输出的是数字信号，所以单片机后接数模转换器DAC0832，将数字信号转换为模拟信号。DAC0832为电流型数模转换器，且输出是不能连续变化的，而是以最小分辨率为单位进行跳变，所以需要运放滤波电路对DAC0832输出的信号进行处理。波形的选择以及频率、幅度的变化由按键进行控制。波形的类型、频率、幅度可通过LCD1602液晶显示屏显示出来。此外，根据设计的要求进行程序的编写，并将编写的程序装入单片机的程序存储器内。本文的章节安排如下：第二章主要是关于基于单片机的任意信号发生器的设计方案、有关任意信号发生器的技术的介绍、基于单片机这种实现方法的基本原理和框图。此外，还分别介绍了硬件、软件的设计方案。第三章是有关硬件电路的介绍。主要介绍了硬件电路所涉及到的模块(电路图)、元器件功能等，主要包括单片机核心电路、数模转换电路、运放滤波电路、按键电路、液晶驱动电路。除此之外，本章还介绍了各个模块之间的引脚连接。燕山大学里仁学院毕业设计（论文）4第四章主要介绍了软件设计的各个模块以及调试结果。软件的设计主要包括主程序、外部中断程序、定时器中断程序、液晶显示程序。第2章任意信号发生器的设计方案5第2章任意信号发生器的设计方案设计方案决定着整个设计的方向、方法。这次设计我采用的是基于单片机的方法来实现任意信号发生器，用单片机完成波形的产生、幅值与频率的调节。这种用单片机实现的方法不仅可以降低成本、提高可靠性，而且可控性好。2.1任意信号发生器设计的基本原理要产生信号，基本有两种方法，一种是直接模拟法，另一种是基于单片机的方法。2.1.1直接模拟法以前都是用模拟法来产生信号。用模拟法产生信号可以先用正弦波振荡电路产生正弦波，然后再通过整流电路对所产生的正弦波加以整形，得到所需的信号。这种方法听起来很简单，但实际上用此方法产生信号时所用的电路十分复杂，而且要想改变波形的参数，比如对幅值、频率进行调节，就要换用不同参数的电路元器件，十分麻烦。此外，用这种方法产生的波形的种类也是有限的，想要产生的波形类型越多，所需要的电路元器件就越多，这样电路规模会十分庞大。而且要产生用户自定义的任意波形几乎是不太可能的。2.1.2基于单片机的方法随着微电子技术的不断发展，微处理芯片的集成度越来越高，已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口以及A/D转换器等。人们把这一种超大规模集成电路芯片称作“单片机微控制器”，简称单片机8。单品机自20世纪70年代问世以来，作为微计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已对人类社会产生了巨大的影响。尤其是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可燕山大学里仁学院毕业设计（论文）6靠性好、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在我国得到了广泛的应用9。因为单片机本身就是一个微型计算机，它集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口，所以本次设计采用单片机作为数据采集、处理以及控制的中心。利用单片机通过编程产生矩形波、正弦波、三角波以及用户自定义波等波形，而且波形的类型、幅值、频率都可以通过按键任意切换。首先将要产生的波形数据（数字信号）存入单片机的存储器，并将编写的程序存入单片机的程序存储器内。当要产生、输出波形时，根据单片机接收的命令调用相应的中断子程序，输出所要产生的波形的数字值，再通过数模转换电路将数字信号转换为模拟信号。但是DAC0832为电流型数模转换器，且其输出是不能连续变化的，而是以最小分辨率为单位进行跳变，所以需要运放滤波电路对DAC0832输出的信号进行处理，才能输出平滑的电压信号。此外，波形的类型、频率、幅值可以通过LCD1602液晶显示屏显示出来，而且波形的切换、频率、幅值的选择通过按键电路控制。频率的调节是通过改变定时器初值来实现的，其上下限主要和单片机的晶振频率、定时方式、D/A转换器的转换时间有关。图2-1给出了整个设计的原理框图：图2-1原理框图STC12C5A60S2按键电路液晶显示数模转换运放滤波第2章任意信号发生器的设计方案72.2基于单片机的任意信号发生器的设计方案根据2.1分析，考虑模拟法和基于单片机的实现方法的优缺点，本次设计我采用第二种方法，即用单片机的方法实现，也就是软件、硬件相结合来产生任意波形。2.2.1硬件电路的设计方案在这次设计中，我通过对单片机进行编程来产生所需的波形，首先将要产生的波形数据（数字信号）存入单片机的存储器，并将编写的程序存入单片机的程序存储器内。当要产生、输出波形时，根据单片机接收的命令调用相应的中断子程序，输出所要产生的波形的数字值。单片机输出的数字信号再依次经过数模转换、运放滤波，最终得到正弦波、矩形波、三角波等周期波形以及用户自定义的任意波形。此外，波形类型的选择、频率和幅值的调节通过按键电路控制，而且波形的类型、幅值、频率可以在液晶显示屏上显示出来。作为本次设计的核心部分的单片机，我选用的是STC12C5A60S2。它是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机。与普通的51单片机相比，它有8路10位A/D，多了两个定时器/计数器和一个串口。其指令代码、管脚功能可以完全兼容传统的8051，而且它的速度要快8-12倍。此外，STC12C5A60S2支持串口程序烧写，对开发设备的要求很低，同时也大大降低了开发时间10。STC12C5A60S2有SPI接口、EEPROM、1K的内部拓展RAM、WATCH_DOG。同时可以对STC12C5A60S2的I/O口进行定义(且有四种状态），且可以对中断优先级的四种状态进行定义。数模转换所用芯片选用DAC0832。它是分辨率为8位的D/A转换集成芯片，与单片机(微处理器)完全兼容。DAC0832的价格比较低、转换比较容易控制，而且接口简单，因此在单片机应用系统中被广泛应用。分辨率是数模转换器一个很重要的参数，对于8位的DAC0832来说，若满量程为5V，则分辨率为5V/28=19.5mV。DAC0832片内包含输入数据寄存器，可以和单片机直接相连。但是，其输出是电流的形式，当输出要求时电压时，需要外接运算放大器。燕山大学里仁学院毕业设计（论文）8在这次设计中，我使用的运算放大器的型号是LM358，为双运算放大器。既适合于双电源的工作状态，也可以在电源电压范围很大的单电源电路中使用。LM358不仅价格低廉、增益高，而且可实现频率补偿，广泛应用于电路中。液晶显示屏选用LCD1602，为工业字符型液晶，可分为两行显示32个字符。按键电路一共包括四个开关：K1、K2、K3、K4。其作用分别为K1：控制波形类型的切换；K2：频率增加；K3：频率减小；K4：进行幅值的切换。波形的幅度调节有多种方案，我主要考虑了三种方案：(1)使用滑动变阻器：由于数模转换DAC0832的输出与其基准电压Vref成一定的线性比例关系，所以在DAC0832的Vref引脚处接一个滑动变阻器，通过滑动变阻器进而改变DAC0832的基准电压，可以实现对波形的幅度调节。这种方法虽然简单、方便，而且可以实现幅度的连续调节，但是要想精确的输出某一个幅值的波形很困难。(2)使用两片DAC0832：第一片DAC0832的输出接到第二片DAC0832的基准电压输入引脚。但是这种方法需要两片DAC0832，不仅使成本加大，而且使电路更加复杂。(3)软件实现幅度的调节：通过编程实现对幅度的调节，不仅降低了成本，而且可以精确的得到某一幅值的波形，可控性好。综合考虑这三种方案的优缺点，我选择了第三种方案，即用软件的方法实现幅度的调节。2.2.2软件的设计方案这次设计我采用的是硬件与软件相结合的方法来实现任意波形发生器，而不是简单的硬件实体。在确定好硬件设计方案之后，软件设计成为决定任意波形发生器性能高低的重要因素。软件设计也是一项工作量较大、任务繁重、复杂性较高的工作。软件设计与硬件设计具有很多不同点，比如表现形式不同、生产方式第2章任意信号发生器的设计方案9不同、要求不同、维护方法不同等。本次软件设计的目的主要是通过编程来实现各种所需波形的产生以及频率、幅值的调节。此外，液晶显示屏的显示也需要通过编程实现。在设计软件实现方案时，我采用模块化程序设计，其出发点是把一个复杂的系统软件，划分为若干个子模块程序，分别实现不同的、单一的功能。本次软件设计分为以下几大模块：主程序、定时中断程序、外部中断程序、液晶显示程序。中断系统虽然是硬件系统，但必须由相应的软件配合才能正确使用。其中主程序主要负责整个程序的流程以及各个参数的初始化；外部中断程序用于键值的判断，本次设计我使用的是外部0中断。当外部0中断有效时，调用中断子程序，与接有四个按键的P3口的低四位做与运算，判断哪个按键按下，进而执行相应操作；定时中断程序中，把各个波形的频率中间值赋给定时器作初值，因此可通过改变频率中间值来改变定时器初值，最终实现频率的改变；液晶显示程序是通过编程来实现波形的类型、频率、幅值的显示。对于外部中断程序，对于本次设计而言，引入中断可以实现分时操作，提高CPU的利用率，并及时处理意外事件，最为关键的是可以实现实时处理，提高实时性。中断管理程序具有以下功能：(1)实现中断返回；(2)能实现优先排队；(3)能实现中断嵌套；仪器上电或复位后首先要进行初始化工作，初始化管理主要包括以下几个方面：(1)可编程器件初始化；(2)堆栈初始化；(3)参数初始化。燕山大学里仁学院毕业设计（论文）102.3本章小结本章主要讲述了实现任意信号发生器的两种方案及这两种方案的基本原理。两种方案各有自己的优缺点，综合考虑，我最终选用了基于单片机的方法来实现任意信号发生器。此外，本章还介绍了基于单片机的任意信号发生器的硬件设计方案、软件设计方案，以及基于这种方法的基本原理和框图。第3章硬件电路设计以及焊接结果11第3章硬件电路设计以及焊接结果硬件电路决定着整个系统的工作性能，是整个设计的关键所在。硬件的设计目标一般是可靠、稳定、简洁、高效、优化，有一个好的硬件设计，不仅可以使整个系统高效、稳定、有序的工作，而且可以给编写软件带来极大的优势。3.1硬件电路设计的总体概述硬件电路设计的整体框图如图3-1所示：(1)(2)(3)(4)燕山大学里仁学院毕业设计（论文）12(5)(6)(7)(8)图3-1硬件设计整体框图(1)电源供电电路(2)按键电路(3)单片机复位电路(4)STC12C5A60S2核心电路(5)数模转换电路第3章硬件电路设计以及焊接结果13(6)运放滤波电路(7)LCD1602液晶显示电路(8)串行接口电路电源供电电路给整块电路板供电，其中5V电压适配器将220V电压自动转换为5V；按键电路完成波形类型的切换、幅值与频率的选择，其中两个四输入与非门完成如下功能：K1、K2、K3、K3四个按键只要有一个按下，则第一个四输入与非门就输出高电平1，输出的这个高电平再接入第二个四输入与非门，则输出为低电平0。这个低电平接单片机的外部中断0接口，即P3.2，且这个低电平使外部中断0有效；单片机复位电路完成整个电路的复位清零；STC12C5A60S2核心电路是整个电路的核心部分，可产生所需的波形，并完成幅值、频率的切换。其P1口输出所要产生的波形的数字信号。P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别接K1、K2、K3、K4四个按键，完成波形类型的切换以及幅值、频率的调节。数模转换将单片机输出的数字信号转换为模拟信号，其8个数据接口与单片机的P1口相接，CS、WR1接单片机的P2.4端口，WR2、XFER接单片机的P2.5端口；运放滤波电路主要是将电流型数模转换DAC0832的输出转换为电压信号，并完成滤波光滑的作用；LCD1602液晶显示电路可以将波形的类型、幅值、频率呈现出来。3.2基于STC12C5A60S2单片机的核心电路的介绍3.2.1单片机STC12C5A60S2的功能介绍单片机就是集成了微处理器(CPU)、存储器(RAM，ROM，E-PROM)和各种输入、输出接口(定时器/计数器，串行口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等)的芯片11。单片机不仅有极高的性价比，而且拥有较轻的重量、较强的抗干扰能力、良好的灵活性、低廉的价格，所以受到我们的重视，并被广泛应用于众多领域中。STC12C5A60S2是增强型8021CPU，为宏晶科技生产的单片机，完全兼容传统8051，但其速度要快8-12倍，其工作电压为5.5V-3.3V(5V单片燕山大学里仁学院毕业设计（论文）14机)，工作频率范围为0-35MHZ，片上集成了1280字节的RAM，有P0、P1、P2、P3四个通用I/O口，共4个16位定时器和2个时钟输出口，内有8路、10位精度的A/D转换。3.2.2核心电路基于STC12C5A60S2单片机的核心电路如下：图3-2STC12C5A60S2核心电路单片机核心电路的主要实现芯片是STC12C5A60S2，该单片机是单时钟/机器周期(1T)的单片机，可实现串口在线编程，而且不需要编程器和仿真器。该单片机的指令代码完完全全兼容传统的8051，但是其速度快8-12倍，且其内部集成了MAX810专用复位电路和2路PWM，此外，还有速度达250K/S的8路高速10位A/D转换。单片机STC12C5A60S2的P1口输出所要产生的波形的采样值的数字信号；P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别接K1、K2、K3、K4四个按键，完成波形类型的切换以及幅值、频率的调节；P3.2(外部0中断)端口接按键电路的输出，当输出为0时外部中断0有效。图3-2中的C4、C5为谐振电容，与晶振连接组成谐振回路，震荡产第3章硬件电路设计以及焊接结果15生单片机正常工作所需要的脉冲信号。单片机的P0口必须外接10K的上拉电阻，因为P0口内部没有上拉电阻(P1、P2、P3口内部都有上拉电阻)。3.3数模转换电路的设计与介绍DAC(数模转换器)的功能是把数字信号转换为与其成一定换算关系的模拟电压信号或电流信号。DAC的分辨率取决于位数，通常不能超过16位。例如，一个输出10V的16位DAC的最低有效位每位能分辨153uV=10V/(216-1)，为总量的0.00152%。现在大量使用的混合式DAC把标准电压、运算放大器、开关和解码网络等组装在一起，封装在密封的双列直插式组件内部。它的价格和性能都介于分列式和单片机集成电路之间，本次设计使用的是DAC0832。3.3.1DAC0832的引脚功能说明DAC0832典型特点：8位并行、电流型、中速(电流建立时间为1us)、价格低廉。DAC0832的引脚图如下图所示：图3-3芯片DAC0832引脚图D0D1：为8位数据输入端口；CS：为片选信号，低电平有效；WR1：数据锁存器的写选通输入端口(写信号1)，低电平有效；燕山大学里仁学院毕业设计（论文）16AGND：模拟信号地；Uref：基准电压输入端口；Rf：反馈电阻输出端(可接运算放大器的输出端)；DGND：数字信号地；IO1：模拟电流输出端1；IO2：模拟电流输出端2；XFER：数据传输控制信号的输入端，低电平信号；WR2：DAC寄存器选通信号的输入端，低电平有效；ILE：数据锁存允许控制信号的输入端，高电平有效；Ucc：芯片电源电压输入端(+5V+15V)。DAC0831主要有三种工作方式，分别为直通工作方式、单缓冲工作方式、双缓冲工作方式。3.3.2数模转换电路数模转换电路如下图所示：图3-4数模转换电路第3章硬件电路设计以及焊接结果17该模块的主要作用是完成数字信号到模拟信号的转换。其片选信号和写信号1端口接单片机的P2.4接口，转移控制信号和写信号2端口接单片机的P2.5接口，可通过编程完成对DAC0832的控制。DAC0832输出的是电流信号，而且其输出不是连续可调的，而是以其绝对分辨率为单位进行增减，例如经过DAC0832转换输出锯齿波，其实际的输出波形为：图3-5DAC0832实际上输出的锯齿波而不是：图3-6DAC0832输出的理想锯齿波所以DAC0832后需要接运放滤波电路，使其输出为平滑的电压信号。燕山大学里仁学院毕业设计（论文）183.4运放滤波电路的设计与介绍3.4.1LM358的引脚功能介绍LM358是双运算放大器，它采用8脚双列直插塑料封装，其内部有两组独立的运算放大器，具有高直流电压增益、功耗低、宽单位增益频带、宽电流电压范围等特点，且价格低廉，不仅适用于双电源模式(1.5V-15V)，也可用于单电源工作状态(3V30V)。图3-7给出了其引脚图：图3-7LM358引脚图INPUT1(-)：运算放大器1的反相输入端；INPUT1(+)：运算放大器1的同相输入端；OUTPUT1：运算放大器1的输出端；INPUT2(-)：运算放大器2的反相输入端；INPUT2(+)：运算放大器2的同相输入端；OUTPUT2：运算放大器2的输出端；VEE/GND：接地端；VCC：电源接口。3.4.2运放滤波电路运放滤波电路如下图所示：第3章硬件电路设计以及焊接结果19图3-8运放滤波电路运放功能由LM358完成，将DAC0832输出的电流信号转换为电压信号。滤波电路可以使有用信号通过，同时滤除无用信号，无论是在工程上还是在电路实验等领域都得到广泛的应用。一般的滤波电路常用电阻、电容、电感组成。由R、C组成的滤波器具有体积小、重量轻、简单等特点。因此。本次设计用R11和C11连接组成一阶低通数字滤波器，不仅起到滤波作用，而且有平滑的作用。此低通滤波器的截止频率为f=1/(2*pai*R11*C11)。本次设计中选择阻值为1000欧姆的R11、电容值为0.01uF的C11，这样截止频率大约为16KHz，使波形输出效果较好。3.5按键电路的设计与介绍在本次设计中，按键电路一共包含四个开关：K1、K2、K3、K4，其中K1负责波形类型的切换，K2使频率加，K3使频率减，K4负责幅值的切换。按键电路涉及到两个四输入与非门，但是四输入与非门芯片在市场上很少见，因此在这次设计中我使用二输入与非门和或门来代替四输入与非门。因为(ABCD)=(AB)+(CD)，所以一个四输入与非门可以由两个二输入与非门和一个或门实现。这次设计中，二输入与非门芯片我使用的是74LS00，或门芯片使用的是74LS32。燕山大学里仁学院毕业设计（论文）203.5.174LS00的引脚功能介绍74LS00为四二输入与非门，图3-9给出了其引脚图：图3-974LS00引脚图A1与B1、A2与B2、A3与B3、A4与B4分别是四组二输入与非门的输入；Y1、Y2、Y3、Y4分别是四组二输入与非门的输出；第7脚接电源地；第14脚接高电平。3.5.274LS32的引脚功能介绍74LS32为四二输入或门，图3-10给出了其引脚图：图3-1074LS32引脚图第3章硬件电路设计以及焊接结果21第1脚与第2脚、第4脚与第5脚、第9脚与第10脚、第12脚与第13脚分别为四组二输入或门的输入端；第3脚、第6脚、第8脚、第11脚分别为四组二输入或门的输出；第7脚接电源地；第14脚接高电平。3.5.3按键电路按键电路如图3-11所示：图3-11按键电路按键电路中共有四个开关K1、K2、K3、K4，只要有一个开关按下，则第一个与非门就输出高电平1，这个高电平接至第二个与非门的输入端，使第二个与非门输出为低电平0。也就是说，只要有一个开关按下，按键电路最终的输出即为低电平，这个低电平送至单片机的外部0中断的接口P3.2，使外部0中断有效。3.6显示模块的设计与介绍3.6.1LCD1602的引脚功能介绍LCD1602为字符型液晶显示器，可分为2行，每行显示16个字符，共显示32个字符12。其有16个引脚，各引脚的定义如下所述：第1脚：VSS为电源地；第2脚：VDD为5V正电源；第3脚：V0，为对比度调整端；第4脚：RS是寄存器选择端口；燕山大学里仁学院毕业设计（论文）22第5脚：R/W为读写信号线，高电平时读，低电平时写。第6脚：E为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令；第714脚：D0D7为8位双向数据线；第1516脚：背光；LCD1602内部结构由DDRAM、CGROM、IR、DR、BF、AC等大规模集成电路组成。3.6.2LCD1602液晶驱动电路LCD1602液晶驱动电路如下图所示：图3-12LCD1602驱动电路其8位双向数据线与单片机的P0口相接，这里需要注意的是单片机的P0口必须接上拉电阻。其RS引脚与单片机的P3.7端口相连，P3.7既可以做双向I/O口，还可以使用其第二功能，即做外部数据存储器的读脉冲输出线；RW引脚与单片机的P3.6端口相连，P3.6除了可以做普通的I/O口外，还可以做外部数据存储器的写脉冲输出线13；其使能端E端口与单片机的P2.7端口相接。第3章硬件电路设计以及焊接结果233.7焊接结果硬件电路设计好并完成仿真后，我搭建并焊接了电路。焊接的电路板如图3-13、3-14、3-15所示：图3-13电路搭建结果燕山大学里仁学院毕业设计（论文）24图3-14焊接电路正面本次设计所需要的STC12C5A60S2核心板使用的是单片机实习时所焊接的板子，图3-14是为实现所需功能所外接的模块。这个模块需要四块芯片，分别为DAC0832，实现数字信号到模拟信号的转换；LM358，实现运算放大的功能；74LS00(四二输入与非门)芯片结合74LS32(四二输入或门)芯片完成四输入与非的功能。这四块芯片都是双列直插芯片，使用起来非常方便。图3-15焊接电路反面图3-15中红色线接高电平，黑色线接地线，白色线用于芯片引脚之间的连接。虽然完成了电路的搭建，但是实物如果不外接负电源，只能实现开关控制波形类型、频率、幅度的切换，并显示在液晶显示屏上，具体的波形仍不能产生。这种现象是因为运放滤波电路造成的，因为LM358既可用于双电源，也可用于单电源，但是要产生双极性信号，必须使用双电源，这就需要电压转换电路，以获得负电压。而电压转换电路在这次设计中没有考虑到，所以在搭建的电路中LM358处于单电源的工作状态，致使不能产生波形。第3章硬件电路设计以及焊接结果253.8本章小结本章主要介绍了硬件电路的设计、所用芯片的引脚功能、主要特性、工作原理以及焊接结果等。本次硬件电路的设计主要包括以下几部分：STC12C5A60S2单片机核心电路、数模转换电路、运放滤波电路、按键电路、LCD1602液晶驱动电路。本章不仅分别对这些电路模块进行了具体的分析，而且介绍了这些电路模块的连接。燕山大学里仁学院毕业设计（论文）26第4章软件程序设计以及仿真结果硬件电路确定之后，信号发生器的主要功能将由软件来实现。而且对同一个硬件电路配以不同的软件，所实现的功能也就不同。因此，在完成硬件电路的设计以后，软件设计也是极其重要的一部分。4.1软件设计流程软件设计的过程主要包括以下几个步骤：(1)系统定义。在着手软件设计之前，我们必须先进性系统定义(或说明)。系统定义应包含下列各项内容：输入/输出的说明；系统存储器的说明；处理阶段的说明；出错处理和操作因素的说明。(2)绘制流程图。在进行具体程序编制之前，还需要制定程序纲要。程序纲要一般都是以流程图的形式给出，这种方式能比较直观地表述系统任务，因而很容易从流程图转变为程序10。(3)编写程序。(4)软件测试。(5)文件编制。(6)软件维护。在这次设计中我使用C语言来进行编程，并使用KeilC软件来进行编译、调试。4.1.1主程序系统主程序流程图如下：第4章软件程序设计以及仿真结果27NY图4-1主程序流程图4.1.2外部中断程序对于外部中断，两个外部中断源从INTO和INT1端子，即P3.2和P3.3端子输入。外部中断请求信号有两种触发方式，分别为电平触发方式和下降沿触发方式。若是电平触发方式，则在INTO或INT1端子上检测到低电位即为有效的中断请求11。如果是下降沿触发方式。则检测到有高开始初始化有按键按下？中断程序开始键值判断波形切换频率加频率减幅值切换数据处理调用相应子程序输出燕山大学里仁学院毕业设计（论文）28电平跳变到低电平时的下降沿时才属于有效的请求。本次设计中在判断按键电路的键值时用到了外部0中断。当只要有一个