交流信号发生器设计报告

学号0121011360219能力拓展训练题目交流信号发生器设计学院自动化学院专业自动化专业班级自动化1002班姓名李志强指导教师孙晓明2013年6月24日能力拓展训练任务书学生姓名李志强专业班级自动化1002班指导教师孙晓明工作单位自动化学院题目交流信号发生器设计初始条件计算机、MAXPLUS、EDA实验箱。要求完成的主要任务（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）控制产生199HZ（精度01HZ）的正弦交流信号，通过DAC0832转换后输出。通过按键操作，可对输出信号的峰值与频率进行控制。任务安排（1设计任务及要求分析（2方案比较及认证说明（3系统原理阐述，写出设计方案结构图。（4软件设计课题需要说明软件思想，流程图，源程序及程序注释（5调试记录及结果分析、（6总结（7参考资料5篇以上（8附录程序清单时间安排6月24日安排设计任务；收集资料；方案选择6月25日程序设计6月2627日实验室内调试程序并演示6月28日撰写报告7月1日交能力拓展训练报告主要参考资料1谭会生，张昌凡EDA技术及应用西安西安电子科技大学出版社20042孙晓明EDA实验指导书武汉武汉理工大学教材中心，20071指导教师签名孙晓明2013年6月24日系主任（或责任教师）签名年月日摘要本系统采用单片机C8051为控制核心,输出数字量,然后由DAC0832把数字量转换成模拟量但是输出的是电流,需要用运放OP07,把电流转换成电压量。按键应用的是独立按键，用来对波形的幅值，频率的调解。其运算核心，我们通过MATLAB对正弦波进行采样，得到一组组数据，然后同过数组存储；利用中断对数组进行扫描。其频率的调解就是调节其中断间隔的时间，幅值就是调节其数字的大小（同时乘以某个小于1的数）。为了波形的合成，我们采用的点的个数都是256个。关键词AT89C51DAC0832独立按键OP07目录1设计任务及要求分析52方案设计621设计思路622设计方案比较与选择623设计参数计算73交流信号发生硬件电路设计831单片机AT89C51832波形转换D/A转换1133复位电路1234外部时钟电路1335独立按键部分134交流信号发生器软件设计1441程序流程图145调试记录与仿真结果分析1651调试结果1652硬件调试1853软件调试186心得体会19参考文献20附录一硬件仿真原理图21附录二程序221设计任务及要求分析设计任务设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波和由用户编辑的特定形状波形。控制产生199HZ（精度01HZ）的正弦交流信号，通过DAC0832转换后输出。通过按键操作，可对输出信号的峰值与频率进行控制。2方案设计题目要求实现的任务是设计并制作一个交流信号发生器，能够产生正弦波，要求不用DDS和专用的波形产生芯片，频率范围在1HZ99HZ可调，步进不大于01HZ，并且电压范围在05V可调，步进为01V。现在对以下方案进论证和验证。21设计思路根据题目的要求，经过仔细的考虑各种要素，制定了整体方案以AT89C51单片机为控制核心，P3口接DAC0832信号输入并进行数模转换，P2口接独立键盘，由程序控制P3口产生波形，再由按键控制产生波形的种类及频率和幅值在一定范围内可调，。由运放OP07实现DAC0832输出电流到电压的转换，即实现数字信号到模拟信号的转换。对正弦波取乐256个点；因为点越多，波形的效果越好；合成时就是对幅值点进行一个连接后赋给DAC0832输出一组波形。功能通过定时器0产生定时中断，形成波形的数字编码，并输出到D/A接口电路。AT89C51外接12M晶振作为时钟频率，并采用电源复位设计。复位电路采用上电复位，其工作原理是，当通电时，电容两端相当于短路，于是TST引脚为高电平，然后对电容充电。RST端电压慢慢下降，降到一定程度，即为低电平，单片机开始工作。产生方波程序思路对于小于100HZ的频率，直接根据频率值设置其定时溢出的时间，当溢出时间达到时，将输出管脚取反达到方波的产生。产生正弦波程序思路给正弦波的一个周期设定TABLE表，由256个数据，相当于每个周期定时255次，则每次定时溢出的时间便可计算出，每个点的电压加权便可得到正弦波的电压，即，形成正弦波。22设计方案比较与选择方案一采用分立元件组成的函数发生器，通常是单片函数发生器（如8038），8038可同时产生正弦波、方波等，而且方法简单易行，用D/A转换器的输出来改变调制电压，也可以实现数控调整频率，但产生信号的频率稳定度不高，不容易调试。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。方案三采用晶体管、运放IC等通用器件制作，可产生正弦波，通过调整外部元件可改变输出频率，但它们的精度不高，调节方式也不够灵活。方案四采用单片机编程的方法来实现。即采用AT89C51单片机和DAC0832芯片以一定的模拟数字电路，通过编程可以产生正弦交流信号。不但设计简单，而且可以很简便的通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换。此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。调节幅度和频率，扩展性强。鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二、三的电路复杂、精度达不到要求等缺点，所以决定采用方案四的设计方法。它不仅采用软硬件结合，软件控制硬件的方法来实现，使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证，而且它使用的几种元器件都是常用的元器件，容易得到，且价格便宜，使得硬件的开销达到最省。23设计参数计算（1）利用单片机产生正弦波信号波形，信号的频率和幅度可变。（2）将一个周期的信号分离成256个点（按X轴等分），每两点之间的时间间隔为T，用单片机的定时器产生，其表示式为TT/256。如果单片机的晶振为12MHZ，采用定时器方式0，则定时器的初值为X213T/TMEC21定时时间常数为TL（8192T）25622TH8192T/25623MOD32表示除32取余数（3）正弦波的模拟信号是D/A转换器的模拟量输出，其计算公式为Y（A/2SINT）A/2其中AVREF24TNTN125625那么对应着存放在计算机里的这一点的数据为（26）（4）一个周期被分离成256个点，对应的四种波形的256个数据存放在以TAB1TAB4为起始地址的存储器中。3交流信号发生硬件电路设计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。AT89C51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/计数器等，只要将89C51再配置键盘及其接口、数模（D/A）转换及波形输出及其接口等几部分，即可构成所需的波形发生器硬件原理框图如下图所示图1硬件原理框图单片机按键电路（幅值调节）显示电路按键电路（频率调节）D/A转换电路放大电路波形输出SIN12525/TDIYA31单片机AT89C51AT89C51单处机内部设置两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1，它们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及4种工作模式。在波形发生器中，将其作定时器使用，用它来精确地确定波形的两个采样点输出之间的延迟时间。模式1采用的是16位计数器，当T0或T1被允许计数后，从初值开始加计数，最高位产生溢出时向CPU请求中断。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，只用到片内定时器计数器溢出时产生的中断请求，即是在AT89C51输出一个波形采样点信号后，接着启动定时器，在定时器未产生中断之前，AT89C51等待，直到定时器计时结束，产生中断请求，AT89C51响应中断，接着输出下一个采样点信号，如此循环产生所需要的信号波形。AT89C51从P2口接收来自键盘的信号，并通过P3口输出一些控制信号，将其输入到8155的信号控制端，用于控制其信号的输入、输出。如果有键按下，则在读控制端会产生一个读信号，使单片机读入信号。如果有信号输出，则在写控制端产生一个写信号，并将所要输出的信号输出。图2AT89C51管脚图管脚说明VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示口管脚备选功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外部中断0）P33/INT1（外部中断1）P34T0（记时器0外部输入）P35T1（记时器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。32波形转换D/A转换功能将波形样值得编码转换成模拟值，完成波形的输出。由一片DAC0832和OP07运放组成。DAC0832是一个具有两个输入数据寄存器的8位DAC。目前生产的DAC芯片分为两类，一类芯片内部设置有数据寄存器，不需要外加电路就可以直接与微型计算机接口。另一类芯片内没有数据寄存器，输出信号随数据输入线的状态的变化而变化，因此不能直接与微型计算机接口，必须通过并行口与微型计算机接口。DAC0832是具有20条引线的双列直插式CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换，股不需要外加电路。DAC0832是电流输出型，示波器上显示波形，通常需要电压信号，电流信号到电压信号的转换可以用运算放大器LF356实现。单片机想DAC0832发送数字编码，产生不同的输出。先利用采样定理对各种波形进行抽样，然后把各种采样值进行编码，收到的数字量存入各个波形表，执行程序时通过查表的方法依次取出，经过D/A转换后输出就可以得到波形。假如N个点构成波形的一个周期，则DAC0832输出N个样点值后，样值点形成运动轨迹，即，一个周期。重复输出N个点后，成为第二个周期。利用单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制输出的波形的频率。这样就控制了输出波形的及其幅值和频率，例如正弦波，取256个样值点。具体连接的电路图如图3所示图3DAC0832管脚图管脚说明1D7D0转换数据输入。2CS片选信号（输入），低电平有效。3ILE数据锁存允许信号（输入），高电平有效。4WR1第一信号（输入），低电平有效。该信号与ILE信号共同控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式当ILE1和XFER0时，为输入寄存器直通方式；当ILE1和WR11时，为输入寄存器锁存方式。5WR2第2写信号输入,低电平有效该信号与信号合在一起控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式当WR20和XFER0时,为DAC寄存器直通方式当WR21和XFER0时,为DAC寄存器锁存方式。6XFER数据传送控制信号输入,低电平有效。7IOUT2电流输出“1”。当数据为全“1”时，输出电流最大；为全“0”时输出电流最小。8IOUT2电流输出“2”。DAC转换器的特性之一是IOUT1IOUT2常数。9RFB反馈电阻端既运算放大器的反馈电阻端，电阻（15K）已固化在芯片中。10VREF基准电压，是外加高精度电压源，与芯片内的电阻网络相连接，该电压可正可负，范围为10V10V11DGND数字地12AGND模拟地33复位电路这种复位电路的工作原理是单片机的复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电后，5V的电通过电阻给电容进行充电，电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右（此时间很短一般小于03秒），RC构成的微分电路在上电瞬间产生一个微分脉冲，其宽度大于两个机器周期，89C51将复位。正因为这样，复位脚的电由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作，RST端电压慢慢下降，降到一定电压值以后，即为低电平，单片机开始正常工作（这是单片机的上电复位，也叫初始化复位）；当按下复位键时，电容两端放电，电容又回到0V了，于是又进行了一次复位工作（这是手动复位原理）。图4复位电路34外部时钟电路图5采用12MHZ的晶振和两个33PF的电容组成时钟电路部分。图5外部时钟电路35独立按键部分图6为用独立按键来控制不同的输出波形图6独立按键电路4交流信号发生器软件设计主程序和子程序都存放在AT89C51单片机中。主程序的功能是开机以后负责查键，即做出键盘扫描及显示工作，然后根据用户所按的键转到相应的子程序进行处理。子程序的功能有延时子程序、中断程序、显示子程序、按键子程序，按键子程序中有任意频率的设置的数字键（09）及确定键、幅值和频率的加和减键、幅值频率的转换键、波形的转换键等共15个键。主程序的流程图如图41所示完成全部硬件和软件过后，将程序下载到单片机中进行测试，通过反复测试，反复的修改函数的功能，同时完善硬件的功能，使系统达到最优控制。41程序流程图开始输出正弦波形频率、幅值调节按键输出相应波形发出D/A转换值图7程序流程图本文中子程序的调用是通过按键的选择来实现，在取得按键相应的键值后，启动计时器和相应的中断服务程序，再直接查询程序中预先设置的数据值，数据值可以设1到99HZ之间，通过转换输出相应的电压，从而形成所需的各种波形。而结果表现为输出正弦波，当FREQUENCYUP按下则波形变密，频率增加；FREQUENCYDOWN按下则波形变疏，频率减少；AMPLITUDEUP按下按下则波形幅值增加；AMPLITUDEDOWN按下则波形幅值减少。5调试记录与仿真结果分析51调试结果图8输出正弦波图7正弦交流信号波频率减少图8正弦交流信号波频率增加图9正弦交流信号波幅值增加图10正弦交流信号波幅值减少。从以上所有的仿真结果可以看出，所设计的电路可以控制产生199HZ的正弦交流信号，其精度为01HZ，通过按键操作，可对输出信号的峰值与频率进行控制，基本满足的设计要求。52硬件调试整个硬件调试过程基本顺利，由于采用了分单元模块制作，各个单元电路工作稳定，给调试工作带来很大的方便。放大模块部分在实物模拟时，出现发送信号不稳定、跳变的问题，经过仔细的检查，电路连线路劲和线路连接问题，最终发现电路连接是出现连接未牢固的问题，从而得以解决。53软件调试虽然对于单片机的变成较熟悉，但是还存在一些问题，主要有以下问题（1）在写调幅值的程序时，按照自己的想法写好，下载带单片机中，发现，每按一次键，幅值一次性增大到5V或者一次性减为0V，经过对程序的分析得知，当按下键时，程序循环很多次，为次添加一条键按下时死循环的语句使每次按下键幅值加一次后的只保持住，从而解决了问题。（2）当幅值和显示调试成功后，写调频程序时，在硬件电路中调试时发现，在经过添加定时器中断的方法，结果使P0口不能够输出模拟信号，经过努力，最后终于解决了这个问题。6心得体会能力拓展训练是对我们在这学期学到的控制技术的理论知识的一个综合测评，是对我们将理论结合时间的综合能力的考查，是培养我们发现问题、解决问题的能力，是激发我们内在创新意识的途径。在此次课程设计中，我们学到了许多平时课堂上学不到的东西，比如单片机系统的理解与应用分析、DAC0832器件的学习、程序的设计与调试、系统的调试以及平时没有接触到的在线编程与相关软件等等。通过对电路的设计，对51系列单片机的原理和功能有了进一步的了解，学到了更多的电路知识，如复位电路的原理，晶振电路的作用，旁路电容的作用，上拉电阻的功能，熟悉了ULN2003芯片的原理和功能，并且能对其进行应用。在设计过程中我遇到了许多难以解决的问题，通过去图书馆看书、上网查资料以及请教同学，努力最终一步一步得以解决。在测试阶段，尤其是在硬件电路的检查阶段，有很深的体会，有时候一个简单的错误就有可能造成电路无法正常工作，通过找错排错，更加熟悉了电路的原理和51单片机的工作原理。通过这次能力拓展训练，不仅锻炼了我的动手能力，更培养了我发现问题、解决问题的能力，巩固了我以前学过的专业知识，促进了我的自学能力。通过本次能力拓展训练，我更加深刻的认识到团队合作的重要性，小组成员分工合作，是设计成功的关键，只有大家团结一致，才能更快更好的完成任务，但是从本课程设计中，我也看到了自身还存在许多不足，在实践动手能力方面比较弱，对一些电路知识掌握得不是很好。通过本次能力拓展训练，我还了解了这次能力拓展训练将理论与实践紧密结合，大量的实践有助于进一步理解和巩固理论知识，提高了分析和解决问题的能力。理解算法的基本应用及其对系统设计的相关应用。什么样的课程设计都离不开理论与实际相结合的真理，设计过程中的方案选择和参数设定使我进一步深刻认识到算法的控制对整个系统的重要作用。一个细小的参数设定出现偏差，可能导致最后的性能指标不和标准。所以选择一个优良的方案对于实验至关重要。参考文献1程全基于AT89C52实现的多种波形发生器的设计J周口师范学院学报，200522557582周明德微型计算机系统原理及应用M北京清华大学出版社，20023413643刘乐善微型计算机接口技术及应用M北京北京航空航天大学出版社，20012582644童诗白模拟电路技术基础M北京高等教育出版社，20001712025杜华任意波形发生器及应用J国外电子测量技术，2005138406张友德单片微型机原理、应用与实践M上海复旦大学出版社，200440447程朗基于8051单片机的双通道波形发生器的设计与实现J计算机工程与应用，200481001038张永瑞电子测量技术基础M西安西安电子科技大学出版社，2006611019李叶紫MCS51单片机应用教程M北京清华大学出版社，200423223810谭会生，张昌凡EDA技术及应用西安西安电子科技大学出版社200411孙晓明EDA实验指导书武汉武汉理工大学教材中心，20071附录一硬件仿真原理图P30P31P32P33P34P35P37P36DA_CSDA_WRP33P32P31P30P37P36P35P34RFBDA_CSDA_WRRFBP20P21P22P23XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P00/AD039P01/AD138P02/AD237P03/AD336P04/AD435P05/AD534P06/AD63P07/AD732P10/T21P11/T2EX2P123P134P145P156P167P178P30/RXD10P31/TXD1P32/INT012P33/INT113P34/T014P37/RD17P36/WR16P35/T115P27/A1528P20/A821P21/A92P22/A1023P23/A124P24/A1225P25/A1326P26/A1427U1AT89C525VVREF8GND3VC20CS1WR12DI34DI25DI16DI07RFB9GND10IOUT11IOUT212DI713DI614DI515DI416XFER17WR218ILEBY1/BY219U2DAC08325V15V15V5VX1CRYSTALC133PFC143PFC1510UFR910K3267481U8OP07R11KABCDFUPFDOWNAUPADOWN图11硬件仿真原理图附录二程序/交流信号发生器程序/P3为DAC0832数据输入端口/P10为DAC0832片选控制口、P11为DAC0832允许写控制口/P2低4位为独立按键控制口，分别为频率加，频率减，幅值加，幅值减。/编写人李志强/时间20130626/INCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEDAC0832DATAP3SBITDAC0832CSP10/DAC0832的控制端口SBITDAC0832WRP11/为低电平时候表示导通SBITFREQUENCEUPP20/频率加SBITFREQUENCEDOWNP21/频率减SBITAMPLITUDEUPP22/幅值加SBITAMPLITUDEDOWNP23/幅值减UINTTIME78/定时的时间UINTSINVALUE50/电压的值UINTSINFREQUENCE500/输出波频率UINTNEXT0/用于正弦波的采样数组的移动/正弦波数据表UCHARCODESINTABLE2560X80,0X83,0X86,0X89,0X8C,0X8F,0X92,0X95,0X98,0X9C,0X9F,0XA2,0XA5,0XA8,0XAB,0XAE,0XB0,0XB3,0XB6,0XB9,0XBC,0XBF,0XC1,0XC4,0XC7,0XC9,0XCC,0XCE,0XD1,0XD3,0XD5,0XD8,0XDA,0XDC,0XDE,0XE0,0XE2,0XE4,0XE6,0XE8,0XEA,0XEC,0XED,0XEF,0XF0,0XF2,0XF3,0XF4,0XF6,0XF7,0XF8,0XF9,0XFA,0XFB,0XFC,0XFC,0XFD,0XFE,0XFE,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFE,0XFE,0XFD,0XFC,0XFC,0XFB,0XFA,0XF9,0XF8,0XF7,0XF6,0XF5,0XF3,0XF2,0XF0,0XEF,0XED,0XEC,0XEA,0XE8,0XE6,0XE4,0XE3,0XE1,0XDE,0XDC,0XDA,0XD8,0XD6,0XD3,0XD1,0XCE,0XCC,0XC9,0XC7,0XC4,0XC1,0XBF,0XBC,0XB9,0XB6,0XB4,0XB1,0XAE,0XAB,0XA8,0XA5,0XA2,0X9F,0X9C,0X99,0X96,0X92,0X8F,0X8C,0X89,0X86,0X83,0X80,0X7D,0X79,0X76,0X73,0X70,0X6D,0X6A,0X67,0X64,0X61,0X5E,0X5B,0X58,0X55,0X52,0X4F,0X4C,0X49,0X46,0X43,0X41,0X3E,0X