数字式波形发生器设计

1、数字式波形发生器设计摘 要: 本系统利用单片机AT89C51采用程序设计方法产生锯齿波、正弦波、矩形波三种波形，再通过D/A转换器DAC0832将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来，能产1Hz3kHz的波形。通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，并通过液晶屏1602显示其各自的类型以及数值，系统大致包括信号发生部分、数/模转换部分以及液晶显示部分三部分，其中尤其对数/模转换部分和波形产生和变化部分进行详细论述。关键词：单片机AT89C51、DAC0832、液晶1602Design of digital waveform generatorAbstract: this

2、system capitalize on AT89C51，it makes use of central processor to generate three kinds of waves, they are triangle wave, and use D/A conversion module, wave generate module and liquid crystal display of 1602, it can have the 1Hz-3KHz profile. In this system it can control wave form choosing frequenc

3、y, range and it can have the sine wave, the square-wave, the triangular wave. Simultaneously may also take the frequency measurement and displays them through liquid crystal display of 1602. this design includes three modules. They are D/A conversion module, wave generate module and liquid crystal d

4、isplay of LED module. In this design, the wave generator into wave form module and D/A conversion module are discussed in detail. key word: AT89C51, DAC0832, liquid crystal 1602.引言该课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，考察现在正在使用的信号发生器的基本功能，完成一个基本的实际系统的设计全过程。关键的是这个实际系统设计的过程，在整个过程中我可以充分发挥应用电子的专业知识。特别是这个信号发生器的设计中涉及到一

5、个典型的控制过程。通过单片机控制一个有特殊功能的信号发生芯片，可以产生一系列有规律的幅度和频率可调的波形。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。因为产生的一系列的可调波形可以作为其他一些设备的数值输入。还可以应用于设备检测，仪器调试等场合。高频稳定的波形信号也可以用于无线电波的调频、解调中。这些都是在现代生活中必不可少的一些应用。 通过这样一个题目我不但可以总结本专业四年中所学专业知识，将其发挥在实际的系统设计中，并且对将来的工作也是一个很好的帮助。在现代社会中，应用电子技术已经渗透到社会生活的各个领域中。传统的波形发生器通常由晶体管、运放IC 等分离元件制成。与此相比,基于集成

6、芯片的波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点。其中，信号发生器是自动化领域中的一个典型应用。因为现代的自动化控制中基本都会利用信号来控制设备的工作。利用信号的产生进行仪器的控制已经是自动控制中的一个重要的手段，那么一个幅度，频率，占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有使用价值。只要将这个信号发生器设计的基本思路掌握，不但可以融会贯通所学的专业知识还可以在以后工作中利用到，作为用来控制其他设备或设计的一个参考。使用单片机设计的多功能信号发生器,不仅减少了器件,简化了电路,节约了成本,更使得系统稳定节能,方便快捷地输出多种低频信号。这种结构简单，成本低廉但是性能优良的信号发

7、生装置已经越来越广泛地应用在现代化控制领域的各个方面。无论是工业，民用，航空，军事还是商业领域都有信号发生装置的设计应用产品。目录1. 系统设计1.1 设计要求 1.2方案设计与论证 1.2.1 信号发生电路方案论证 1.2.2 单片机的选择论证 1.2.3 显示方案论证 1.2.4 键盘方案论证 1.3 总体系统设计 1.4 硬件实现及单元电路设计 1.4.1 单片机最小系统的设计1.4.2 波形产生模块设计 1.4.3 显示模块的设计 1.4.4 键盘模块的设计1.5 软件设计流程 1.6 源程序2. 输出波形的种类与频率的测试2.1 测试仪器及测试说明2.2 测试结果3. 设计心的及体会

8、4. 附录 4.1 参考文献 4.2 附图第一章 绪论系统设计 经过考虑，我确定方案如下：利用AT89C51单片机采用程序设计方法产生锯齿波、正弦波、矩形波三种波形，再通过D/A转换器DAC0832将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来，通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示其各自的类型以及数值。1.1、设计要求 1)、利用单片机采用软件设计方法产生三种波形 2）、三种波形可通过键盘选择 3）、波形频率可调 4）、需显示波形的种类及其频率1.2方案设计与论证 1.2.1 信号发生电路方案论证 方案一：通过单片机控制D/A，输出三种波形。此方案输出的波形不够稳

9、定，抗干扰能力弱，不易调节。但此方案电路简单、成本低。 方案二：使用传统的锁相频率合成方法。通过芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。此方案，电路复杂，干扰因素多，不易实现。 方案三：利用MAX038芯片组成的电路输出波形。MAX038是精密高频波形产生电路，能够产生准确的三角波、方波和正弦波三种周期性波形。但此方案成本高，程序复杂度高。以上三种方案综合考虑，选择方案一。1.2.2 单片机的选择论证 方案一：AT89C51单片机是一种高性能8位单片微型计算机。它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I

10、/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机、而且其价格便宜。方案二：C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8052的数字外设部件，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，而且执行速度快。但其价格较贵以上两种方案综合考虑，选择方案一 1.2.3 显示方案论证 方案一：采用LED数码管。LED数码管由8个发光二极管组成，每只数码管轮流显示各自的字符。由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间隔小于1/16s时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。

11、使用数码管显示编程较易，但要显示内容多，而且数码管不能显示字母。 方案二：采用LCD液晶显示器1602。其功率小，效果明显，显示编程容易控制，可以显示字母。以上两种方案综合考虑，选择方案二。1.2.4 键盘方案论证方案一：矩阵式键盘。矩阵式键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线都断开，行线都呈高电平。当某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线被短路。方案二：编码式键盘。编码式键盘的按键触点接于74LS148芯片。当键盘上没有闭合时，所有键都断开，当某一键闭合时，该键对应的编码由74LS148输出。以上两种方案综合考虑，选择方案一。1.3总体系统

12、设计该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析以及信号的处理和变换，采用按键输入，利用液晶显示电路输出数字显示的方案。将设计任务分解为按键电路、液晶显示电路等模块。图（1）为系统的总体框图 主控芯片AT89C51P0 P1P2 P3 频率调节波形选择D/A转换电压放大滤波输出出显示 图（1） 总体方框图1.4硬件实现及单元电路设计 1.4.1单片机最小系统的设计AT89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用AT89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图（2） 89C51

13、单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：(1) 有可供用户使用的大量I/O口线。(2) 内部存储器容量有限。(3) 应用系统开发具有特殊性。图（2） 89C51单片机最小系统1.4.2 波形产生模块设计 由单片机采用编程方法产生三种波形、通过DA转换模块DAC0832在进过滤波放大之后输出。其电路图如下： 图（3）波形产生电路如上图所示，单片机的P0口连接DAC0832的八位数据输入端，DAC0832的输出端接放大器，经过放大后输出所要的波形。DAC0832的为八位数据并行输入的，其结构图如下： 图（4）DAC0832的内部结构1.4.3 显示

14、模块的设计通过液晶1602显示输出的波形、频率，其电路图如下： 图（5）液晶显示如上图所示，1602的八位数据端接单片机的P1口，其三个使能端RS、RW、E分别接单片机的P3.2P3.4。通过软件控制液晶屏可以显示波形的种类以及波形的频率。1.5 软件设计流程本系统采用AT89C51单片机，用编程的方法来产生三种波形，并通过编程来切换三种波形以及波形频率的改变。具体功能有：（1）各个波形的切换；（2）各种参数的设定；（3）频率增减等。软件调通后，通过编程器下载到AT89C51芯片中，然后插到系统中即可独立完成所有的控制。软件的流程图如下： 图（7）程序流程图2、输出波形的种类与频率的测试2.1

15、、测量仪器及测试说明测量仪器：稳压电源、示波器、数字万用表。测量说明：正弦波、矩形波、三角波信号的输出，通过对独立键盘来实现其的不同波形的输出以及其频率的改变。2.2测试过程 当程序下进去时经过初始化，液晶屏的上只显示“wave：”和“f：“，当开关三按一下是此时输出波形为正弦波，按两下时输出为方波，按三下时输出为三角波。另外两个开关可以调节频率，三种波形的频率可调范围不同，分别如下： 正弦波：1180HZ 方 波：13.3KHZ 三角波：1180HZ根据示波器的波形频率的显示计算出三种波形的频率计算公式如下：正弦波：f=(1000/(9+3*ys)方 波：f=(100000/(3*ys)三角波：f=(1000/(15+3*ys)其中ys为延时的变量。三种波形的仿真波形图如下： 图（8）正弦波图形 图（9）方波图形 图（10）三角波图行2.3、测试结果各项指标均达到要求。测试数据如下： 1）、产生正弦波、方波、三角波基本实现2）、三种波形的频率都可调，但不能步进的调节，其中方波的可调范围最