【《基于仿真软件的信号发生器设计》7700字（论文）】

基于仿真软件的信号发生器设计摘要信号变化是电子通信领域的基本变换类型，也是信号传输数据表达的基本表现形式，对信号发生器的研究设计是电子设计的重要内容，稳定的信号发生器设备对于电子设计的实验研究和应用测试都有重要的应用价值和测试价值。系统中采用STC89C52RC单片机作为核心控制器实现对信号发生器的波形信号生成，系统部件包括独立按键模块、LCD1602液晶显示模块、DAC0832数模转换器、LM358信号发生器模块以及电源模块。信号发生器完成方波、三角波、锯齿波、正弦波的波形输出，波形输出可进行频率和幅值的输出调节，输出频率最高可达到1Khz幅度最高可达到5V。系统完成各个模块电路和对应控制程序的设计，同时利用Proteus仿真软件实现系统的功能仿真测试。关键词：STC89C52RC；LM358；DAC0832；信号发生器；目录前言 21系统方案设计 21.1设计的整体框架 21.2方案设计 21.3波形生产方案设计 31.4显示方案设计 41.5按键方案设计 42系统硬件电路设计 62.1主控电路设计 62.2数模转换电路设计 72.3运算放大电路设计 82.4液晶显示电路设计 92.5按键电路设计 102.6系统电源电路设计 112.7总电路设计 103系统软件设计 133.1主程序设计 133.2波形程序流程图 143.3数据显示程序设计 144系统仿真调试 16总结 19参考文献 20附录 22前言集成电路的发展源起于美国上个世纪50年代，其中专业的信号发生器件和概念于70年代后信号发生器的研制推广后被广泛使用。早期的信号发生器器件是在上个世纪60年代以后晶体管问世后出现的，信号发生器的形态也随着晶体管技术的迭代发展壮大，晶体管的制式决定了运算信号发生器的构成形态，在1974年晶体管应用成熟的时期，晶体管类运算信号发生器集成电路得到了长足的发展[2]。在如今随着智能化电子设备的发展，信号发生器也被融入了更多的智能化的功能赋值，其中和单片机类产品的结合构成的数控信号发生器设备的应用是目前的发展趋势之一，而更加智能化的自适应技术和智能化技术则是下一步的技术迭代发展方向[4]。信号发生器在仪表仪器、测量测试、无线通信等多个领域都有着广泛的应用需求，并且随着电子产品对精密性信号的通讯需求的越来越高，对信号发生器的噪声和失真以及匹配性的要求也更加苛刻[2]。其中测试类信号发生器的应用中对数控信号发生器类别产品有更多的应用需求，数控信号发生器能够在产品测试过程中提供更多样化的测试信号类型，同时在产品应用需要进行自适应性调整时能够进行数控修正[3]。本课题中采用单片机搭配模数转换器和信号发生器模块设计一款能够实现数控可调的信号发生器产品，其具备低频低噪声的应用特性，适用于低频产品的性能测试和型号测试使用，对于数控信号发生器产品的技术累积有促进作用[5]。

1系统方案设计1.1设计的整体框架信号发生器有波形生成和波形放大两个部分，按照功能将系统划分为四个模块，分别是主控模块、模数转换模块、信号处理模块、人机交互模块。主控模块主要由智能处理器作为主控元器件，实现对整个信号发生器各元器件的控制和协调，从而实现信号发生器的各个功能。模数转换模块和信号处理模块则是构成系统的波形输出和幅值调节功能实现。人机交互模块实现系统的输入信息和输出信息的构建。信号发生器系统框架结构图如图1-1所示。液晶显示液晶显示按键单片机数模转换运算放大器输出电源图1-1系统框架结构图1.2方案设计1.2.1主控方案设计单片机是电子技术中最为常用的控制元器件之一，利用单片机可以设计灵活、高效、兼容性良好、扩展性良好的智能电子系统。单片机的种类和型号丰富多彩，根据常用的单片机类型选择两种不同方案的设计，比较不同方案下单品机的优缺点[5]。方案一：PIC系列单片机主打的是中高端的电子产品的消费场景，因此对于一些中高端的智能家居和人工智能以及一些工控场景。由于PIC具备有非常优越的抗干扰能力，因此是非常适用于工控场景的[6]。方案二：单片机选择51系列单片机有几个原因，第一是该系列单片机上手简单、开发难度不大。第二是信号发生器的功能需求51系列单片机就可以完全满足，同时还具有良好的扩展性和兼容性。第三是51系列单片机相对而言价格较低，具有良好的经济技术指标。具体选择SCT89C52RC单片机作为本系统的主要控制元器件，该单片机具有4组八位的输入输出引脚，同时具有内部定时器和外部中断，同时拥有片上ROM和RAM，能够实现便捷高效的设计开发[9]。综合两种方案，PIC单片机具备有良好的性能以及优越的抗干扰能力，但是信号发生器要求的性能和抗干扰能力都比较低，另外从成本方面考虑，PIC是两款单片机中最贵的。方案二的51系列单片机可以满足信号发生器的性能要求和功能要求，可以达到良好的点阵控制，同时具有明显的优势，其成本较低并且扩展性和兼容性都较好，因此选择方案二作为系统的设计方案。1.2.2波形产生方案设计信号发生器的波形生成方案有DAC0832数模转换器和DDS信号发生器两种可选方案，两种波形生成方案的应用的场景不同，本节中对其特点进行说明分析。方案一:DDS信号发生器是专业的信号生成模块，AD9833DDS信号发生器采用SPI总线进行数字化控制，具备方波、正弦波、三角波三种波形的内部输出，并且最高能够实现12.5Mhz的频率信号输出，能够完成高频波形信号的定制化输出应用[8]。方案二：DAC0832数模转换器可实现数字量到模拟量的信号传输变化，DAC0832结合智能处理器，通过智能处理器的内部编程能力可实现定制波形的输出，DAC0832能够实现1us的模拟量数据的输出，搭配智能处理器能够实现8KHz的波形信号输出，波形输出自由度高灵活性强[9]。两种方案都能够实现波形信号的输出，方案一能够输出的波形频率和范围更高，但DDS信号发生器的价格过于昂贵，故而选择价格相对低廉的DAC0832作为系统的波形输出器件。在系统的波形幅值调节上选择LM358作为输出信号幅值调节器件，LM358运算放大器在能够实现信号幅值控制的同时也能够实现波形信号的输出功率提高，并且其具备1MHz的信号带宽满足系统的波形输出幅值控制需求。1.2.3显示方案设计信号发生器的数据显示主要包括输出波形类型和频率数据信息的显示，相对而言显示的内容还是较多的，而数据显示的方式有几种，数码管显示和液晶显示，由于数码管显示比较适用于数据量小的系统的数据显示，因此选择液晶显示器作为主要的显示器件[6]。方案一：LCD1602是一款液晶显示器，内部具有一套完整的控制指令，因此其使用和操作都十分方便，在显示方面可以显示16列2行的数据内容，可以实现英文、数字和符号的显示，因此可以作为本系统的选择之一[6]，但是需要将汉字信息简化来显示，比如“楼”是系统中出现非常多的汉字显示内容，可以通过拼音简写“L”的形式来表示，另外的数字和上下符号都是可以实现显示功能的。方案二：LCD12864是一款彩色显示屏，因此可以显示的内容也更加丰富，可以实现汉子和简单图形的显示，另外其分辨率是128*64，具有更强的分辨率[9]。另外从显示范围的大小来看，其具有更大的显示范围，但是其价格也相对较高。对比两个方案，都可以实现信号发生器的显示需求，但是LCD12864的显示效果会相对更好，但是其价格也相对较高，考虑到成本和操作难度，选择LCD1602作为系统的主要显示器件。1.2.4按键方案设计系统的频率和波形调节采用键盘设备作为输入媒介，常用的按键组合方式有独立按键键盘和矩阵按键键盘两种模式。独立按键键盘是最常见的键盘组合形式，其采用一个按键对应一个识别判断引脚的直通连接模式，在技术实现上难度较低同时其响应速度较快，但是在应付多按键信号输入的时候会加大系统信号识别负担和识别引脚的消耗。矩阵按键键盘是多按键输入时的常用按键模式，矩阵键盘能够实现多个按键的组合信号输入，矩阵键盘采用行列组合的形式进行达成多按键信号的组合输入，搭配匹配的按键信号处理程序能够实现按键信号识别引脚节省的应用功能，同时也能够便捷的达成组合按键功能的算法结合实现。在信号发生器设计中按键的输入信号量较少，并且其键值扩展性需要较弱，故而独立按键键盘模式更契合于信号发生器设计的需求，故而系统的按键设备选择上选用独立按键键盘作为信息输入设备[3]。2系统硬件电路设计2.1主控电路设计2.1.1STC89C52单片机简介STC89C52RC片机是本系统的主控芯片，与输出管脚互相兼容，同样地，它还具有功耗低、性能高的特点，它的系统闪烁可编程可擦除只读存储器为8K字节。它拥有4组8位共32个引脚，以及内部定时器、外部中断，可以满足信号发生器控制的功能需求，该单片机属于51系列的单片机，因此使用和操作都属于相对简单的，其内部没有时钟电路。STC89C52引脚功能：P1.0~1.7是8位准双向I/O口，负载能力为3个LSTTL门；RST是复位端，高电平有效；RXD：串行口输入端；TXD：串行口输出端；INT0：外部中断0输入端；INT1：外部中断1输入端；T0：定时器/计数器0外部输入端；T1：定时器/计数器1外部输入端时钟电路引脚；GND：地址锁存信号端；WR：片外数据存贮器写选通信号输出端；RD：片外数据存贮器读选通信号输出端；P3.0~P3.7：8位准双向I/O口。STC89C52芯片如图2-1所示。图2-1STC89C51芯片2.1.2最小系统电路设计系统的最小电路主要包括时钟电路和复位电路,STC89C52片机的复位引脚是RST引脚，时钟引脚是XTAL1和XTAL2引脚，因此最小系统电路主要就是完成这三个引脚的配置[6]。时钟电路是由石英晶振和瓷片电容构成，参数的选择主要是根据单片机的数字手册上的说明，提供振荡信号的主要来源是石英晶振，而瓷片电容可以使得振荡信号更加稳定[7]。复位电路是由RC电路构成，主要作用是为单片机的运行提供一个有效的复位信号。选择10K的电阻和10uf的电容组成RC电路，时间常数为10ms，因此可以为RST引脚输出一个时间持续0.1s的高电平信号，满足单片机的复位需求。另外还设计了一个独立按键，独立按键主要实现手动复位的功能需求。STC89C52的最小系统电路如图2-2所示。图2-2最小系统电路2.2数模转换电路设计2.2.1数模转换芯片DAC0832简介本设计选用的数模转换集成芯片DAC0832的分辨率为八位，数模转换器DAC0832是一种将输入的二进制数转换成模拟量的集成电路芯片，它的数字信号端采用并行信号输入，采用并口信号输入可以提升数据的输出速率提高模数转换的效率。它是由数模转换器、DAC寄存器、输入锁存器以及数模转换控制电路构成，集成电路内部有两级输入寄存器，使它拥有三种输入模式分别为双缓冲、单缓冲和直通模式，用来适合于各种电路的需要，因此数模转换芯片DAC0832的应用很广泛。DAC0832芯片如下图2-3所示。图2-3DAC0832芯片2.2.2数模转换电路设计单片机控制DAC0832产生各种波形，实质就是单片机把波形的采样点数据送至DAC0832，经D/A转换后输出模拟信号。改变送出的函数波形采样点后的延时时间，就可改变函数波形的频率。DAC0832波形信号输出电路如图2-4所示。图2-4DAC0832电路图2.3运算放大电路设计2.3.1LM358芯片简介LM358又称为双运算放大器，它包含两个增益高的独立运算放大器和内部频率补偿。它的封装形式有塑封8引线双列直插式、贴片式，它具有带负载能力强、低输出电阻特点。LM358各个引脚的功能：1脚是输出端，2脚是反相输入端，3脚是同相输入端;4脚是负电源(双电源工作时)或地(单电源工作时);5脚是同相输入端;6脚是反相输入端;7脚是输出端;8脚是正电源;1、2、3脚是一个运放通道，5、6、7脚为另一运放通道。LM358芯片如图2-5所示。图2-5LM358芯片2.3.2运算放大电路设计信号发生器由DAC08322数模转换电路输出波形信号后由LM358进行信号幅值控制处理，LM358采用单电源供电，构建同向放大电路和电压跟随器，构成输出波形的幅值控制和信号功率增强。将DAC0832波形输出后连接到LM358的同向输入端，搭建同向放大电路，利用可调电阻调节放大倍数达到输出信号可调的功能实现，同向放大后直接输入到电压跟随放大器中提高波形驱动能力。LM358信号处理电路如图2-6所示。图2-6LM358信号处理电路图2.4液晶显示电路设计2.4.1LCD1602芯片简介本项目使用的LCD1602液晶显示器是一种工业液晶，由液晶显示器（LCD）、主控制电路和扩展驱动器组成。在PCB面板上安装有移动电路、少量电阻、冷凝元件和结构部件。它的特点是体积小，功耗低，成本较低，显示操作简单。液晶矩阵模块，专门用于显示符号、字母、英文、数字、日文等。LCD1602通过控制液晶偏转角度来控制显示颜色。LCD1602表示显示的内容为每行16个字符，一共可以显示两行即32个字符，控制简单。LCD1602芯片如图2-7所示。图2-7LCD1602芯片2.4.2液晶显示电路设计系统的输出波形状态信息需要实时的显示，因此采用液晶显示电路来显示温度数据等内容，选择LCD1602作为主要的显示器件，系统显示的内容基本为字母、数字和符号，因此完全可以满足显示需求。LCD1602需要对多个引脚进行连接，其中除了电源和地引脚外，有3个控制引脚，8个数据引脚，这11个引脚需要与单片机连接，由于采用串口通信的方式来进行数据传输，将RS和E引脚与单片机的P25和P27口连接，RW引脚则接地处理。LCD1602液晶显示电路如图2-8所示。图2-8LCD1602数据显示电路图2.5按键电路设计信号发生器中需要设置按键电路将控制指令输入到系统中，根据系统的功能需求，需要设置四个按键，分别实现对输出波形和频率的调整，由于按键的数量较少，不适宜用矩阵键盘会产生大量按键资源的浪费，因此采用独立按键来实现。电路结构上，按键的一端与单片机的IO口连接，另一端则是接地连接，单片机IO口持续输出高电平，当按键按下时，IO口的电平会变化为低电平，以此达到识别按键按下的目的。信号发生器的LED部分设置用于区分输出波形类型，对应LED点亮对应不同的波形输出，LED电路的连接只需要加入1K限流电阻采取低驱控制即可，1k电阻使得LED的导通电流不大于5mA，保证LED不会因为电流太大而出现烧毁的情况，按键和LED电路如图2-9所示。图2-9按键和LED电路结构图2.6系统电源电路设计信号发生器系统的元器件都是选用的5V电压供电元件，因此在电源电路的设计上就十分简单了，只需要提供稳定有效的5V电源就能实现整个系统的电源需求。电路结构设计上，采用DC3.5接头和自锁开关构成，自锁开关用于电源信号的通断控制[8]，如图2-10所示为电源电路图。图2-10系统供电电路图2.7总电路设计本电路的控制核心为51系列单片机中的STC89C52单片机，以采用数模转换芯片DAC0832实现波形切换、频率可调正弦波、方波、三角波的输出，然后在keil中进行程序的编写生成的hex文件下载到单片机内部。由单片机整个系统的控制中心由STC89C52组成在核心部分，主要完成不同波长的数字合成，执行用户命令，控制波长的输出。通过电源组件与主机通信。通过数模转换电路DAC0832输出波形信号由LM358进行幅值控制,选择液晶显示电路LCD1602进行人机交互，用户通过按键实现波形转换和频率改变，信号发生器的LED部分设置用于区分输出波形类型。如图2-11为系统总电路图设计。图2-11系统原理图

3系统软件设计3.1主程序设计主程序是整个系统的运行流程和逻辑思路，因此主要包括系统的初始化、合理调用子程序等功能。然后进入到while循环扫描程序，在循环中由按键作为系统的波形控制水杯，当接收到按键发送的启动输出信号时，进入到波形输出程序。根据波形配置输出波形类型和频率数值，在没有改变输出状态时进入配置好的波形信号的循环输出状态。主程序流程图如图4-1所示。开始开始是否启动输出？读取波形信号类型和频率数值NYDAC0832赋初值发送数据全部发送完？停止继续发送返回NYN图3-1主程序流程图3.2波形程序设计流程图本项目选用数字转模拟量的DAC0832转换芯片，输出波形采用取表格法，曲线表格法采用相应的波形产生程序产生相应的波形板。波长板的值直接输入DAC0832数据口的并行端，完成该点对应的波长输出数据，然后根据设定的输出频率控制波长。项目中的波单元为64位，因此最大波信号位为64位。当形状数据达到最大位数时，它必须返回到零，这样循环输出才能完成连续波输出。波形图如图3-2所示。A=00HA送到0832输出A=A+1开始A=00HA送到0832输出A=A+1开始YNA=64？图3-2波形程序流程图3.3数据显示程序设计数据显示程序主要是完成LCD1602的驱动，在程序设计的思路上，首先要进行模块的初始化工作，接着要对LCD1602进行忙信号的检测，如果检测LCD1602处于忙状态则不能进行数据写入，需要进行等待。若LCD1602处于空闲状态则可以开始进行数据写入工作，数据写入先进行显示地址的写入工作，接着进行显示内容的写入工作，写入内容到LCD1602后就开始显示对应的内容，如图4-3所示为数据显示程序流程图。返回返回液晶初始化检测液晶忙状态写入显示地址液晶处于空闲状态？开始NNY写入显示数据内容NY图3-3液晶数据显示程序流程图

4系统仿真调试信号发生器设计中运用Keil软件进行程序编写的工作，首先要在Keil中完成好整个软件程序的编写和调试，确定好程序完整且正确，可以正常的运行和编译。在运行的过程中，如果出现程序的报错，需要及时的进行修复和修改，并且要发现问题的关键在哪里。之后对主程序进行编译，编译完成后需要查看编译结果，结果符合预期要求后，生成对应的hex文件应用于后续仿真中。系统利用Proteus软件进行仿真，首先需要在Proteus软件中建立工程和项目，建立好后开始建模，根据电路原理图中用到的元器件，在Proteus中找到对应的元器件，将各个元器件摆放好合理的位置后，根据电路原理图进行连接工作，完成好建模工作后，需要将生成的hex文件下载到单片机中去，具体的做法是双击单片机，将生成的hex文件添加进去。接着就可以开始正式进入到仿真工作。在信号发生器中启动模拟后，系统的初始化状态为正弦状态，然后输出频率为100Hz，代表正弦输出的LED灯亮起由此开始，信号发生器的模拟如图4-1所示。图4-1正弦波输出仿真图当按两次键KEY1时，信号发生器从正弦输出切换到方形输出，指示三角形输出的LED将打开。状态模拟如图4-2所示。图4-2方波输出仿真图按三次键KEY1后，信号发生器从正弦输出切换到三角形输出波，并按键KEY2按钮设置三角形输出频率为200HZ。此时信号发生器的输出形式如图4-3所示。图4-3200hz三角波波形图Proteus调试仿真结果表明，该信号发生器的液体波形输出速率和频率精度是允许的，输出波形是稳定的频率允许设置正弦波信号、方波信号和三角信号波，输出频率可设置在10Hz和500Hz之间。频率可通过按键和LCD调节。并根据设计要求，为LED灯构建了良好的人机交互功能。

总结首先完成系统的整体设计方案，从不同模块不同功能来选择合理的设计方案，绘制了各部分的硬件结构框图，并且完成了各主要元器件的选择，同时绘制了整体硬件结构框图。然后完成了系统的电路设计，同样是分模块的方式来完成设计，完成了系统的软件设计，设计主程序，绘制了系统的主程序流程图，并且分析了主程序的主要流程。各子程序的流程图和流程也做出了详细分析。最后进行了系统的仿真制作和测试工作，测试主要分为软件测试、硬件测试