基于单片机超低频波形发生器硬件设计和实现通信工程专业.docx

在科学研究、工程教育及生产实践中，常常需要用到低频信号发生器。本文主要介绍一种以单片机为核心的超低频任意函信号发生器。该信号发生器由存储模块、按键模块、LED显示模块、D/A转换模块组成，它采用数字波形合成技术,通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自定义波形,如正弦波、三角波、方波和锯齿波及其他任意波形。文中详细介绍了硬件电路设计的原理和软件编程的上设计思想以及实验调试过程。实验结果表明，该信号发生器输出的波形的频率和幅值在一定范围内可任意改变，与传统信号发生器只有固定的几种输出波形相比,具有输出波形的任意化和低频精度高的特点。它还具有的特点是价格低、性能高,在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等。关键词：单片机AT89C51；DAC0832；低频信号；发生器ABSTRACTInscientificresearch,engineeringeducationandpracticeofproduction,oftenneedtouselow-frequencysignalgenerator.Inthispaper,introducesaultra-lowfrequencyarbitraryfunctionsignalgeneratortoSCMasthecore.Thesignalgeneratorismadeofthememorymodules,thekeymodules,LEDdisplaymodules,D/Aconvertermodules,itusesdatewaveformsynthesistechnology,throughhardwareCircuitandsoftwareProceduresiscombined,customWaveformcanbecustomized,suchassinewave,trianglewave,squarewaveandsawtoothwaveandotherarbitrarywaveform.Inthispaper,detailintroducestheprincipleofthedesignofhardwarecircuitandthemindofthedesignofsoftwareprogrammingandtheprocessofexperimentdebug.Theresultsofexperimentshowthat,theoutputwaveform,sfrequencyandamplitudeofthesignalgeneratorcanbearbitrarilychangedinacertainrange,comparedWiththetraditionalsignalgeneratorOnlyhaveafewfixeoutputwaveform,withthecharacteristicsofoutputwaveform'sarbitraryandhighprecisionofthelow-frequency.Italsohasthecharacteristicsofalowprice,high-performance,goodStabilityinlow-frequencyrange,easytooperate,smallsize,lessconsumpteofpowerEtc.Keywords：AT89C51microcontroller；DAC0832；Lowfrequencysignal；Generator刖百信号发生器是使用很广的仪器，在科学研究、工程教育及生产实践中，常常需要用到低频信号发生器。如工业过程控制、教学实验、机械振动、生物医学等领域。对它的要求也随着技术的发展越来越高，以往的信号源只可输出单一正弦或几种如三角、正弦、脉冲、方波等波形,且一台仪器的输出频率范围也较窄，一般只是在超低或低频范围，特别是在超低频范围，波形的精度和稳定度等重要指标都不高，目前,长期使用的信号发生器绝大部分都是由模拟电路构成的,这类仪器作为信号源,频率达百兆赫兹,在高频范围内其频率稳定性与可调性好。而用于低频信号输出时,其需要RC值很大，参数准确度难以保证,而且体积大,损耗也大。目前,有人研究制造了由数字电路构成的低频信号发生器,其低频性能好,但是体积较大,价格较贵。这里介绍一种以单片机为核心,设计了一个超低频任意函数信号发生器。单片机控制超低频任意信号波形发生器与现有采用微处理器和数模转换器组成的数字式低频信号发生器相比，由于采用直接数字波形合成技术,频率准确度和稳定度较高。与现有采用计数器、只读存储器、D/A转换器和滤波器等组成的信号发生器相比，由于采用单片机控制和随机存储器RAM,通过一定算法除可产生方波、三角波、锯齿波、正弦波外还可方便地产生其他周期任意信号波形，解决了输出波形种类单一的问题,具有广泛的应用前景。本课题设计中，函数发生器采用ATM89C51单片机作为控制核心，外围采用模拟/数字转换电路、数据存储器，按健和LED显示灯电路等。通过按键控制可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等低频任意波形，同时用LED显示灯指示对应的波形的频率。木系统设计简单、性能优良，具有一定的实用性。硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。另一方面，它具有价格低、性能高和在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等特点。此电路清晰，出现故障容易查找错误，操作简单、方便。具体的设计内容讲在本论文中详细论述。摘要OABSTRACTO前言O绪论O1 .方案论证O1.1 方案论述O1.2 方案比较O1.3 结论O2 .超低频波形发生器硬件设计O2.1 主控电路及主控芯片的选择O2.1.1 时钟电路设计32.1.2 复位电路设计32.1.3 利用AT89C51计数42.2 D/A转换电路的设计52.2.1 D/A芯片选择52.2.2 DAC0832芯片介绍72.2.3 DAC0832芯片与单片机硬件接口设计92.2.4 放大整形102.3 显示电路及显示接口芯片选择112.3.1 显示器的选择112.3.2 显示器工作方式的选择132.3.3 1.ED与单片机的接口电路设计142.4 按键电路的设计142.5 电源电路153 .软件设计03.1 D/A转换I3.2 键扫描程序设计13.3 显示程序设计24 .系统的调试04.1 硬件的调试04.2 软硬件调试15 .仿真实验结果与结论06 .社会经济效益0结束语0附录10附录21附录36附录40绪论课题背景波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。单片机控制超低频任意信号波形发生器，由于采用单片机控制和随机存储器RAM,通过一定算法除可产生方波、三角波、锯齿波、正弦波外还可方便地产生其他周期任意信号波形，解决了输出波形种类单一的问题，具有广泛的应用前景。利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其下限频率很低。具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。这里介绍一种采用AT89C51单片机和一片DAC0832数模转换器做成的数字式低频信号发生器，它的特点是价格低、性能高，在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等。信号发生器与其它相比还具有如下优点：较分立元件信号发生器而言，具有频率高，工作稳定，容易调试等特性；较专用DDS芯片的信号发生器而言,具有结构简单，成本低等特性。系统整体目标此课题的具体要求如下所述。1 .以单片机为控制核心，采用直接数字波形合成技术产生方波、三角波、正弦波和其他任意模拟周期信号波形。2 .将波形数据存储在数据存储器中。3 .通过单片机控制，将波形数据读出，送入D/A转换电路和放大处理后得到所需的任意模拟周期信号波形。4 .输出信号的频率范围在0.0IHZIOoHZ之间，幅度为+5V,波形失真度小于1%。5 .以单片机为核心器件，形成相应的硬件电路。自行编制单片机控制程序，并进行硬件调试、软件调试，最后进行软硬件联调，达到性能要求。1 .方案论证1.1 方案论述从学科所涉及的不同范围以及器件的不同选择来构思，可以实现的方案有很多，现提出二个可行的方案并分别论述其工作原理及可行性。方案一：方案一方框图如图1,1.1所示。采用AT89C51芯片，数模芯片采用DACO832芯片，构成基本的波形发生电路，设置多个按键用来控制波形输出以及调整信号频率的大小。此电路设计输出波形稳定，精度高。图1L1方案一原理框图方案二：方案2方框图如下图1.1.2所示。本方案的是基本原理在PC机上按下鼠标左键创建一个周期的波形,再将各点值传送给单片机系统,产生实际的模拟信号。模拟信号通过D/A转换器的转换,得到所需要的波形信号。图L12方案二原理框图1.2 方案比较单片机控制超低频任意信号波形发生器（方案一）与现有采用微处理器和数模转换器组成的数字式低频信号发生器（方案二）相比,由于采用直接数字波形合成技术,频率准确度和稳定度较高。但是方案2中微处理器对信号的显示和处理非常方便，只是需要同时编辑单片机语言和微处理器所需要的高级语言，工作量大而且较为复杂。因此我还是选择了方案一,微处理器的优点具有广泛的应用前景。1.3 结论通过上述方案的比较最终确定选择方案一。2 .超低频波形发生器硬件设计（1） 主控电路及主控芯片的选择单片机即单片微型计算机（SingleCHiPMiCrOCOmPlIter）是把组成微型计算机的各种功能部件，包括中央处理单元（CPU）、随机存储器（RAM）、程序存储器（Rc）M）、定时器/计数器及输入输出接口等部件都集成在一块芯片上。是一种集成度高、性价比优越、质量小、体积小的微型计算机。单片机按其使用目的可以分为通用和专用两种类型。通用单片机是一种基本芯片，内部功能及资源丰富，性能全面，适应性强，可覆盖多种用途。用户可以根据需要设计成各种不同的单片机控制系统，即有一个再设计的过程。专用型单片机在设计时已对系统结构进行了简化，对软、硬件进行了优化，可靠性高，成本低，但是这类单片机功能单一，通常是针对某一特定的产品。本设计应采用通用型单片机。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机也正朝着CMoS化、低功耗、体积小、大容量、高性能低价格和外围电路内装化等几个方向发展。在单片机家族中，Imel公司推出的MCS-51系列中的80C51是其中的佼佼者。MCS-51系列单片机是8位单片机中应用范围最广的一类单片机。近几年来，许多单片机开发厂商也推出了许多基于8OC51单片机内核的扩展型单片机，产品在保持与51单片机兼容的基础上改善了很多特性，性能各异。常用的单片机有很多种：InteI8051和8751系列、MOtoroIa的MC6801系列、AtmeI的AT89系歹h台湾WinbolKi（华邦）W7和W78系歹U、荷兰PHiliPS的51