基于单片机的多波形信号发生器毕业设计论文.docx

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基于单片机的多波形信号发生器毕业设计论文

温州大学瓯江学院

WENZHOUUNIVERSITYOUJIANGCOLLEGE

本科毕业设计（论文）

（2011届）

题目：

基于AT89C51单片机的

多波形信号发生器

摘要

信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。

目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器，且特殊波形发生器的价格昂贵。

本设计使用AT89c51单片机和DAC0832，可产生三角波、方波、正弦波，波形的频率可用程序控制改变。

在单片机上加外围器件距阵式键盘，通过键盘控制波形频率的增减以及波形的选择，并用了LCD显示频率大小。

在单片机的输出端口接DAC0832进行D/A转换，再通过运放进行波形调整，最后输出波形接在示波器上显示。

本设计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。

关键词：

信号发生器；单片机；DAC0832

Abstract

Signal-generatorisakindofsignalsourceincommonuse,broadlyappliedattheelectronicselectriccircuit,autocontrolsystemandteachingexperimentetc.Currentlyusedmostlysignalgeneratorisfunctiongenerator,aspecialwaveformgeneratorisveryexpensive.

ThisdesignisusageoftheAT89s51single-chipmicrocomputerandDAC0832,whichcangeneratetrianglewave,squarewave,sinewave,theperiodofwavecanbecontrolledbyprocedure,atoutercirclesparepartofthemicrocomputer,plusindependencetypekeyboard,whichcancontrolwave’sfrequencyincreaseordecreaseandthechoiceofwave-form,atthesametimeLEDdisplayfrequencysize.TheoutputofthemicrocomputeconnectDAC0832tocarryonaDAconversion，againpassoperationamplifiertoputanendexportationwave-form.Thisdesignhasadvantageofsimplecircuit,tightlypackedstructure,cheapprice,superiorfunctionetc.

Keywords:

signalgenerator;MCU;DAC083

1绪论

1.1前言

在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。

而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。

譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。

信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。

1.2信号发生器的背景与意义

信号发生器作为一种通用的信号源发生器仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。

随着通讯和雷达技术的发展40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的产生信号仪器发展成定量分析的产生信号仪器。

同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。

自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，这个时期的波形发生器大多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形。

自从70年代微处理器的出现以后，利用各种微处理器、模数转换器和数模转多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。

极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的控制力，提高了信号的准确度、精度和变换速度。

单片机在我国的应用历史不久,但发展很快.1980年应用软件只有100项.到1985年猛增至15000项.目前我国的单片机应用主要在工业自动化与仪器仪表控制。

与控制有关的的仪器表因广泛采用单片机，对单片机的应用产生重大的影响:

1．简化了仪表面盘,用数字键盘代替了面板开关和旋钮,外表美关。

2．增强了仪表的功能和灵活性。

3．使仪表能对简单的测量数据进行处理以及实现校正和自动诊断。

4．可用软件代替硬件,实现虚拟检测,这使单片机向智能化.随着单片机技术的迅猛发展,信号发生器也伴随着它得到迅猛的发展。

可以说,单片机技术的发展,为信号发生器提供了广大的空间。

单片机的性价比高,具有体积小,耗电省,携带方便,使用环境要求低,以及灵活,通用性好等特点。

尽管单片机还存在速度不高,内存容量小,寻址方式不多等特点,但随着,不断的技术改进和本身特点,因而得到迅速发展。

通过该设计课题的研究和制作使我对信号发生系统要有一个全面的了解、对信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：

波形的设定，D/A转换，单片机（51单片机，显示电路，键盘控制），显示和各模块的连接通信等各个部分的熟练联接与调试，全面的了解常规芯片的使用方法、掌握了简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我在信号处理方面的实际工作能力。

1.3本次设计任务

本设计的任务是通过AT89C51单片机制作波形信号发生器该设计课题的研究和制作使我对信号发生系统要有一个全面的了解、对信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：

波形的设定，D/A转换，单片机（51单片机，显示电路，键盘控制），显示和各模块的连接通信等各个部分的熟练联接与调试，全面的了解常规芯片的使用方法、掌握了简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法。

本设计的目标是：

1利用单片机程序，产生数字式的正弦波、方波、三角波频率可调的信号。

波形要求：

正弦波：

输出电压值为-5V—+5V，初始频率为10HZ，频率最大值为100HZ，频率调节步进值为10HZ。

方波：

输出电压为-5V—+5V，初始频率为200HZ，频率最大值为2KHZ，频率调节步进值为200HZ。

三角波：

输出电压为-5V—+5V，初始频率为50HZ，频率最大值为500HZ，频率调节步进值为500HZ。

②可通过键盘进行波形和频率的切换。

③通过LCD显示波形类型及频率大小。

④设计硬件电路，选择合适的器件，调节好器件的工作状态，保证能输出明显的波形信号，且不失真。

信号发生器现状及主控芯片原理

1.4国内研究成果

胥绍禹在《多波形信号发生器》一文中设计的电路采用了两块C－MOS数字集成电路74C04（内含六个反相器）和74C14（内含六个带施密特电路的反相器）。

由反相器IC1的a、b、c三个并联、电阻W1＋R1、电容C1、C2、C3构成振荡器产生三角波，振荡频率计算公式为f＝1／1.7RC。

可由开关控制频率。

此三角波经施密特触发器IC2a整形为方波，再经IC2b～f并联输出（多个门电路并联以提高驱动能力），其电平兼容TTL。

IC1d、IC1e～f构成两级线性放大器，用于将三角波整形为模拟正弦波。

当波形选择开关K3将电阻R2和二极管D1或D2接入电路时，输出的方波被整流为正电压或负电压加到三角波发生器的输入端，构成压控振荡器（VCO），从而获得极性不同的锯齿波或脉冲波，脉冲宽度取决于电阻R2和积分电容的大小。

杨潇，刘刚，翟玉文在《多功能PWM信号发生器设计》中设计的多功能PWM信号发生器以MSP430F169单片机为核心，由时钟和复位、频率及波形设定、LCM显示器、PWM信号发生电路组成．MSP430F169单片机数模转换模块输出端DAC1输出直流电压可控制PWM占空比；DAC0输出交变电压可产生SPWM信号，且基波频率和波形受单片机控制。

MSP430F169单片机小系统电路由MSP430FI69、复位电路、低速时钟电路（32768Hz）、高速时钟电路（8MHz）等元件构成．MSP430F169片内有6OK程序存储区、2K的数据存储区和多种外围模块，并具有12位数模转换模块DAC12．选用内部2．5V参考电压源，输入DAC12的数字量从0xO到0xFFF变化时，对应的输出电压量也就从0到2.5V变化．他的设计中使用DAC1通道控制PWM占空比，DAC0通道产生交变基波。

李辉，朱林生《基于FPGA的三相函数发生器设计》设计的信号发生器是基于DDS原理，频率控制字M和相位控制字P分别控制DDS输出波形的频率和相位。

相位累加器是整个波形产生的核心，它有一个累加器和一个N位相位寄存器组成。

每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长M增加。

相位寄存器的输出与相位控制字相加，其结果作为波形查找表的地址。

波形查找表由ROM构成，内部存有一个完整周期的波形的数字幅度信息，每个查找的地址对应波形中0°～360°范围的一个相位点。

查找表输入的地址信息映射达成波形幅度信号，同时输出到数模转换器的输入段，DAC输出的模拟信号经过程控滤波器，得到一个频谱纯净的波形。

徐仁贵，管运生，李学东在《实用的多功能信号发生器》用单片机制作信号发生器，除了单片机以外，包括有查表地址发生器、ROM、DAC以及放大倒相等环节。

该结构的特点是应用可编程计数器设计了一个“查表地址发生器”,其目的是使信号发生器只是在设定信号参数时瞬间占用微处理器,其余时间微处理器都可以用来处理其它事务。

在ROM中储存着所要产生信号（某种曲线）的离散值。

为了保证信号质量,应该使一个周期内所取离散值的点数足够多（特别是在信号频率很低时）。

假设这一周期性函数为F（X）,在一个周期内所取点数为N,则存放在该数据表中的数据依次为:

F（0），F（2π/N），F（2*2π/N）……F（（N-1）*2π/N）。

如果信号由对称的正负半波组成（如正弦波），则可以只储存正半波的离散值。

如果需要产生多种波形的信号,则不同信号的离散值可以分区（例如以256个单元为一个区）存放。

查表地址发生器由时钟、分频器和N位二进制计数器（N≥8）组成。

它用来产生访问ROM中某一数据表的周期性地址信号。

该信号为等于或大于8位的二进制数。

相邻两个查表地址信号的时间间隔决定了所产生信号的周期,这一时间间隔由分频器的分频系数决定。

1.5信号发生器的发展趋势

随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。

波形发生器的发展趋势是更高取样率，更高分辨率和更大存储量，目前实时带宽超过1GHz的产品比较少，而且分辨率只有8位，不能满足快速发展的移动通信和高速网络的测量要求。

与数字存储示波器相比，波形发生器的全面指标存在明显差距，前者的取样率达到20GS/s和带宽6GHz，后者的取样率是4.8GS/s和带宽2GHz。