课程设计基于单片机的信号发生器讲解.docx
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课程设计基于单片机的信号发生器讲解
电子与电气工程学院
课程设计报告
课程名称单片机原理
设计题目基于单片机的信号发生器
专业名称电子科学与技术
班级132班
学号
学生姓名
指导教师
2016年5月19日
电气学院 单片机应用技术 课程设计
指导老师评价表
院（部）
电气学院
年级专业
电子科学与技术
学生姓名
学生学号
题目
基于单片机的信号发生器设计
一、指导老师评语
指导老师签名：
年月日
二、成绩评定
指导老师签名：
年月日
目录
摘要与关键词1
Abstract1
1绪论2
1.1课题设计背景2
1.2研究现状2
1.3选题意义3
1.4设计内容3
1.5设计功能3
2系统概述4
2.1方案论证与比较4
2.1.1总体方案4
2.1.2改变幅度方案4
2.2工作原理4
3单元电路设计与分析5
3.1系统硬件设计5
3.1.1主控电路5
3.1.2数/模转换电路6
3.1.3运算放大电路和低通滤波电路7
3.2系统软件设计8
3.2.1主程序8
3.2.2中断服务程序9
4安装调试及测量数据分析9
4.1调试过程9
4.2频率的测量数据10
4.3波形的输出11
4.4效果分析14
4.5测量仪器14
结论14
参考文献14
基于单片机的低频信号发生器的设计
摘要与关键词
摘要：
随着通信技术的发展，信号源的产生与传播已经成为通讯界不可或缺的一部分，不管是在电视、雷达还是卫星信号的产生上，信号源都起着举足轻重的作用。
本系统以STC89C52RC单片机为核心，利用数字波形技术，在软件程序和硬件电路相结合的情况下构造出了一个低频信号发生器。
信号发生器具有自定义输出波形的功能，不管是波形的频率和波形的幅度都可以在一定范围内自由定义。
本系统主要由主控电路模块、数/模转换电路模块、运算放大电路模块和低通滤波电路模块四个部分组成，描述了波形的生成原理、硬件电路和软件部分的设计原理以及信号的转换方式等功能。
本系统可以生成最高频率200Hz的波形。
该信号发生器体积比较小，价格低廉，而且他的性能非常稳定，功能比传统硬件电路要齐全的多。
关键词：
低频信号发生器；频率可调；幅度可调；STC89C52RC
1绪论
1.1课题设计背景
信号源在战争年代就已经在广泛应用，包括在抗战时期为了联络用的的发送电报的机器，还有最早的电话等，后来随着科学技术的发展，在现代，信号源的功能及种类也在不断地发展完善，包括电视、雷达、卫星的信号产生，都是需要信号源的，如果没有各种便捷以及功能更强大的信号源，各种无论是军用还是民用的通讯联络工具将不能产生信号及其信号传播，世界将回归闭关锁国状态，各国之间，人与人之间将无法进行通讯联络只能面对面交流。
信号源的产生与传播在整个通讯界的地位是举足轻重，至关重要的。
而且信号源的种类多种多样，今天我所运用设计的是基于单片机的信号发生器。
早在七十年代，有一些外国学者就初次提出过单片机信号发生器的概念，这是一种新直接数字合成技术，由于当时技术的限制，当时的产品达不到信号源精度所要求的性能指标，所以这个概念在提出后并没有得到重视。
但随着微电子技术的迅速发展，各种元器件的性能已开始逐渐的提高，八十年代开始，各国学者开始竞相研究在单片机的基础上利用软件和硬件合成技术发生我们所需要的信号和波形，现在不论是工业还是其他方面应用都非常广泛。
1.2研究现状
单片机又称单片微型计算机，在1970年左右被发明，当时世界微电子技术只是刚刚开始发展。
我国的单片机使用开始于1980年，虽然发展快速，但在全球市场上只占很少的比例。
到现在我国的微电子技术及其制造工艺都远低于于其他国家。
信号发生器是一类可以激发标准信号的发生仪器，它类型较多，功能也有区别，比如不同频率的的正弦波，调幅波的激发关键都是信号发生器，各种频率的三角波、锯齿波、方波和正负脉冲波信号等也不例外。
20世纪80年代前，信号发生器生成函数波形主要是利用谐振腔、电感电容、电阻电容、同轴线作为振荡回路来完成的。
这些都是以模拟的方式实现的。
20世纪80年以后，数字技术逐渐成熟，数字发生器大部分不再使用机械驱动而采用数字电路，而使用由数字合成电路激发可变频信号。
波形发生器的研发初衷就是产生各种各样的信号，标准信号或者是自定义的信号，并且要求精度高，稳定性高，针对电子仪器本身还要具有重复操作和易操作的特点。
波形发生器本身就必须具有一些优点，比如相位变换，和频率稳定，可以模拟各种各样的复杂信号，还可以控制波形的频率，幅值等，对他们进行及时的控制，与其他仪器进行通讯，组成自动的测试系统，所以在很多领域运用的非常广泛，比如自动控制系统，震动激励，通讯和仪器仪表。
经过最近几年的发展，国际上对于波形发生器发展的研究主要体现以下几个方面：
（1）之前由于波形发生器输出的波形频率很低，应用范围收到了很大的限制，所以最近几年国际上也是致力于波形频率提高的研究，希望波形发生器能在更多的领域发挥作用。
为了使波形发生器输出波形的种类越来越多而且更加的方便，所以波形发生器的软件开发就显得尤为重要。
一般来讲我们将一系列的点和直线所组成的固定的函数所构成的波形数据存入到存储器里面，然后供后期的调用。
目前来讲我们可以利用可视化编程语言（如VisualBasicVisualC等等）来对波形信号发生器进行编写，这样的话我们无需经过任何硬件信号的输入，仅仅通过软件就可以从计算机显示屏上输入任意波形。
（2）当今时代信息技术的飞速发展呈现不可逆的趋势，台式仪器消沉了一段时间之后，行情慢慢回暖。
而现在新的台式仪器出场的形态已经和以前大不相同，这些新一代的仪器，体积小，重量轻，运行方面更加稳定，功能多样，有着之前很多台式仪器没有办法超越的性能。
1.3选题意义
信号发生器是一种普遍的信号源，是一种经常使用的电子仪器设备，一般都是由模拟电路组成。
可是在科学研究和生产实践中，模拟电路激发的低频信号经常不能满足生产需求。
传统的设计方法存在很多弊端，如：
体积较大，重量较沉，移动不方便，信号失真较大，波形形状调节过于死板，无法满足用户对精度，便携性，稳定性等要求。
在科学研究和生产实践中，比如工业过程控制，生物医学，和地震模拟机械振动等领域经常要用到低频信号源。
而由硬件电路构成的低频信号无论是从性能还是操作便携度方面都很难让人满意，而且低频信号源在运行时所需要的RC非常大，且不论大电阻大电容在制作工艺上有多么困难，而且输出的参数误差较大，精度难以保证，实际使用中还会出现漏电情况，损耗也比较大。
一旦工作稍微复杂，要求更多更加稳定的功能，那么电路的复杂程度会大大的增加。
所以数字化时代的今天，我们基本把模拟电路组成的信号发生器淘汰，取而代之的是电路结构简单，功能齐全，功耗低，性能稳定的数字电路，使用单片机利用程序设计的方法来产生的低频信号，其频率底线很低、线路相对简洁，结构紧凑、体积小、频率稳定度高、抗干扰能力强。
现在被灵活运用在各种科学技术领域和工程实践中，给人们的日常生活带来更多的便利。
1.4设计内容
本设计是利用计算机仿真和实物演示的方法实现目标的。
所有控制程序是由计算机仿真采用Keil软件来编写的，编写语言是使用C语言，编写好的C语言在proteus软件中进行效果仿真，完成发生并变换信号的作用。
实物仿真主要由DAC0832、A/D转换模块、LCD1602显示模块、LM224和单片机最小系统模块组成。
最终可以输出方波、正弦波、三角波、锯齿波、梯形波形，在进行波形选择切换的时候，通过切换按钮选择需要输出的波形。
根据设计的要求，在程序运行中，当接收到来自外界的命令，需要输出某种波形的时候再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序，经电路的数/模转换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端口输出。
所以在进行程序编写的时候对各种波形的频率和幅度进行程序的编写，将所写程序装入单片机的程序存储器中。
该设计可以通过数码管和键盘显示模块，键盘可以实现对几种波形的切换！
1.5设计功能
（1）产生五种波形。
如正弦波、三角波、矩形波、锯齿波、梯形波。
（2）最大频率不高于200Hz，最小频率不低于10Hz并且频率可按一定规律调节。
（3）幅度可调，峰峰值在0—5V之间变化。
2系统概述
2.1方案论证与比较
2.1.1总体方案
方案一：
采用单片函数发生器（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。
方案二：
利用锁相式频率合成器。
通过锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率控制在所需频率上，该方案性能良好，但是难以达到输出频率覆盖范围的要求，而且电路非常复杂。
方案三：
利用单片机STC89C52RC和DAC0832数模转换器生成波形，再添加上一个低通滤波器，它激发的波形比较纯净。
它的特点是可激发任意波形，频率可控性强，频率能达到设计的200Hz以下。
优点性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。
鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二的电路复杂，频率覆盖系数难以达标等缺点，所以决定采用方案三的设计方法。
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。
2.1.2改变幅度方案
方案一：
可以把DA的数字量乘以一个系数，就可以改变DA输出电流的幅值，从而就改变输出电压；但存在很严重的问题，单片机做乘法运算需要很长时间，导致输出波形的频率超低，达不到最低10HZ的要求；并且该方案的输出电压完不成连续可控，当DA的输入数字量较小时，输出的波形就会严重失真。
方案二：
将输出电压导入一个运算放大器，将其放大。
其优点是幅值连续可控。
经比较，方案二既可满足课程设计的基本要求，而且电路简单。
2.2工作原理
单片机工作过程中我们需要把数字信号转换成模拟信号，一般来讲我们是通过数模转换器来完成。
单片机STC89C52RC是一个完整的微型计算机，一般来讲由：
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/计数器以及串行通讯接口等构成，在外部仅仅再添加STC89C52RC键盘、数模转换及波形输出、放大电路等模块，就可以组成所要求的波形发生器，其信号发生器组成系统框图如下图所示。
图2-1系统框图
STC89C52RC是波形发生器的关键，通过编程和运行，激发所需要的的信号，从键盘输入数据，可以完成各种功能的转换和信号幅值的控制。
当数字信号到达转换电路，转换生成的模拟信号就是所需要的输出波形。
波形ROM表是把信号一个完整周期等间距地分离成64个点，储存在单片机的ROM内。
详细的ROM表是通过MATLAB生成。
3单元电路设计与分析
3.1系统硬件设计
3.1.1主控电路
设计中使用STC89C52RC型单片机，它具有以下优点：
（1）具有良好的外部扩展总线，利用这些总线可以方便地增加外围单元、外围接口等。
（2）该单片机内部具有4K字节的FLASHROM程序存储器空间和256字节的RAM数据存储空间，可以满足程序的需求。
而且芯片可以电擦写，可一多次利用。
若想改变程得序内容，可以把芯片取下重新烧写。
中断系统是为了使处理器可以对外界异步事件的处理能力而添加的。
其是当中央处理器CPU正在运行的时，外界突然发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，则CPU立即停止当前工作，去处理这个紧急事件，这就是中断系统。
在波形发生器中，用两个开关与外部中断0
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