毕业设计基于C8051F340的低频函数信号发生器设计Word格式.doc

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在电子行业的基础设施和制造等领域，函数发生器都是有效的通用仪器。

它可以生成不同频率和幅度的大量信号，用来评估新电路的运行情况，代替时钟信号，对新产品进行制造测试，及用于许多其它用途。

函数信号发生器长期以来都是模拟电路构成的。

本设计主要介绍了基于单片机的多路信号发生器构造及其原理。

本次设计的主要任务是产生低频的信号源，其产生的波形包括正弦波、三角波和方波，频率从1HZ到1000HZ可调变化，幅度从0V到10V可调变化。

在本次设计中，主要利用单片机采用程序设计方法产生相应的波形，通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，并通过不同颜色的LED来区分不同的波形和通过LED数码管显示相应的频率数值，再通过D/A转换器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。

系统大致包括信号发生部分、数/模转换部分以及LED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。

设计正文分为前言、系统总体设计、系统硬件设计、系统软件设计和硬件电路制作及调试五大部分。

其中第三、四、五章是本文的中心，它介绍了设计者的思路和系统原理和制作过程。

本次设计所得出的正弦波、三角波和方波失真度较小，波形平滑好看，在显示部分，频率的数值是由4位数码管来显示，波形类型的显示是由3个不同颜色的LED灯来显示，十分的直观且价格实在。

关键词：

函数信号发生器单片机数码管按键D/A转换

目录

1前言 1

1.1论文背景 1

1.2国内外研究现状 1

2系统总体设计 3

2.1设计任务 3

2.2系统总体方案的确定 3

2.2.1方案对比 3

2.2.2系统功能分工 5

2.2.3操作设计 5

3系统硬件电路设计 6

3.1系统硬件电路的总体框图及原理 6

3.2主电路设计及原理 6

3.2.1单片机电路模块 6

3.2.2D/A转换电路模块 9

3.2.3键盘电路模块 13

3.2.4显示电路模块 13

4系统软件设计 16

4.1人机互换模块 16

4.1.1显示子模块 16

4.1.2键盘处理子模块 18

4.2波形产生模块 18

5硬件电路制作及调试 19

5.1硬件单元电路制作 19

5.1.1电路原理图及PCB板制作 19

5.1.2硬件电路调试 20

5.2各模块软件调试 21

5.2.1Keiluvision3环境介绍 21

5.2.2软件调试 22

5.3软硬件联调 23

5.4调试及测试仪器 25

6总结 26

致谢 27

参考文献 28

英文摘要 29

附录1：

各波形在各频率下的波形图

附录2：

硬件电路原理图及PCB图

附录3：

作品实物图

附录4：

系统完整程序

毕业论文成绩评定表

1前言

1.1论文背景

信号源是根据用户对其波形的命令来产生信号的电子仪器。

信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其他仪表测量感兴趣的参数。

可见信号源在电子试验和测试处理中，并不测量任何参数，而是根据使用者的要求，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。

信号源有很多种分类方法，其中一种方法可分为混合信号源和逻辑信号源两种。

其中混合信号源主要输出模拟波形；

逻辑信号源输出数字码形。

混合信号源又可分为函数信号发生器和任意波形/函数发生器，其中函数信号发生器输出标准波形，如正弦被、方波、任意波/函数发生器输出用户自定义的任意波形；

逻辑信号发生器又可分为脉冲信号发生器和码型发生器，其中脉冲信号发生器驱动较小个数的方波或脉冲波输出，码型发生器生成许多通道的数字码型。

如泰克生产的AFG30000系列就包括函数信号发生器、任意波形/函数信号发生器、脉冲信号发生器的功能。

另外，信号源还可以按照输出信号的类型分类，如射频信号发生器、扫描信号发生器、频率合成器、噪声信号发生器等等。

信号源也可以按照使用频段分类，不同频段的信号源对应不同的领域。

综上所述，函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途；

在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。

频率越高、产生波形种类越多的发生器性能越好，但器件成本和技术要求也大大提高，因此在满足工作要求的前提下，性价比高的发生器是我们的首选。

1.2国内外研究现状

下面是信号发生器的几个发展阶段：

从信号发生器的实现看可以简单分为以硬件为核心的电路实现方式和以计算机技术为核心的实现方式。

1、用硬件电路实现的特点：

可以输出连续的模拟信号，使用频率控制和幅值控制电路实现信号输出调节，因此输出的波形的频率较高。

但其稳定性和抗干扰能力较差，电路结构复杂。

而且不能实现人机对话和可视操作。

2、以计算机技术为核心的智能型信号发生器的特点:

随着大规模集成电路和计算机技术的迅速发展，以及人工智能向测控技术的移植和应用，智能仪器仪表技术发展迅速。

智能函数信号发生器与传统的模拟函数信号发生器相比，具有以下几个明显特点:

（1）利用微机控制键盘和显示。

键盘和显示是智能信号发生器区别于传统信号发生器在面板设计上最突出的特点。

由于采用美观方便的按键操作代替了传统的开关或旋钮，避免了手动控制带来的人为误差。

由于采用具有显示信息量大优点的液晶显示器LCD，大大增强了操作者和微处理器之间的对话能力。

（2）强大的输出能力。

由于采用了由仪器内微处理器控制而生成所需新波形的技术，即直接数字合成技术（DirectDigitalFrequencySynthesizer），导致普通的智能信号发生器能产生多种函数的周期性波形，大大拓展了仪器的输出能力。

（3）自检、自诊断功能。

这是智能信号发生器区别于传统信号发生器的重要特征之一。

能够及时和准确地确知仪器故障发生的部位和特征，不仅大大方便了维修，而且保证了输出的可靠性。

（4）自校和自修正。

对于智能化仪器来说，这也许是最重要的作用，它意味着在相同或更低性能的硬件条件下，仪器指标能够达到更高的水平，即实现了高的性能价格比。

另一方面，微处理器的加入使以前由硬件电路很难或根本办不到的事成为可能。

（5）远地输入输出能力。

仪器配有标准接口，可纳入自动测试系统中工作。

函数发生器的使用最广的通用信号源，提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等波形，有的还同时具有调制和扫描功能。

函数波形发生器在设计上分为模拟式和数字合成式。

众所周知，数字合成式函数信号源（DDS）无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均由于模拟式，其锁相环（PLL）的设计让输出信号不仅式频率精准，而且相位抖动（phaseJitter）及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但数字式信号源中，数字电路与模拟电路之间的干扰始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器，如今市场上的大部分函数信号发生器均为DDS信号源。

在现代电子的各个领域,常常需要用到频率范围广、精度高、稳定度高及输出波形种类丰富的信号源。

随着半导体芯片制造业的迅速发展和研制水平的飞速提高,出现了很多功能强大且性能可靠的集成信号发生芯片,几乎代替了以前用分立元件搭成的信号发生电路模块。

例如ICL8038、MAX038及一系列DDS函数信号发生芯片。

基于ICL8038芯片构成的信号发生器电路设计简单,但输出信号频率低,最高输出频率约为300KHZ。

DDS函数信号发生芯片虽然输出信号频率高,但外围电路复杂且输出波形单一,只能输出正弦波。

而基于单片机的数字化函数信号发生器具有线路相对简单，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。

并且只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。

单片机的型号可以根据需要来具体选择，具体电路也可以有多种形式，现今单片机技术的应用已相当成熟，各个公司所生产的单片机也是互相兼容的，应用起来十分方便。

有单片机编程语言方面，C语言在各款单片机中可移植性很好。

当然随着电子技术的发展，对信号源性能的要求也越来越高，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的数字技术领域科研和教学的需求，所以提高信号源性能已经成为国内外工程师研究的主要方向。

2系统总体设计

2.1设计任务

设计要求的技术指标：

1、波形：

正弦波、方波、三角波

2、频率：

1HZ～1000HZ

3、幅值电压：

0V～10V

本课题研究的内容包括两大部分：

其一，整个系统的硬件组成，由单片机、键盘、显示接口电路，波形转换（D/A）电路等四部分构成。

其二，软件结构，程序由人机交互模块和波形产生模块组成。

2.2系统总体方案的确定

2.2.1方案对比

电子领域常用到信号发生器，它长期以来都是模拟电路构成的。

这类仪器作为信号源，其频率可高达几百兆赫，在高频范围内其稳定性高，可调性好。

然而，在科学研究和生产实践中，如过程控制，生物医学，地震模拟，机械震动，等领域常常需要低频号源。

按模拟电路构成低频信号其性能不能令人满意，而且，用于低频其RC要很大。

大电阻、电容制造上有困难，参数准确难以保证，体积大，漏电损耗显著。

利用单片机采用程序设计方法产生波形，频率低限几乎无限制，稳定度好，频率幅值控制方便。

波形参数存储器里存放着各种波形的参数（如正弦波、三角波、方波）在微处理器的控制下，从存储器中连续重复读出这些信息，经接口电路实现频率与幅值的选择控制，在经D/A转换及滤波放大即可得到所需波形。

20世纪70年代中期，微型电子计算机在数字逻辑运算、推理、实际控制方面显示出强大的能力。

在性能指标上赶超小型机；

二是发展了单片机，以满足价格低廉、功能完善，面向工业控制领域的急切要求。

本次设计是基于C8051F340控制的低频函数信号发生器，在查阅了大量的资料后，总结出了如下的三个方案：

方案一：

以MAX038集成块作为核心器件，单片机C8051F340完成对MAX038的控制和人机交互。

首先进行初始化，然后从片内RAM中读取按键按下标志位进行判断，如果没有按下则让MAX038输出初始频率和波形，按下则根据中断处理程序获得的有关数据进行处理。

进行处理时，首先根据输入的键值完成对输出波形、波段、幅度以及频率的选择，然后根据有关公式计算输出频率和幅值电压的编程数据送DA。

在MAX038的引脚19输出相应波形和频率的信号，最后调用显示子程序，在LCD上显示当前波形发生器的工作参数，即振荡频率、幅度、波形的类型。

单片机通过D/A转换器对MAX038的控制，实现频率和幅度的调控，能产生从10Hz～10MHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等信号。

该系统的优点有程控调节输出频率、输出幅度、输出精度高、频率范围宽、失真小。

但该系统做起来较硬件电路复杂、编程较难且成本较高。

方案二：

以单片机C8051F340为作核心器件，波形产生原理是由单片机定时输出数据给DAC0832，再由DAC0832把数据量转换为模拟量输出而得到相应波形，再由LM358进行放大输出的