电子信息工程设计 实用信号发生器的设计Word下载.docx
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所以，信号发生器是应用最广泛的电子仪器之一。
在1980年代以前，信号发生器都是仿真模式，随着电容器，电感电容，谐振腔，同一轴的振荡电路产生的正弦波或其他函数波形。
通过机械传动变元的频率变化，如电容器或谐振腔来完成，一般调节的范围是有限的，并分为音频，高频，超高频，射频和微波信号发生器。
在电台，广播电视领域的应用，扩展，雷达，通信信号发生器的应用也得到了迅速的发展，主要表现在载波调制方式的多样化，调幅、调频、调相脉冲调制。
1980之后，伴随日益成熟的数字技术，大多数信号发生器不再考虑对机械传动和数字电路的使用，由数字电路的合成参考频率产生可变频率信号。
调制方式是比较复杂的，出现了与同相/正交调制的调制宽带数字调制。
信号发生器也可称为单片微型计算机，信号发生器的产生和发展与微处理器基本同步，自1971以来，英特尔公司首次推出的4位微处理器及其发展到目前为止大致可分为五个阶段：
阶段一（1971-1976）：
信号发生器发展的初级阶段。
主要发展的是各种四位的信号发生器。
阶段二（1976-1980）：
初级8位机阶段。
1976推出英特尔MCS-48系列8位CPU为代表，8位并行I/O接口，8位定时器/计数器，RAM和ROM，和其他单片集成结构的半导体芯片的功能，可以满足一般工业控制和智能仪表的需求，仪器仪表等。
阶段三（1980-1983）：
高性能信号发生器阶段。
这一阶段的8位高性能信号发生器与串口通用，有多级的中断处理系统，多个16位的定时器/计数器。
增加ROM和RAM的容量，和寻址范围是64KB。
阶段四（1983-80年代末）：
16位信号发生器阶段。
1983英特尔公司推出的MCS-96系列的一款高性能的16位信号发生器，网络通信能力有了明显的提高。
阶段五（90年代）：
信号发生器在各个方面、各个领域都向更高水平发展[1]。
1.1.2信号发生器现状
今天，随着集成电路和信号发生器技术的不断发展，许多新的信号发生器相继出现。
生产的程控正弦信号的信号发生器，提供一个合适的接口芯片，可以替代传统的正弦信号发生器，这有利于综合测试系统的集成，可编程控制及智能仪表的多功能化[2]。
面向控制是信号发生器最大的特点，由于其高度集成，运行速度快，体积小，价格低廉等优点，所以广泛应用在数据采集和智能仪器等技术中，使信号发生器称为一个多学科知识汇集的研究领域。
目前，信号发生器是向高性能和多样化的方向发展，特别是八位发生器信号发生器已经成为了主流。
信号发生器的发展主要体现在四个方面：
（1）CPU功能增多
CPU功能的提高主要是提高运算速度和精度。
为了提高计算的速度和精度，信号发生器常用的是用布尔处理器和CPU的长度增加到32位或16位。
如MCS-hpci6040和96/98信号发生器。
（2）内部资源丰富
目前，信号发生器内部ROM容量达到了32KB而且RAM已经达到1KB的容量，还有断电保护功能，普通I/O电路的串行和并行I/O接口，A/D和D/A的转换器，定时器/计数器，定时输出信号和信号的捕捉，故障监测以及DMA通道电路等。
（3）引脚的功能多样
伴随芯片内部功能的逐渐增强和资源的集合，对应信号发生器的引脚数量也要相应增加，这是必然的。
例如：
一个信号发生器，可以寻址1MB的存储空间就需要20个地址线和8个数据线。
太多的针脚不仅会增加生产的难度，而且使芯片的集成度大大降低。
为了降低引脚的数量和提高应用的灵活性，一脚多用一般是信号发生器常用的设计方案。
（4）较低电压和功耗小
在许多应用中，信号发生器不仅体积小，而且它的工作电压较低和功耗最小。
所以，信号发生器一般采用CHMOS工艺，提高闲置和掉电两种工作方式[3]。
1.2研究的目的及意义
信号发生器是常用的设备，传统方法设计出来的存在许多缺点，比如：
重量比较重、移动不方便、信号波形简单、失真严重，不能满足用户的要求。
研究出一种便于携带、波形质量好、稳定等特点的信号发生器可以满足用户对精度、稳定等的要求并且有交换的市场前景。
本次设计主要是为了更加深入的学习单片机和运用汇编语言及C语言编程，利用单片机AT89C52和DAC0832发生几种常见的波形：
正弦波、方波、三角波以及锯齿波，并且能够在一定的范围内改变频率和幅度。
通过本次设计掌握单片机系统的开发过程和信号发生器的设计流程。
1.3主要设计内容
本次设计主要用的是AT89C52及其外围扩展系统，软件的部分是用C语言编写。
该系统以AT89C52单片机为核心，结合按键控制电路、信号幅度控制电路、信号频率控制电路、信号占空比控制电路、波形输出电路以及显示电路来实现信号的输出，并且波形的质量、稳定性比较好。
主要完成以下的工作：
（1）选芯片，选择通用的并满足要求的，为了贴近教材和增强实用性。
（2）原理图尽量采用典型的电路设计，并且要保证其正确性。
（3）熟练掌握和运用Protel99。
（4）软件编程时，注意层次分明，分不同模块设计。
2
总体方案设计
2.1系统的简单分析
本系统要实现的功能如下：
1．硬件部分
（1）键盘控制；
（2）单片机所需的平稳电压；
（3）复位电路；
（4）时钟电路；
（5）波形产生和幅度调整功能；
（6）D/A转换功能；
（7）LCD显示；
（8）产生正弦波程序；
2．软件部分
（1）系统初始化和复位；
（2）定时器中断程序；
（3）按键扫描和处理程序；
（4）产生方波程序；
（5）产生三角波程序；
（6）产生锯齿波程序；
（7）波形产生和频率、占空比调整功能；
2.2方案的比较
方案一：
可以用ICL8038芯片，这芯片相当于一个信号发生器，它可以同时产生各种波形。
这是一种非常特别的集成芯片。
然而，这个模块产生的波形是不纯净的波形，其中含有高次谐波成分，虽然采用措施可以过滤掉一些，但不能完全消除。
方案二：
先要实现非稳态的多谐振荡器，一般用的是分立元件，然后再根据需要，可以添加积分电路等构成的各种波形发生器。
但是该信号发生器的缺点是输出频率的范围较窄，电路需要的器件比较多，因此参数也较为复杂，而且如果要测量信号发生器的频率的也比较麻烦，需要靠切换硬件电路来实现，这种方法也不方便。
方案三：
用AT89C52单片机产生数字信号，然后配合DAC0832转换器来产生模拟波形，因为这种方法是软件滤波，所以这种方案能有效的把高次谐波分量给消除掉，产生不失真的波形，效果比较好。
而且DAC0832在低频范围内使用会有特殊的效果，并且还有高性能，稳定性好，操作灵活，体积小等特点。
相比之下，方案三可以充分发挥其优势，电路比较简单，容易控制，性价比高，所以用方案三。
2.3选择合适的芯片
AT89C52单片机，一款功能全面，高性能的8位单片机。
它是集中央处理器，存储器，寄存器和I／0接口为一体的微型计算机。
SiliconLabs公司出品的单片机中也有可以实现的，例如C8051F005单片机，这是一款功能比较全面的芯片而且是完全集成的。
它的微控制器的内核与AT89C52兼容，片内更是集成了全面的数据采集，处理，存储功能的元件。
方案选择：
方案二中的C8051F005单片机内部的结构比较复杂，芯片成本高，系统利用率低，AT89C52芯片是比较普遍的芯片，还有一些优点：
容易控制，成本也比较低，性能稳定，因此选方案一是比较合适的。
3
硬件电路设计
3.1基本原理介绍
系统的框图如图3.1所示。
图3.1系统框图
该信号发生器系统主要由单片机AT89C52，数字/模拟转换电路，运放电路，电流/电压转换电路，独立式按键电路，正负5V电源电路等组成。
其工作原理是在键盘上按下不同的按钮将分别出现方波，锯齿波，三角波，正弦波，波的类型和频率在液晶屏同步显示。
3.2AT89C52单片机模块
1.引脚如图3.2所示
图3.2AT89C52引脚图
2.管脚的具体介绍
使用AT89C52单片机为控制核心，配合其他外接电路的信号发生器，其内部各部分组成为：
8位的CPU（微处理器），内部振荡器，时钟电路，但需要外接石英晶体和可变电容；
4KB的ROM；
四个8位I/O接口P3-PO都为并行接口；
如果用来计外部事件，应把每个计数器/定时器设为计数模式，如果用来设置中断或其他计算机的控制，应把它设为计时模式。
该单片机控制系统含有五个中断，一个异步收发器的串行I/O口，并且是全双工的。
各引脚说明如下：
VCC：
工作电压输入端。
RESET：
复位输入端口。
当RESET端持续出现高电平，并且时间达到两个机器周期以上，就可以让振荡器的复位指令触发。
XTAL1：
振荡器反向输入端和内部时钟操作电路的输入端。
XTAL2：
反向振荡器的输出端。
ALE/PROG:
当执行外部程序存储器或者是内存存取数据时，锁存地址的低8位输出脉冲使用的是ALE。
通常ALE还输出固定频率的脉冲信号，频率大小为时钟振荡频率1/6，所以它的作用是对外输出时钟和定时。
注意：
如果访问外部数据存储器，通常会跳过ALE脉冲。
如果需要FLASH存储器编程，这引脚还可以输入编程脉冲。
在应用的时候，ALE的操作可以被禁止，可通过特殊功能寄存器来实现，具体操作为对8EH单元D0位置进行置位。
但是该位置位后，也可以对ALE进行激活，方法只有一条命令。
/PSEN:
外部的读选通信号，每个机器周期，当取外部程序存储器的指令（或数据），PSEN的有效次数为两次，输出的脉冲数为两个。
。
/EA/VPP:
允许外部访问的时候，必须保持EA端低电平（接地）。
有一个程序是加密锁（LB1），如果复位则内部连接被锁。
CPU执行内部程序存储器的指令，闪存芯片存储EA的状态。
如果高电平存储器编程EA端，引脚上应加上+12V电源。
P0端口：
是一组双向I/O口并且8位漏极开路。
P0端口作输出口，当被写“1”时，该引脚为高阻抗输入。
外部程序或数据存储器被访问，PO端口可作为低8位地址/数据复用，并且没有内部上拉电阻。
在闪存芯片编程和程序校验时，PO端口用于接收指令字节或输出指令字节。
后者则需要外部上拉电阻。
P1端口：
P1口8位的I/O端口，内部还带有上拉电阻。
当I/O口被写“1”时，因为内部含有上拉电阻，端口被拉高，可当输入口。
当作输入端口时，因为内部存在电阻，引脚被拉低，会输出一个电流（IIL）。
P2端口：
P2口作为内部拉UPS的8位双向I/O，缓冲器可接收，还可以输出4个TTL门极电流，当被写“1”时，被上拉电阻拉高的引脚，可作输入。
作输入时，外部会拉低P2引脚，会有电流输出。
P3端口：
P3引脚是8位双向I/O端口，内部也有上拉电阻。
当I/O口被写入“1”时，因为内部含有上拉电阻，端口被拉高，可作为输入。
作输入时，应为外部的低水平，P3口会有电流（ILL）输出[4]。
AT89C52的32个端口功能如表3.1所示：
表3.1AT89C52并行I/0接口
端口
引脚位置
符号
功能
P0
39-32
P0.0-P0.7
通用I/O口
AD0-AD7
地址数据总线
P1
1-8
P1.0-P1.7
P2
21-28
P2.0-P2.7
A8-A15
地址总线（高位）
P3
10
P3.0
RXD
串行输入端
11
P3.1
TXD
串行输出端
12
P3.2
INT0
外部中断0
13
P3.3
INT1
外部中断1
14
P3.4
T0
计时器0输入端口
15
P3.5
T1
计时器1输入端口
16
P3.6
WR
外部存储器写功能
17
P3.7
RD
外部存储器读功能
3．单片机的晶振连接
以AT89C52单片机为主要核心，引脚XTAL1和XTAL2连接的是晶振，而且分别作为放大器的输入和输出，在内部振荡器中，构成的高增益反相放大器。
该放大器是由一个片上的石英晶体或陶瓷谐振器作为反馈元件的自激振荡器。
可以接石英晶体在放大器的反馈回路，这样就构成并联振荡电路；
也可以和电容C1，C2连接，构成振荡电路。
外部电容C1和C2，虽然没有很严格的要求，但容量大小对振荡频率高低，振荡器的稳定性和起振的难易和温度稳定运行影响较小。
用户还可以使用外部时钟。
此时，内部时钟发生器的输入端输入外部时钟脉冲，即XTAL1端，XTAL2悬空。
如图3.3所示：
（a）外部时钟方式（b）内部时钟方式
图3.3单片机的时钟脉冲
若要用石英晶体，建议使用30pF±
10pF的电容；
也可以使用陶瓷谐振器，电容就选40pF±
10Pf。
4.单片机的复位
给CPU一个复位信号才可以使CPU开始工作。
接收复位信号后，内部特殊功能寄存器被设置规定值，程序计数器被设置为“0000H”。
信号结束，CPU的启动程序从程序存储器0000H”开始。
高电平复位，有3种方法复位。
（1）上电复位。
接通电源时。
（2）手动复位。
可以通过一个按钮，按钮时可产生一个复位信号。
（3）自动复位。
是一个复位电路，当系统达到某一条件，无需人为控制，自动产生一个复位信号。
CPU的复位电路在调试单片机程序时的两种方式。
一个是仿真方式，用于程序的调试。
程序由仿真器控制执行，复位电路不工作，晶振也不工作。
二是用户方式，即实际的工作模式，用户的时钟振荡电路、复位电路必须工作[5]。
复位的方法如图3.4所示：
图3.4单片机复位电路
3.3电源模块
电源模块如图3.5所示:
图3.5正负5V电源模块
信号发生器的电源主要用到的是单片机和外部电路的+5V电压，信号发生部分和放大器工作需要的-5V电压，电源模块用到主要器件是7805和7905。
先用电源变压器把市电由220V转为8V的电压，然后通过7805和7905输出正、负电压5V[6]。
3.4键盘输入模块
单片机有多种外部扩展键盘，各自有其特点，主要用到的有：
（1）独立式键盘，按键设计较为简单，控制程序设置简单，比较耗I/O口；
（2）矩阵键盘，占I/O少，设计有点复杂；
（3）专用键盘电路，功能强大，价格较贵。
独立式键盘，就是一个单独的键盘是一个I/O扩展开关，这样编程容易，要想知道有没有按键，可以通过检测I/O的电平，如果是低电平，说明按下来按键。
而且按键和单片机I/O口一一对应，因此能够比较容易的识别按键的值。
但是它的缺点也是存在的，每个I/O口只能连接一个按键，利用率比较低，如果系统其他模块占用的I/O口多的时候，就会产生影响，按键多的时候，也会占用大量的I/O口。
键盘输入模块如图3.6所示：
图3.6独立键盘输入模块
矩阵键盘，在按键数量多的时候，占用I/O口的数量也可以很少，例如常见的4*4矩阵键盘，输出的结果可以有16种，占用的I/O口只有8个，当需要20个键控制是，只需要4+5=9个I/O口，而用独立键盘则分别要16和20个I/O口。
因为单片机的I/O口是有限的，键盘控制不应该占用大量的I/O口，不然会影响其他电路，显然矩阵键盘的优势就在于减少I/O口的使用，其缺点为程序编写较为麻烦，上拉电阻的数量也随之增加，接线也变的复杂。
专用的键盘电路可以实现键盘的输入，而且数据的读取比较容易，内部自带消抖设置。
按键输入时可以向单片机发送信号，即把对应的值发送个单片机，不用其他程序来识别。
虽然这种键盘功能比较强大，但其单路芯片较贵。
因为本次设计需要的按键数量不多，只需要切换模式，实现频率加减和占空比的调节，所以采用独立键盘就可以很好的实现这些功能，降低了编程的难度，电路的复杂程度也大大降低。
3.5D/A转换模块
本次设计选择的D/A转换采用的芯片是DAC0832，是一款8位的D/A转换集成芯片，兼容AT89C52。
它在各个小型的系统中得到广泛的应用。
它的优点有挺多，比如：
连接简单，控制较容易，价格便宜。
引脚如图3.7所示
图3.7DAC0832引脚图
各引脚的功能如下：
ILE:
数据锁存信号输入线；
CS:
片选信号输入线；
D0~D7：
8位数据输入线;
WR1:
数据锁存器写选通输入线，低电平是有效的。
WR2:
DAC寄存器选通输入线，低电平有效。
XFER:
数据传输控制输入线；
IOUT1:
电流输出端1；
IOUT2:
电流输出端2，它的值加上IOUT1得到的是常数。
RFB:
反馈信号输入线；
VREF:
基准电压输入线；
VCC:
电源输入端;
DGND:
数字信号地。
AGND:
模拟信号地；
DAC0832主要性能参数：
（1）分辨率为8位；
（2）电流稳定时间1us;
（3）可单缓冲输入；
（4）可双缓冲输入；
（5）可直接数字输入；
（6）单一电源供电；
（7）低功耗，200Mw.
通常DAC0832的工作方式通常分为3种：
（1）直通方式；
（2）单缓冲方式；
（3）双缓冲方式。
DAC0832的单缓冲方式如图3.8所示：
图3.8DAC0832的连线图
经过DAC0832D/A转换后，数字信号转变成了电流模拟信号，但是设计要求得到的是模拟电压信号，所以还需要放大电路将其转化。
3.6显示模块
显示模块如图3.9所示：
图3.9显示模块
LM016L液晶显示模块是一种用于显示数字和字母和符号等点阵式LCD，采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口。
晶液屏用来做显示，优点如下：
（1）显示质量高
（2）数字式接口
（3）体积小、重量轻
（4）功耗低
引脚功能说明如表3.2所示：
表3.2引脚接口说明
序号
引脚号
说明
1
VSS
电源地
9
D0
数据
2
VL
液晶显示偏压
D1
3
VDD
电源正极
D2
4
E
使能信号
D3
5
RS
数据/命令选择
D4
6
BLK
背光源负极
D5
7
R/W
读/写选择
D6
8
BLA
背光源正极
D7
液晶模块内部控制指令，显示如表3.3所示：
表3.3指令说明及时序
指令
光标返回
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