基于单片机的信号源设计毕设论文Word格式文档下载.docx
《基于单片机的信号源设计毕设论文Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的信号源设计毕设论文Word格式文档下载.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
逻辑信号源输出数字码形。
混和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，如正弦波、方波等，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AFG3000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、脉冲信号发生器等等。
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应用领域。
1.2研究的意义与目的
随着科学技术的不断发展，研究设计新型的信号源在工业生产与科研中已经显得十分之必要。
信号源是现代电子设备特别是测试设备的必备部分，其产生各种基准信号给被测设备，用来分析和研究被测设备的性能状况，被广泛应用于航空航天设备的电子测试、通信技术、医学成像、测量和科研等各个领域中，而且数字化、软件化是测试设备的发展趋势。
在工业生产和科研中利用信号源输出的信号，可以对元器件的性能及参数进行测量，还可以对电工和电子产品进行指数验证、参数调整及性能鉴定。
本设计所介绍的基于单片机的信号源，采用DAC0832将单片机产生的数字信号经D/A转换以后生成模拟信号，可输出电压值为0～5V，频率为0～1000Hz的方波、锯齿波、三角波和正弦波等波形信号。
2信号源的硬件设计
2.1硬件总体设计
信号源电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89c51，数据转换电路采用DAC0832，用LED共阴七段数码管实现静态显示，通信接口利用MAX232实现与外部设备的连接，通过键盘实现各种波形间的切换等。
图2-1硬件电路整体框图
2.1.1主控芯片的选择
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1．主要特性：
·
兼容MCS-51指令系统
4k可反复擦写（>
1000次）ISPFlashROM
32个双向I/O口
4.5-5.5V工作电压
2个16位可编程定时/计数器
时钟频率0-33MHz
全双工UART串行中断口线
128x8bit内部RAM
5个中断源
低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式
3级加密位
看门狗（WDT）电路
软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程
双数据寄存器指针
表2-1AT89C52的主要特性
2．管脚说明：
VCC：
供电电压源。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
管脚备选功能，P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
口线
替代的第2功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（记时器0外部输入）
P3.5
T1（记时器1外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
表2-2P3个口线与第二功能表
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3．振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4．芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
2.1.2D/A转换芯片
DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位D/A转换器。
主要由两个8位寄存器（输入寄存器和DAC寄存器）和一个8位D/A转换器组成。
常用八位的D/A转换器DAC0832内部结构资料:
芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。
D/A转换结果采用电流形式输出。
要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。
运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。
该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接，下面是芯片电路原理图
DAC0832引脚图和内部结构电路图
图2-2DAC0832的引脚图和内部结构图
1.DAC0832各引脚功能：
1）D0～D7：
数字信号输入端。
2）ILE：
输入寄存器允许，高电平有效。
3）CS：
片选信号，低电平有效。
4）WR1：
写信号1，低电平有效。
5）XFER：
传送控制信号，低电平有效。
6）WR2：
写信号2，低电平有效。
7）IOUT1、IOUT2：
DAC电流输出端。
8）Rfb：
是集成在片内的外接运放的反馈电阻。
9）Vref：
基准电压输入线（-10～10V）。
10）Vcc：
工作电源（+5～+15V）。
11）AGND：
模拟地NGND：
数字地
D/A转换芯片输入时数字量，输出为模拟量。
模拟信号很容易收到电源和数字信号等干扰二引起波动。
为提高稳定性和减小误差，一般把数字地和模拟地分开。
DAC0832采用二次缓冲方式。
这样可以在输出的同时，采集下一个数据，从而提高转换速度，更重要的是能够在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。
2.主要的特性参数如下：
1）分辨率为8位。
2）只需在满量程下调整其线性度。
3）可与所有的单片机或微处理器直接接口，需要时也可与微处理器连接而单独使用。
4）电流稳定时间为1us。
5）可双缓冲、单缓冲或直通数据输入。
6）功耗低，约为200mW。
7）逻辑电平输入与TTL兼容。
8）单电源供电（+5～+15V）。
2.1.3显示部分芯片
1.利用74HC138对数码管实现位选
74HC138为3线－8线译码器，其工作原理如下：
当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/（G2A）和/（G2B））为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。
74LS138功能：
利用G1、/（G2A）和/（G2B）可级联扩展成24线译码器；
若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。
若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。
图3-374HC138的引脚结构
3线-8线译码器74LS138的功能
输入
输出
G1
/G2A+/G2B
CBA
/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y7
X
XXX
11111111
1
000
01111111
001
10111111
010
11011111
011
11101111
100
11110111
101
11111011
110
11111101
111
11111110
表3-374ls138真值表功能表
无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出管脚，任何时刻要么全为高电平1—芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出管脚全为高电平1。
如果出现两个输出管脚在同一个时间为0的情况，说明该芯片已经损坏。
当附加控制门的输出为高电平（G1＝1）时，可写出
图3-474LS逻辑表达式
由上式可以看出，在同一个时间又是这三个变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小项译码器。
71LS138有三个附加的控制端。
当输出输出为高电平（G1＝1）时，译码器处于工作状态。
否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如表2-2所示。
这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。
2.利用74LS48对数码管实现段选
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。
引脚功能：
灭灯输入/灭零输出（BI/RBO）：
作为输入端使用时，成为灭灯输入控制端。
只要加入灭灯控制信号BI=0，无论A、B、C、D的状态是什么，定可将被驱动数码管的各段同时熄灭。
作为输出端使用时，成为灭零输出端。
只有当输入A=B=C=D=0，而且有灭零输入信号（RBI=0）时，RBO′才会给出低电平。
图3-574LS48的引脚结构
灯测试输入（LT）：
当LT′=0时，输出全部为高电平，是被驱动数码管的的七段同时点亮，以检查该数码管能否正常发光。
平时应该置LT′为高电平。
灭零输入端（RBI）：
设置灭零输入信号RBI的目的是为了能把不希望显示的零熄灭。
BCD码输入端（A、B、C、D）：
输入要显示的BCD码
显示输出端（a、b、c、d、e、f、g）：
输出显示输入端的字形
真值表：
数字
DCBA
YaYbYcYdYeYfYg
字形
0000
1111110
0001
0110000
0010
1101101
2
0011
1111001
3
0100
0110011
4
0101
1011011
5
0110
0011111
6
0111
1110000
7
1000
1111111
8
1001
1110011
9
表2-374LS48的真值表
2.2系统硬件电路设计
2.2.1D/A转换部分
D/A0832直接输出的量为电流，而实际应用中需要的却是模拟电压，这样就需要有将电流转换成电压的电路。
设计中为了实现模拟电压的输出，因此采用如下电路。
图3-3D/A转换电路
从图中我们可以看出，当Vref接+5V时，输出电压OUT的范围是0～5V；
当接+10V时，输出电压OUT的范围是0～10V；
输入数字量的变化，将引起模拟量输出的变化。
2.2.2显示模块
在显示模块部分，如下图，通过74LS138和74LS48实现对七段数码管的显示控制。
首先74LS138能够对数码管实现位选，在某一时刻选中其中一个七段数码管，使其显示数字；
其次利用74LS48将单片机输出的二进制数或者BCD码，作为其输入，并经过转换输出七段数码管的显示字型码。
本设计中数码管显示的主要参数有1）当前波形的数字代号；
2）当前波形的输出频率；
3）当前输出波形的峰值。
图2-4数码管显示电路
2.2.3人机接口电路
为了实现计算机与单片机系统的数据通信与下载，本设计中采用MAX232实现，如下图所示。
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。
内部结构基本可分三个部分：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；
DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
图2-5MAX232的接口电路
2.2.4单片机时钟及复位电路
复位电路分为上电自动复位和手动复位，在程序跑飞时，使用复位电路可使程序恢复正常工作状态。
本系统采用图2-6中的按健手动复位电路。
图2-6单片机时钟及复位电路
最简单的上电自动复位如图3-7所示。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
图2-7上电自动复位
2.2.5电源电路
为了给单片机的Vcc（40引脚）提供稳定的+5V电源，本设计中采用如图2-8电源电路给电路提供电源。
图2-8电源电路
2.2.6整体硬件电路
根据硬件总体设计的方框图，设计出实际电路图如下图所示，电路中利用AT89C51单片机系统产生各种波形的控制信号；
通过DAC0832转换电路，实现对数字信号转换成模拟的电压信号输出；
并通过数码管显示电路，将某一时刻输出的波形数字代号、频率，以及该波形的峰值显示出来。
图3-2信号源电路整体硬件电路图
3系统程序的设计
3.1系统主程序
主程序的主要功能是在拨动不同的拨码开关1、2、3、4时，使P1口的地址发生变化，继而通过判断P1口的地址调用不同的波形子程序，从而实现不同波形间的切换。
利用D\A转换部分分别输出方波、锯齿波、三角波、正弦波四种波形；
确定波形形状后，然后调用显示部分的的子程序，将所选的波形的数字代号、频率和以及幅度实时的显示在七段数码管上面,要求在同一时间只限拨动一个开关。
程序流程图如图3-1所示。
图3-1主程序流程图
显示部分一共选择五位来进行表示：
第一位
第三位
第四位
第五位
第八位
波形代号
波形频率
波形幅度
表3.1数码管各位的显示内容
波形类型表示方法：
波形类型
方波
锯齿波
三角波
正弦波
数字代码
表3.2拨码开关各位代表的波形
3.2方波相关子程序
3.2.1方波程序总流程
方波相关子程序基本分为两个部分，第一部分
升级会员 