函数信号发生器的研究与实现.docx

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函数信号发生器的研究与实现

？

本科生毕业论文（设计）正文

题目：

函数发生器的研究与实现

学生姓名：

？

学号：

？

专业班级：

？

指导教师：

？

完成时间：

？

年4月20日

摘要

函数发生器主要作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。

本次设计的主要目的就是为了学习基于单片机的函数发生器的工作原理，设计出一个低频的函数发生器。

从事本次设计不仅可以让我对函数发生器的原理有更深的了解，而且也对单片机的知识有更深的掌握。

单片机有很多种类，而且制作函数发生器的方案繁多，本次设计是以AT89C51单片机为核心，选用DAC0832为数模转换芯片，并辅以必要的模拟电路，设计出了一个基于AT89C51单片机的函数信号发生器。

其设计内容主要包括单片机最小系统的设计、DA转换模块的设计、键盘控制模块的设计及LCD显示模块的设计。

其中DA转换模块包括2块DAC0832芯片和OP07运放电路，第一块DA芯片的输出作为第二块DA芯片的参考电压，而第一块DA芯片的2.5V参考电压由MC1403芯片的输出来提供；键盘控制模块采用3个按键来选择波形类型及调节频率、幅值；显示模块则采用LCD1602来显示波形类型、频率及幅值；最终将设计好的函数发生器的输出接上示波器，在示波器上显示实际输出的波形。

本设计最终能达到预期的效果，能实现电压步进0.1V，方波能够任意调节占空比以及在LCD1602上显示波形类型、电压和频率，并且可以通过示波器来观察其输出的波形。

关键词：

AT89C51单片机DAC0832LCD1602按键

ABSTRACT

Functionasthemaingeneratorsbysignals.Electroniccircuitsisnowthedesignintheapplicationofthenecessaryequipment.Thedesignofthemainpurposeistolearnrevivificationfunctionofthegeneratorsworks,alowfrequencyfunctionofthegenerators.inthisdesigncouldnotonlyallowmetotheprinciplefunctionsofprogramme，thereismore,butalsoforamoremonolithicintegratedcircuitstolearn.

Monolithicintegratedcircuitstherearemanyvarieties,andtheproductionfunctionofthegenerators,thedesignisAT89c51monolithicintegratedcircuitstotheselectionofamoduledac0832thechips,andsupportedbythesimulationcircuits,anddevisedafunctionofthesignalbasedonat89c51monolithicintegratedcircuitsgenerators.Thedesignincludesmonolithicintegratedcircuitstothesystemdesign,andD/Athemoduleforthedesign,thekeyboardcontrolmoduleofthedesignandLCDmodulesdisplaydesign.OneofD/Athemodulesincludingtwodollarsandop07dac0832thedischargeoftheD/A,thechipistheD/AchipofthevoltageandthefirstpieceofD/Achips5vreferenceby2.thevoltagemc1403chipoftheoutputtoprovide;keyboardcontrolinthreekeytoselectthetypeandfrequency,waveofvaluedisplaysmodulelcd1602;isusedtoindicatethetypeandfrequencyandwavebe;Eventuallywillbedesignedtofunctionofthegeneratorsoutputmeetonoscilloscope,inthewaveisvariedinthepracticaloutput.

Thedesignofthewilltoachievethedesiredresultscanbeachievedstep31vvoltageandwavestoanyregulationoffreeandlcd1602thanonthetypeofsignalwave,voltageandfrequency,andmay,bythewaveisvariedtoobservetheoutput.

【Keywords】AT89C51MCUDAC0832LCD1602KEY

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2设计要求及内容2

1.2.1设计要求2

1.2.2设计内容2

1.3方案论证2

1.3.1信号发生电路方案论证2

1.3.2单片机的选择论证3

1.3.3显示方案论证3

1.3.4键盘方案论证3

第2章单片机概述4

2.1单片机的发展历史及趋势4

2.2AT89C51单片机结构简介5

2.2.1AT89C51的基本特性5

2.2.2AT89C51单片机的外部引脚介绍6

第3章系统硬件设计8

3.1各模块硬件设计8

3.1.1系统总体设计8

3.1.2单片机最小系统设计9

3.1.3位DA转换器DAC083210

3.1.42.5V基准电压模块设计14

3.1.5系统显示功能设计15

3.1.6系统按键功能设计19

第4章系统软件设计20

4.1KeilC51开发环境简介20

4.1.1KeiluVision3环境介绍20

4.1.2利用KeiluVision3创建新项目21

4.2系统软件流程设计22

4.2.1系统软件总体设计22

4.2.2子系统软件设计23

4.2.3系统详细流程26

第5章设计结果27

5.1液晶显示模块27

5.2示波器显示模块28

结论30

致谢31

参考文献32

第1章绪论

1.1课题背景

本次设计的主要是学习基于单片机的函数发生器的工作原理，制作出一个低频的函数信号发生器。

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。

函数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。

但市面上能看到的此类仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。

我们长期使用的信号发生器，大部分是由模拟电路构成的，这类仪器作为信号源，频率可达上百MHz，在高频范围内其频率稳定性高、可调性好。

但用于低频信号输出时，它所需要的RC值很大，参数准确度难以保证。

而且其体积大，损耗也大。

前人研制了采用8031单片机及程序存储器构成的最小系统组成的数字式低频信号发生器，它在低频范围内性能好，但是体积较大，价格较贵。

随着大规模集成电路技术的发展，集成度不断提高，使得微型机的速度和性能大为提高，可靠性增加，成本降低。

MCS-51就是将具有存储程序、处理数据以及与外设交换信息的功能电路集成在一块芯片中，并符合一定系统结构而构成的单片机。

其设计内容主要包括单片机最小系统的设计、DA转换模块的设计、键盘控制模块的设计及LCD显示模块的设计。

1.2设计要求及内容

1.2.1设计要求

1）、利用单片机采用软件设计方法产生三种波形（三角波、方波、正弦波）

2）、三种波形可通过键盘选择

3）、波形频率可调

4）、需显示波形的种类及其平率

5）、失真系数不能过高

1.2.2设计内容

经过考虑，设计的内容是利用AT89C51单片机采用程序设计方法产生三角波、方波、正弦波三种波形，再通过D/A转换器DAC0832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，通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示其各自的类型以及数值。

1.3方案论证

1.3.1信号发生电路方案论证

方案一：

通过单片机控制D/A，输出三种波形。

此方案输出的波形不够稳定，抗干扰能力弱，不易调节。

但此方案电路简单、成本低。

方案二：

使用传统的锁相频率合成方法。

通过芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。

此方案，电路复杂，干扰因素多，不易实现。

方案三：

利用MAX038芯片组成的电路输出波形。

MAX038是精密高频波形产生电路，能够产生准确的三角波、方波和正弦波三种周期性波形。

但此方案成本高，程序复杂度高。

以上三种方案综合考虑，选择方案一。

1.3.2单片机的选择论证

方案一：

AT89C51单片机是一种高性能8位单片微型计算机。

它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机、而且其价格便宜。

方案二：

C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。

除了具有标准8052的数字外设部件，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，而且执行速度快。

但其价格较贵。

以上两种方案综合考虑，选择方案一

1.3.3显示方案论证

方案一：

采用LED数码管。

LED数码管由8个发光二极管组成，每只数码管轮流显示各自的字符。

由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间隔小于1/16s时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。

使用数码管显示编程较易，但要显示内容多，而且数码管不能显示字母

方案二：

采用LCD液晶显示器1602。

其功率小，效果明显，显示编程容易控制，可以显示字母。

以上两种方案综合考虑，选择方案二。

1.3.4键盘方案论证

方案一：

矩阵式键盘。

矩阵式键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。

当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线都断开，行线都呈高电平。

当某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线被短路。

方案二：

编码式键盘。

编码式键盘的按键触点接于74LS148芯片。

当键盘上没有闭合时，所有键都断开，当某一键闭合时，该键对应的编码由74LS148输出。

以上两种方案综合考虑，选择方案一。

第2章单片机概述

2.1单片机的发展历史及趋势

单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。

它的产生与发展和微处理器的产生和发展大体相同，自1971年Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为4个阶段：

（1）单片机发展的初级阶段（20世纪70年代初~70年代中期）。

1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，构成了第一台MCS-4微处理器。

随后又设计出了8位微处理器Intel8008，在此期间Fairchild公司也设计出了8位微处理器F8。

这些微处理器虽然还不是真正的单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。

（2）低性能单片机阶段（20世纪70年代中期~80年代初期）。

以1976年Intel公司推出的MCS-48系列为代表，采用将8位CPU、8位并行I/O端口、8位定时器/计数器、RAM和ROM等集成在一块半导体芯片上的单片结构，虽然其寻址范围有限，也没有串行I/O端口，RAM、ROM容量小，中断系统也较简单，但功能可满足一般工业控制和智能化仪表等的需要。

这种采用将CPU与计算机外围电路集成到一块芯片上的技术，标志着单片机的诞生。

从而导致了计算机领域中开始出现两大分支：

通用计算机系统和嵌入式系统。

（3）高性能单片机阶段（20世纪80年代初期~90年代初期）。

这一阶段推出的8位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个16位定时器/计数器。

片内RAM、ROM的容量加大，寻址范围可达64KB，个别片内还带有A/D转换接口。

这一阶段中最具典型性的产品为1980年Intel公司推出的MCS-51系列单片机，其他代表产品有Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。

这类单片机的运算速度大幅度提高，增加了外围电路功能，强化了智能控制的特征，拓宽了单片机的应用范围，使之能用于智能终端、局域网络的接口等。

因而，它是目前国内外单片机产品的主流，各制造公司还在不断的改进和发展它。

4）8位单片机巩固发展阶段及16位、32位单片机不断推出阶段（20世纪90年代至今）。

此阶段单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等方面向更高水平发展。

如：

CPU的位数有8位、16位、32位，而结构上采用双CPU结构或内部流水线结构，以提高处理能力和运算速度；时钟频率高达20MHz甚至更高，使指令执行速度相对加快；提高新型的串口总线结构，为系统的扩展和配置打下了良好的基础；增加新的特殊功能部件，如监视定时器WDT、DMA传输、PWM输出、可编程计数阵列PCA、调制解调器、通信控制器、浮点运算单元等；半导体制造工艺的不断进步，使芯片向高集成度、低功耗方向发展。

此阶段单片机内集成的功能越来越强大，并朝着片上系统方向发展，单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等各方面得到大量应用。

随着技术的进步，早期的8位中、低档单片机逐渐被淘汰，但8位单片机并没有消失，尤其是51系列单片机不仅没有消失，反而还呈现快速发展的趋势。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，将进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方向发展。

2.2AT89C51单片机结构简介

2.2.1AT89C51的基本特性

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。

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，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。

AT89C51单片机有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚……第40脚。

在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。

AT89C51单片机的主要特性：

与MCS-51兼容，4K字节可编程闪烁存储器。

寿命：

1000写/擦循环。

数据保留时间：

10年，全静态工作：

0Hz-24Hz，三级程序存储器锁定，128*8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路

2.2.2AT89C51单片机的外部引脚介绍

AT89C51单片机的外部引脚的排列及名称如图2.1所示：

图2.1AT89C51单片机的外部引脚

图2.1所示管脚描述如下：

·VCC：

提供掉电空闲正常工作电压。

·GND：

接地。

·P0口：

P0口是开漏双向口，可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入。

P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节,在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1。

·P1口：

P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入1时，P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。

当作为输入脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。

其中P1.0用作定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出；P1.1用作定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制。

·P2口：

P2口是带内部上拉的双向I/O口,向P2口写入1时,P2口被内部上拉为高电平,可用作输入口。

当作为输入脚时,被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。

在访问外部程序存储器和外部数据时,分别作为地址高位字节和16位地址（MOVX@DPTR）,此时通过内部强上拉传送1。

当使用8位寻址方式（MOV@Ri）访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。

·P3口：

P3口是带内部上拉的双向I/O口。

向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。

当作为输入脚时被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流，P3口还具有以下特殊功能：

RxD（P3.0）:

串行输入口，TxD（P3.1）:

串行输出口

INT0（P3.2）:

外部中断0

INT1（P3.3）:

外部中断T0（P3.4）:

定时器0外部输入

T1（P3.5）:

定时器1外部输入

WR（P3.6）:

外部数据存储器写信号

RD（P3.7）:

外部数据存储器读信号

·RST：

当晶振在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位。

内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。

·ALE：

地址锁存使能，在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率。

并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略。

ALE可以通过置位SFR的auxlilary.0禁止，置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。

·PSEN：

当执行外部程序存储器代码时,PSEN每个机器周期被激活两次.在访问外部数据存储器时PSEN无效,访问内部程序存储器时PSEN无效。

·EA/VPP：

在访问整个外部程序存储器时EA必须外部置低,如果EA为高时将执行内部程序,除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址。

该引脚在对FLASH编程时提供5V/12V编程电压（Vpp），如果保密位1已编程EA在复位时由内部锁存。

·XTAL1：

反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。

·XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

第3章系统硬件设计

3.1各模块硬件设计

硬件设计是系统设计非常重要的一部分，这关系到系统能否正常运行，每一个模块的设计都关系到整体。

本章将详细地介绍系统各个模块的设计，包括单片机最小系统、DA转换模块、液晶显示模块和按键控制模块等。

3.1.1系统总体设计

本设计总体框图如图3.1所示：

图3.1系统总体框图

系统总体框图主要包括以下几个部分：

单片机部分：

本设计选用AT89C51单片机作为控制核心。

DA转换部分：

本设计采用2块DAC0832芯片，其中一块的输出用于另一块DA的基准

基准电压部分：

第一块DA的2.5V基准电压通过MC1403芯片来实现。

显示部分：

本设计采用LCD1602来显示波形的类型、幅值的大小、频率的大小。

键盘部分：

本设计采用3个独立按键来控制波形类型的选择、幅值大小的改变及频率大小的改变。

3.1.2单片机最小系统设计

本设计以AT89C51单片机为核心，要使AT89C51单片机正常工作，必须满足它的基本条件，这就是最小工作系统，如图3.2所示:

图3.2AT89C51单片机最小系统

小工作系统包括如下几部分：

电源：

单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚（Vcc），负极接20引脚（GND）。

晶振电路：

晶振是晶体振荡器的简称，单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作。

AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。

引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

因此，此系统电路的晶体振荡器的值为11.0592MHz，电容值约为30μF。

在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。

单片机内部已经集成了振荡器；使用晶体振荡器，接18（XTAL2）、19（XTAL1）脚。

只要买来晶振、电容，按图接上即可。

复位电路：

单片机复位电路是指单片机的初始化操作。

单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

因而，复位是一个很重要的操作方式。

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。

单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见表3.1。

表3.1寄存器复位后状态表

特殊功能寄存器

初始状态

特殊功能寄存器

初始状态

PSW

DPL

DPH

P0—P3

00H

07H

00H

FFH

***00000B

0**00000B

TMOD

TCON

TH0

TL0

TH1

TL1

SBUF

SCON

PCON

00H

不定

00H

0********B

按图中画法连好9脚（RST），单片机即可上电初始化。

复位电路的工

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