信号发生器.docx

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信号发生器

目录

1引言1

2课设内容及要求2

2.1课设内容2

2.1.1信号发生器的概述2

2.1.2信号发生器的分类2

2.1.3信号发生器的发展2

2.2课设要求4

3设计原理5

3.1方案的设计比较5

3.2信号发生器的原理5

3.3设计思路5

3.4设计流程6

3.5设计程序7

4仿真分析17

4.1仿真软件17

4.1.1仿真软件的简介17

4.1.2仿真软件的使用17

4.2Keil的简介18

4.2.1Keil工程的建立18

4.2.2Keil的设置18

4.3模块分析18

4.4结果分析21

5心得体会23

6致谢24

参考文献25

附录一仿真图26

附录二元件清单27

1引言

随着大规模集成电路技术的发展，中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、（I/O）接口、定时器/计数器和串行通信接口，以及其他一些计算机外围电路等均可集成在一块芯片上构成单片微型计算机，简称为单片机。

单片机具有体积小、成本低，性能稳定、使用寿命长等特点。

其最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中，这是其他计算机和网络都无法做到的。

波形发生器也称函数发生器，作为实验信号源，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。

目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿波，正弦波，方波，三角波等波形。

信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路经之一，不用依靠单片机。

但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。

在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。

而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是致命的弱点。

一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。

2课设内容及要求

2.1课设内容

本文介绍一种用AT89C51单片机构成的信号发生器，可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波等多种波形，波形的周期可用程序改变，并可根据需要选择单极性输出或双极性输出，具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点。

文章给出了源代码，通过仿真测试，其性能指标达到了设计要求。

2.1.1信号发生器的概述

在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。

随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。

用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。

2.1.2信号发生器的分类

信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。

按照频率范围分类可以分为：

超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。

按照输出波形分类可以分为：

正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：

脉冲信号发生器，函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。

按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。

前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。

后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。

2.1.3信号发生器的发展

波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。

函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。

在70年代前，信号发生器主要有两类：

正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。

这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。

同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。

在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。

这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。

90年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统，它由HP8770A任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。

HP8770A实际上也只能产生8中波形，而且价格昂贵。

不久以后，Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器，Lecroy公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。

到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过GHz的DDS芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003年，Agilent的产品33220A能够产生17种波形，最高频率可达到20M，2005年的产品N6030A能够产生高达500MHz的频率，采样的频率可达1.25GHz。

由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：

（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。

波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。

波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。

同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v=f（t）形式的波形方程的数学表达式产生。

从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。

目前可以利用可视化编程语言（如VisualBasic,VisualC等等）编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。

（2）与VXI资源结合。

目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。

由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。

在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便。

（3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。

不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。

这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。

而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。

2.2课设要求

以AT89C51为主控芯片，利用DA转换器和外围电路，设计一个信号发生器，要求实现以下功能：

（1）信号发生器能产生方波，三角波，正弦波，锯齿波等波形。

（2）通过按键能对四种波形进行选择输出。

（3）数码管上能显示输出波形的编号或名称。

（4）能通过按键实现对输出波形频率的调节，实现输出波形频率的提高和降低。

3设计原理

3.1方案的设计比较

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：

采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂。

方案三：

采用单片机编程的方法来实现。

该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换。

此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。

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。

3.2信号发生器的原理

数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号，因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。

89C51单片机本身就是一个完整的微型计算机，具有组成微型计算机的各部分部件：

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，只要将89C51再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指示灯及其接口等四部分，即可构成所需的波形发生器，其信号发生器构成原理框图如图2.1所示。

输出

图3-1信号发生器原理框图

89C51是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样的信号，并从键盘接收数据，进行各种功能的转换和信号幅度的调节。

当数字信号经过接口电路到达转换电路，将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。

3.3设计思路

（1）利用单片机产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形，信号的频率和幅度可变。

（2）将一个周期的信号分离成256个点（按X轴等分），每两点之间的时间间隔为T，用单片机的定时器产生，其表示式为：

公式

（1）

如果单片机的晶振为12MHz，采用定时器方式0，则定时器的初值为：

公式

（2）

解得即可。

（3）正弦波的模拟信号是D/A转换器的模拟量输出，其计算公式为：

公式（3）

那么对应着存放在计算机里的这一点的数据为：

（n取0,1,2……255）公式（4）

（4）一个周期被分离成256个点，对应的四种波形的256个数据存放在以TAB1--TAB4为起始地址的存储器中。

3.4设计流程

本次设计的设计思路由设计流程图可以清楚明了的表达，在如下图所示中，画出了流程图。

图3-2流程图

3.5设计程序

ORG0000H

MOV43H,#06H;设置段码1的地址为43H

MOV44H,#5BH;设置段码2的地址为44H

MOV45H,#4FH;设置段码3的地址为45H

MOV46H,#66H;设置段码4的地址为46H

MOVSCON,#00H;设置串口的工作方式为工作方式0

MOVP1,#0FFH;P1口为准双向口，输入之前先写入1

PB:

JBP1.0,LFB;判断P1.0是否为1，如果为1，就跳转到方波

JBP1.1,JCB;判断P1.1是否为1，如果为1，就跳转到锯齿波

JBP1.2,LSJB;判断P1.2是否为1，如果为1，就跳转到三角波

JBP1.3,LZXB;判断P1.3是否为1，如果为1，就跳转到方正弦波

LFB:

LJMPFB;如果为方波，就跳转

LJCB:

LJMPLJCB;如果为锯齿波，就跳转

LSJB:

LJMPSJB;如果为三角波，就跳转

LZXB:

L