简易低频信号源设计毕业论文.docx

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简易低频信号源设计毕业论文

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摘要

信号发生器是一种经常使用的设备，由纯粹物理器件构成的传统的设计方法存在许多弊端，如体积较大、重量较沉、移动不方便、信号失真较大，无法满足用户对精度、便携性、稳定性等要求。

本课题设计一种基于单片机控制技术与数模转化技术的低频信号发生系统，涉及单片机最小系统、D/A转换电路、放大电路及电源电路等硬件模块，涉及主程序、三角波产生函数、方波产生函数、正弦波产生函数、键处理函数及显示函数等软件模块。

通过硬件电路和软件程序相结合，,输出自定义波形，波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。

从调试结果看，该系统能控制产生方波、三角波、正弦波，频率范围1-1KHz、信号幅度0-5V，实现了设计任务规定的功能。

该低频信号发生器具有频率稳定、准确、波形质量好、操作方便、体积小、耗电少等特点,满足了工业领域对信号源的要求。

关键词：

低频信号，D/A转换，单片机

ABSTRACT

Signalgeneratorisakindofdevicethatisusedfrequently,designmethodisconstitutedbyapurelyphysicalandtraditionaldevicethathasmanydrawbacks,suchasthelargerweightthanthesink,mobileinconvenientlarger,thesignaldistortion,andcannotmeettheuserontheaccuracy,portableandstabilityrequirements.Thistopicistodesignalow-frequencysignalgenerationsystemwhichbasedonthesingle-chipcontroltechnologyanddigital-to-analogconversiontechniques,involvinghardwaremoduleofthemicrocontrollerminimumsystem,D/Aconversioncircuit,amplifiercircuit,andapowersupplycircuit,andrelatestothemainprogram,thetrianglewavegeneratingfunction,squarewavegeneratingfunction,sinewavegeneratorfunction,afunctionofthekeyprocessinganddisplayfunctionssuchassoftwaremodules.Combinationofhardwarecircuitryandsoftwareprogram,theoutputofthecustomwaveform,frequencyandamplitudeofthewaveformwithinacertainrangecanbearbitrarilychanged.Fromthedebugresult,thesystemcanbecontrolledtogenerateasquarewave,trianglewave,sinewave,thefrequencyrange1-1KHzsignalamplitude0-5V,toachievedesignmandate.Thelowfrequencysignalgeneratorwithafrequencystability,accurate,waveformquality,easyoperation,smallsize,lowpowerconsumptionandotherfeaturestomeettherequirementsoftheindustrialareasofthesignalsource.

Keywords:

low-frequencysignal,D/Aconverter,single-chipsystem

目录

1绪论

1.1课题背景

随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的循环发展，促使了信号发生器的种类增多，性能提高并且开始向着自动化、智能化方向发展。

现在，许多信号发生器都带有微处理器，因而具备了自校、之间、自动故障诊断和自动波形形成等功能，可以号种子计算机及其他测量仪器，方便的工程自动检测系统。

当前信号发生器总的趋势是向着频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。

1.2设计目的和意义

单片机应用十分广泛，具有广泛的使用价值。

低频信号发生器作为一种常用的信号源，只要运用于电子电路、自动控制和科学研究领域。

它是一种作为电子测量，计量工作并且提供符合严格技术要求的电信号设备，银次是电子测试系统的重要部件，是决定电子测试系统性能的关键设别。

本设计要求输出信号的频率较低，因此使用了单片机作为控制器，用D/A转换器以及LM324放大电路来输出相应波形。

通过软硬件的仿真调试来表明电路输出频率的稳定性较好。

1.3相关领域国内外技术的历史和发展

信号发生器已经成为了一种我们经常使用的设备，他是有由纯粹物理器件构成的，在传统的设计方法中存在着许多弊端，比如体积大、重量沉、移动不方便、信号失真大，这些问题都让信号发生器无法满足用户对精度、便携性、稳定性等要求。

本课题的设计是一种基于单片机控制技术的信号发生器，具有频率稳定、准确、波形质量好、输出频率范围宽、便携性好等特点，以满足一些用户及工业领域对信号源的要求。

现如今电子技术发展速度十分迅速，信号发生器对于电路测试等一些专业领域来说，要求也随着科技的发展越来越高，对精确度也越来越高。

它不只是能够产生正弦波，方波，三角波，锯齿波等，信号发生器还要通过模拟来输出不规则的信号用来形成实际的环境信号。

而且在输出的过程中要包括频率，波形，输出电压，功率等一些参数并且在可控的范围内恩能够够进行精确的调整以及良好的稳定性。

在早期电子设备开始被研发推广，波形发生器也应运而生。

在40年代因为通信和雷达技术的发展需求而被用于测试不同的接收机。

那个年代的科技发张水平有限，因次最一开始的信号发生器的器件结构相对于现在要复杂很多，功率大，电路简单，所以发张的速度非常缓慢。

一直到1964年才研发出第一台全晶体管信号发生器。

在随之而来的60年代中，信号发生器则有了巨大的改变。

多出了很多新种类的发生器如函数发生器，扫频信号发生器等。

这些新的发生器性能指标同样相对于一开始的信号发生器有了大幅度的提高，而在机械结构以及功能上都有了明显的改善。

70年代是个分割期，在之前的时期里主要有两类信号发生器：

正弦波以及脉冲波，函数发生器则是介于这两者之间，如果要产生一些特殊的波形时则要采用比较复杂的电路以及机电结合的方法才能实现。

这段期间主要采用的是模拟电子技术。

模拟的元器件岑在着一些明显的缺点如尺寸规格打，价格昂贵以及功耗巨大，信号波形越复杂电路也会随之变得复杂，两者之间成正比。

与此同时还有两个更为重要的问题：

1当时是通过电位器的调节来实现输出频率，所以很难将频率固定在某一特定的数值上。

2脉冲的占空比无法自由调节。

在70年代后期随着微处理器的出现，已经可以利用处理器，软硬件以及A/D,D/A转换来扩大波形发生器的功能用来产生更加复杂的波形。

1975年任意波形发生器被研发，让信号发生器的种类多了一个品类。

在刚开始将任意波形发生器投放到市场前，三角波，方波等特殊波形是通过函数发生器来产生的。

而声音及郑东分析则会需要复杂的调制信号源，以便于仿真出真实的信号。

如医疗仪器中往往需要测试心电波，而只有通过借助任意波形发生器才能非常容易的产生需要的波形。

在一些其他领域中也会需要借助任意波形发生器来产生一些非标准的，特殊的波形来实现目的。

任意波形示波器在前期的着重点在重音频频段，而如今的任意波形发生器已经扩展到了射频频段，数字示波器也已与之紧密配合，一旦数字示波器捕捉到信号，同样的示波器就会被任意波形发生器复制出来。

数字示波器在电路的结构上是通过模拟/数字的转换，而认识波形发生器则是数字/模拟的逆转换，在本次的毕设中运用的就是数字/模拟的逆转换。

在90年代末期，市场上出现了一些真正高性能，高价格的函数发生器。

21世纪是一个高速发展的时代，随着集成电路的发展创新，出现了可以拥有多种工作频率的DDS芯片，于此同时也促进了函数发生器的发展，具体的体现主要有一下几个方面：

（1）曾近因为频率的低应用范围狭小，而现在输出波形频率的提高让波形发生器运用到了诸多领域中去。

随着软件的开发让波形数据输入变得简单容易，方便快捷。

各种计算机语言的迅速发展也在无形中推动了波形发生器软件技术前进。

（2）信息科技技术的蓬勃发展使得现在的仪器形态发生了重大改变，外形的尺寸和价格都是以前同类产品的一半。

最新的仪器都具有多种特性并且可以执行不同功能。

现在我国在研制波形发生器方面已经取得了一定的成果，但是总体来说还是没有形成一定规模的产业。

中国现在的成熟产品大多数都是PC仪器插卡，独立的仪器和VXI系统的模块相对来说比较少，和国外的研究相比来说存在这很大的差距，中国在这方面的研究还有很长的路要走。

在当今这个信息科技发展迅速的时代，科技已经成为了第一生产力，日新月异的科技发展带动了各个国家的全面发展。

而单片机已经在不知不觉中渗透到了我们生活中，现在几乎很难找到没有单片机存在的领域。

单片机已经开始影响了我们的衣食住行。

1.4单片机在低频信号发生器中的应用

如今的信息科技社会是伴随着科学技术的迅速发展和越来越智能化的仪器设备，电子科技的发展，改变了我们的日常生活。

单片机的应用在现代电子领域中，仍在继续深入探索，这样的发展一定会使得传统控制与检测技术也随之日新月异。

由单片机所构成的器件都有着较高的可靠性以及高性能的价格比，这样的器件早已被广泛的应用在智能仪表系统和办公自动化等其它领域中，并且在洗衣机、微波炉及音响汽车等生活用品中也运用了单片机，我们的生活中已经处处可见它的应用。

单片机在不知不觉中开始占领了我们的生活，相信在未来我们的生活一定会离不开单片机。

因此，单片机技术的发展和应用水平已经逐渐开始成为了国家工业发展水平的象征性之一。

现在的一块单片机芯片已经可以取缔一台计算机的作用。

正是因为单片机具有不同的结构形式，在一些应用到的领域中，它完成的许多工作都是很多大中型的计算机以及通用微型计算机无法完成的任务。

这让它具备了很多优势和特点，也正因为这样才可以让它能够在不同领域中的应用得到迅速的发展。

它的优点可以概括为以下几点。

1单片机是能够把将在应用中所有需要的存储器以及不同的I/O端口都集成在一块简单的芯片中,因此它的性能是毋庸置疑的，拥有着非常高的性能而且它的价格相比较而言是非常低廉的，拥有着很高的性能价格比。

2单片机是“麻雀虽小，五脏俱全”，它十分适合应用于很多领域中的控制用途。

为了能够到达工业领域对控制的严格要求，一般单片机指令系统都会有较多的转移指令，I/O端口的逻辑操作指令以及位操作指令。

相比较其他同档次的微机，它的逻辑控制功能以及运行速度都会高出很多。

3单片机是一块芯片中包含了各种功能的部件，所以它的集成度相对来说较高，是由大规模或者超大规模的集成电路组成。

并且内部是采用总线结构，这种结构可以减少芯片之间繁琐的连线，这样可以提高单片机的可靠性以及抗干扰能力。

同时，它的体积较小，在较强的磁环境中可以易于采取相应的屏蔽措施，十分适合工作在恶劣环境下。

4现如今大量携带式的产品和家用消费类产品中都包含了单片机，这正是因为它的低电压和低功耗。

现在许多单片机能够在2.2V的电压下运行,有些已经可以在1.2V或0.9V的电压下工作，功耗也随之降到了了μA级,一粒钮扣电池就能够使用很长的一段时间。

通过单片机和程序设计来产生的低频信号，有着非常低的下限频率。

它的优点是电路设计简单，电路结构紧凑，价格便宜，频率的稳定度高，抗干扰能力强，应用范围广泛，同时还能够细微调整波形大小，改良波形效果，可以满足系统的要求。

并且只需要稍微修改，调整程序，就能够完成相应功能的升级。

本文的设计思路是通过AT89S51单片机，DAC0832数模转换电路以及LM324组成的低频信号发生器，它的特点是价格便宜、性能较高，在低频的范围内稳定性较好、操作方便、体积小、耗电少。

2系统总体设计

低频信号发生器采用单片机波形合成发生器产生高精度，低失真的正弦波电压，可用于校验频率继电器，同步继电器等，也可作为低频变频电源使用。

本设计是以单片机为核心的低频函数信号发生器。

信号发生器是通过数字波形合成的,再由硬件电路和软件程序相结合而产生,能够自定义输出正弦波、方波、三角波及锯齿形等波形。

在一定的范围内，波形的频率和幅度可以任意改变。

本文描述了输出波形的原理、硬件电路方案和软件编写的设计思路。

本文详细介绍了D/A转换器是如何被单片机控制输出上述信号的硬件电路和软件编程、DAC0832D/A转换器的工作原理、AT89C52的功能以及与设计电路有关的各种芯片、还有关于如何也输出不同频率信号波形的设计方案。

这种信号发生器的优点是体积小、价格低、性能稳定、功能齐全。

2.1硬件系统方案

图2-1硬件系统框图

简易低频信号发生器主要是由AT89S51单片机、D/A转换电路，LM324运算放大电路，按键电路以及LCD显示电路组成。

低频信号发生器开始工作时，供电电源为低频信号发生器提供相应工作电压VCC，发光二极管发光显示系统正在工作状态，通过按键控制来完成相应的工作任务，波形选择按键控制输出不同的信号波形（方波，锯齿波，三角波，以及正弦波），而频率选择按钮控制输出信号的频率值以完成信号控制。

AT89S51单片机在接收到键盘控制信号后，根据软件程序输出数字波形信号，数字信号经过D/A数模转换模块后，将数字信号转换成模拟信号，只有模拟信号才能经过运算放大器进行放大处理，LM324将小信号放大后输出。

同时，LCD需显示相应的波形信息（波形名称以及频率），按键控制改变后，输出波形改变并且LCD对应显示输出波形信息。

2.1.1总体设计方案选择

方案一：

AT89S51芯片中只有一路模拟输出或几路模拟信号非同步输出，这种情况下ＣＰＵ对DAC0832执行一次写操作，则把一个数据直接写入ＤＡＣ寄存器，DAC0832的输出模拟信号随之对应变化。

输出波形稳定，精度高，滤波好，抗干扰效果好，连接简单，性价比高。

方案二：

锁相频率合成。

这是一种传统的方法，它是由IC145152芯片和压控振荡器连接组成一个锁相环电路，由此输出正弦波，方波是通过过零比较器来输出，三角波则是通过积分电路来转换。

所以这个方案比较复杂，受到干扰性大，结果不容易实现。

方案三：

通过MAX038作为主控芯片形成电路再输出波形。

MAX038的精确度极高，能够产生精密的高频波形可以输出精确的锯齿波、三角波、方波和正弦波波形，但是MAX038的成本太高，程序较为复杂不适用于毕业设计。

通过各方面利弊考虑，最中选择了方案一作为本次毕业设计方案。

2.1.2芯片选择

方案一：

采用AVR单片机。

AVR单片机的硬件结构是8位机和16位机的结合体，也就是说他包括了局部寄存器堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器，输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。

这使得它提高了指令执行速度以及增强了相应的功能；与此同时对外设管理的开销也减少了，相对来说简化了它的硬件结构，降低了它的成本。

所以AVR单片机无论是在软硬件的成本，速度和性能等多方面因素都进一步得到了优化。

因此它是一款性价比很高的单片机。

方案二：

采用MSP430系列单片机。

MSP430单片机是16位的单片机，它是运用了精简指令集（RISC）结构，大量不同的寻址方式（包含了4中目的操作数寻址和7种源操作数寻址）、多种模拟指令以及简洁的27条内核指令；片内数据存储器以及寄存器都能够进行多种运算；还可以进行高效的查表处理指令等功能。

这些特点都确保了它的源程序可以高效率的编制。

方案三：

采用51单片机作为主控芯片。

51单片机对于初学者来说较容易掌控。

AT89S51单片机是高性能的8位单片微型计算机。

它的集成电路芯片包含了计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口，从而形成比较完整的计算机。

原本我方案中的计划是选择89C51来当我的核心芯片。

在制作PCB板前，我又查阅了一些资料以及对店家的询问了解到了89S51。

89S51相对于89C51来说功能更加强大，比如：

ISP的在线编程功能得到了增强，改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离是这个功能的特点。

这是一个十分强大而且容易使用的功能。

89S51的最高工作频率是33MHz,而89C51的工作极限频率是24MHz，也就是说89S51比89C51有了更高的工作频率，从而有了更快的运算速度。

此外，它的成本相对于89C51来说更加的低廉。

所以不管是从功能还是价格来说89S51相对于89C51来说更加的适合我的课题设计。

方案选择：

这是一个毕业设计，我只需要完成简易低频信号源的设计，因此51单片机足以满足我的所有需求，并且51单片机的价格对于我们来说比较容易接受，性价比是最高的并且编程相对于来说比较容易，所以最终我选择了89S51作为我的核心芯片。

2.1.3按键选择

方案一：

矩阵式按键。

矩阵式按键的按键点是在行、列母线构成的矩阵电路交叉处。

当键盘上没有按键闭合是，所有的行列线都会断开，行线是高电平。

当某一个按键闭合会死，该按键所对应的行列线会被短路。

方案二：

独立式按键。

独立式按键的软硬件都相对简单一些只是会占用一些I/O端口。

方案选择：

我选择独立式按键，因为我们的主旨是要制作简易的低频信号源而我不需要那么多的按键所以矩阵式的按键数量太多完全没有必要，编程也较为简单，所以我采用了独立式的按键。

2.1.4设计要求

（1）能够显示正弦波，三角波，方波以及锯齿波

（2）能够通过按键来选择波形

（3）能够通过按键来控制频率

（4）LCD显示波形名称

2.1.5系统模块

按照毕设的设计要求，我把系统模块分为以下部分：

主控模块，LCD显示模块，按键处理模块，波形产生模块以及波形显示模块。

主控模块：

以AT89S51单片机作为主控制器

LCD显示模块：

通过数码管显示波形名称和相应频率

按键模块：

通过按键选择波形以及频率的大小

波形产生模块：

通过D/A转换以及运算放大电路输出波形

2.2软件系统方案

软件系统根据不同的功能分为不同的程序模块：

主程序模块，、方波模块、三角波模块、锯齿波模块、正弦波模块、按键控制模块等。

首先各模块初始化，保证程序运行不会出错，然后按键选择，处理程序，通过不同的按键来选择波形和频率大小，同时液晶屏显示波形名称和频率大小，最后由示波器来显示波形大小。

主程序

初始化程序

按键控制程序

波形数据产生程序

LCD显示程序

正弦波

三角波

锯齿波

方波

图2-2软件系统框图

3硬件电路设计

3.1单片机最小系统

AT89S51是一种低功耗，高性能CMOS8位单片机，单片机里有4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，它是ATMEL公司运用高密度、非易失性存储技术而制造的，同时兼容了标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元也被集成在芯片中，AT89S51强大的功能可以提供高性价比的解决方案给嵌入式控制应用系统。

AT89S51有以下几种特点：

芯片包含了40个引脚，Flash片内程序存储器是4k比特，随机存取数据存储器是128比特，32个外部双向输入/输出端口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，16位可编程定时计数器有2个,全双工的串行通信端口有2个，看门狗电路，片内时钟振荡器。

另外，AT89S51可以通过软件设置为省电模式以此减少耗电量同时设计和配置了振荡频率可为0Hz并。

在程序的空闲模式下，CPU会暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统仍然可以继续工作，在掉电模式下冻结振荡器从而保存RAM中的数据，同时停止芯片其它功能运行直到外部中断被激活或者硬件复位。

此外该芯片还有三种不同规格的封装规格：

PDIP、TQFP和PLCC，用来达到不同产品对芯片规格的需求

图3-1AT89S51实物引脚图

3.1.1芯片特性：

（1）可编程FLASH存储器是4K字节

（2）全静态工作范围：

0Hz-24KHz

（3）三级程序存储器保密锁定

（4）内部RAM是128*8位

（5）三十二条可编程的I/O接线

（6）16位定时器/计数器有两个

（7）中断源六个

（8）可编程串行通道

（9）低功耗的闲置和掉电模式

（10）片内振荡器

（11）时钟电路

3.1.2管脚说明：

VCC：

提供电路电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口是8位的漏级开路双向I/O端口，每个引脚可以吸收八个TTL门的电流。

当P0口的管脚第一次写入1时，此时定义为高阻输入。

外部程序数据存储器可以运用P0端口，数据/地址的第八位可以定义为P0端口。

P0端口在FIASH编程中用于原码的输入端口，P0端口会输出原码在FIASH校验的时候，同时P0的外部必须被拉高。

P1口：

P1端口的8位双向I/O口可以内部提供上拉电阻，P1端口可以接收输出4TTL门电流通过缓冲器。

P1端口可以当作输入在管脚写入1后同时被内部上拉为高电平，因为内部上拉的原因，P1端口输出电流时，外部被下拉为低电平。

P1端口用来作为第八位地址来接收数据，在FLASH编程和校验的时候。

P2口：

P2端口的8位双向I/O口是内部上拉电阻，P2口可以接收数据通过缓冲器，同时4个TTL门电流输出，当P2端口输入1时，它的管脚被用于输入而且内部上拉电阻拉高。

P2端口的管脚被外部拉低作为输入，因为内部上拉的原因输出电流。

P2端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。

当地址为“1”时，P2口输出特殊功能寄存器的内容是通过内部上拉优势同时对外部八位地址数据对存储器进行读写。

P2端口接收高八位地址信号和控制信号是在FLASH编程和校验的时候。

P3口：

P3端口的双向I/O口是8个带内部上拉电阻，输出4个TTL门电流可被接收。

当P3端口写入1后，它们的内部被上拉为高电平，并当作输入。

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。

表3-1AT89S51端口引脚功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

读端口和读引脚读端口在I/O口的两种工作方式中都被用作输入口。

实际情形中，数据并不从外部被导入，读入到内部总线的而是在端口锁存器中的内容，再写回到端口锁存器时，经过某种运算或变换后真正地把外部的数据读入到内部总线上面也只有在读端口的时候。

输入缓冲器其实就是两个在图