实用信号源系统的设计.docx

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实用信号源系统的设计

摘要

目前，信号源的应用非常广泛。

论文设计了一个基于单片机（MCU）的实用信号源系统，通过PROTEUS软件进行系统的功能仿真。

单片机作为中央控制器，直接由软件产生波形信号的输出，并可通过软件的修改，达到输出任意波形,用于测试电路，可以用来给定时器提供波形，使电路能够稳定工作。

可以输出幅度为0～5V，频率为0～3KHz的矩形波、三角波、锯齿波和正弦波四种波形信号,其幅度和频率可从键盘输入。

本系统输出的各种信号,均由软件产生各种数据再经过D/A转换后输出,可满足需要多种低频信号源的使用场所。

关键词：

MCU；实用信号源；PROTEUS；软件；定时器

ABSTRACT

Atpresent,thesupplyoscillatorapplicationiswidespread.Thepaperhasdesignedonebasedonthemicrocontrolunit（MCU）thepracticalsupplyoscillatorsystem,carriesonsystem'sfunctionsimulationthroughthePROTEUSsoftware.Themonolithicintegratedcircuittakesthecentralcontroller,hastheprofilesignaloutputdirectlybythesoftware,andmaythroughsoftware'srevision,achievetheoutputrandomprofile,usesinthetestcircuit,mayusefortothetimertoprovidetheprofile,enablestheelectriccircuitthesteadywork.Maytheoutputamplitudebe0~5V,thefrequencyisthe0~3KHzrectangularwave,thetriangularwave,thesaw-toothwaveandthesinewavefourkindofprofilesignals,itsscopeandthefrequencymayfromthekeyboardentry.Thissystemoutput'seachkindofsignal,haseachkindofdatabythesoftwaretransformsafterD/Atooutputagain,maysatisfyneedmanykindsoflowfrequencysupplyoscillatorstheuseplaces.

Keywords:

MCU;Practicalsupplyoscillator;PROTEUS;Software;Timer

第1章绪论

1.1课题来源

波形发生器（WaveformGenerator）是一种常用的信号源，广泛应用在工业生产、科学研究和教育教学中。

同时也是从事电子产品研究和开发的广大工程技术人员必备的一项基本设备。

长期以来，我们使用的波形发生器是由分立元件或集成电路元器件构成，这些波形发生器在过去对我们从事电子产品的研究和设计起到很大的作用，然而，基于分立元件的信号源，一方面由于产品质量与元器件密切相关，元器件的分散性使产品的技术参数难以达到较高的要求，质量保证受到一定程度的限制；另一方面产生的技术指标完全依赖于硬件电路，在使用过程中随着元器件参数的老化，波形发生器的技术参数也随之发生变化。

近年来应用DDS技术采用数字合成的波形发生器虽然能克服由于元器件分散性引起的故障，但昂贵的价格提高了用户的门槛。

如何降低成本，提高波形发生器性能，本课题瞄准传统波形发生器存在的问题，拟定采用单片机控制技术，通过程序实现波形发生器的设计，从根本上解决分立元件在技术上无法解决的问题，满足一般用户对波形发生器的要求。

1.2课题研究的目的和意义

1.2.1课题研究目的

通过对该课题的研究，以实现实用信号源系统为研究目标，从问题的提出到工程方案的确定，从原理图设计、程序设计到系统仿真，从PCB板设计到制作、元器件质量检测与焊接到产品性能指标的测试，实现从概念到产品的完整工程训练。

通过本次设计，可以培养我综合运用《单片机控制技术》、《电子电路设计与仿真》、《电子工艺学》、《PCB板设计与制造》等学科知识的能力；对我在以后工作中的工程训练有很好的锻炼。

1.2.2课题研究意义

针对分立元件波形发生器存在的问题，提出了应用单片机技术通过编程实现方波、三角波、锯齿波、正弦波四种波形，从根本上解决了传统波形发生器存在的问题。

建立了以问题为导向，以学生为主体的探究性实验教学模式，激发学生的学习情绪，充分发挥学生的主观能动作用。

正确处理了教师和学生的地位，推动了动手能力和创新素质的培养，为开放实验教学，探索实验教学的运行和管理，具有示范作用。

1.3国内外现状及水平

波形发生器的发展经历了三个阶段，它的发展与电子元件的发展及电子技术的发展紧密相联。

分立元件阶段：

上个世纪50年代到80年代的波形发生器是由分立元件构成的，这种波形发生器曾经在电子测试方面作出贡献，但这种波形发生器，体积大，再加上元件分散性，从而使产品的质量难以保证。

集成电路阶段：

从上个世纪70年代以来，人民研究了波形发生器专用集成芯片，如L8038、BA205、XR2207/2209等，这种改进，对因元件分散性而造成的故障得到了明显的改善，但由于集成电路本身也属于元器件，所以当产品使用一定时间后，也会造成波形失真。

现代电子技术阶段：

上个世纪90年代，随着电子技术和计算机技术的发展，波形发生器的发展朝着微处理器方向、FPGA方向及DDS数字合成方向发展，现已研制出了任意波形发生器，产品性能和质量是通过程序设计来保障，完全克服了传统用硬件来解决的思路[1]。

1.4课题研究内容

本设计研究的主要内容如下：

（1）在广泛查阅DAC转换芯片等资料的基础上，根据不同的控制要求及应用领域完成对系统方案的总体设计。

本设计以AT89C52为核心，能产生正弦波、方波、三角波和锯齿波等常用波形，并能对输出波形进行幅度控制和频率控制。

（2）研究比较各相关元器件的功能与特点，选择合适的元器件。

（3）系统硬件设计。

系统硬件设计主要包括：

键盘部分、显示部分、DA转换部分等。

（4）系统软件设计。

本课题采用C语言，利用Keil编译器进行编程及调试。

本设计的难点分为硬件和软件两个方面。

其中硬件开发的难点在于各种元器件的选择和使用，如各种电阻、电容等的选择。

软件开发的难点在于DA的时序研究，以及对DA转换程序的编写，另外对系统内部各部分之间的联系通过程序来实现也要引起注意。

第2章系统方案设计与论证

2.1设计任务与要求

本设计主要研究基于单片机应用技术实现的具有实用价值，操作方便的信号发生器。

系统主要有振荡与复位电路、按键控制电路、D/A转换电路、显示电路等部分组成。

其中，输出波形的频率由单片机来控制实现。

主要任务如下：

（1）硬件系统的总体分析设计；

（2）能产生正弦波、方波、三角波和锯齿波等常用波形，并能对输出波形进行幅度控制和频率控制；

（3）电路简单，性能稳定。

2.2方案选择与论证

我们在确定开发题目后，要先进行方案调研，这个过程很重要，制定出一个好的方案会使我们后面的开发工作较为顺利。

主要还包括以下几个部分：

2.2.1控制模块的方案论证

方案一、采用单片机作为核心控制部件，如图2.1所示，单片机设计控制电路省去了很多分立元器件。

对于脉冲的产生及分配，频率的调节，转速及状态的改变都可以由单片机实现，不必再分别用分立元器件实现。

利用单片机实现函数信号发生器。

这种信号发生器能产生多种波形信号且达到较高频率，且易于调试，成本低。

图2.1控制部分原理框图

方案二、用FPGA作控制部件，如图2.2所示，这种信号发生器能产生任意波形并达到很高频率，但成本较高。

图2.2控制部分原理框图

综合以上两种方案，从技术的可行性和经济性考虑，本设计采用方案一。

2.2.1按键控制模块的方案论证

方案一：

矩阵式键盘，如图2.3所示。

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。

图2.3按键控制部分原理框图

方案二：

独立式键盘，如图2.4所示。

独立式键盘的按键触点接于AT89C52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AT89C52输出。

图2.4按键控制部分原理框图

以上两种方案综合考虑，选择方案二。

2.2.2信号发生模块的方案论证

方案一：

由硬件产生。

由硬件产生的信号没有阶梯，波形光滑。

如果采用压控振荡器，就可单片来控制信号的频率，能过电子开关来选择不同的振荡器投入工作，就可以输出不同的波形。

不过，不同波形需要用不同的振荡器来实现，电路较复杂，难以输出超低频的信号。

方案二：

由软件产生。

将各种波形的数据固定在单片机的程序存储器里，通过改变这些数据的输出速度便可以改变信号的频率，通过改变D/A转换器的参考电压便可以改变信号的最大值，硬件电路简单，成本低。

但输出的信号会出现阶梯。

由于本系统输出的信号频率最低达到1Hz，用方案一难以实现，用方案二，虽然会出现阶梯，但通过增加每个周期输出的点数来把阶梯降低到允许的范围内，因此，本系统选择了方案二[2]。

2.2.3D/A转换模块的方案论证

单片机输出的是数字信号，必须通过D/A转换后才能以连续的模拟信号输出，才能便于观察和应用。

方案一：

采用D/A转换器AD7543，如图2.5所示。

AD7543是一种串行的D/A转换器，1与单片机之间的连线少，布线方便，而且又是12位的D/A转换器，精度高。

但串行数据传输速度慢,当频率较高时,必须减少每周期输出的点数,这将会导致阶梯现象更加明显,因此,此方案不宜使用。

图2.5DA转换部分原理框图

方案二：

采用DAC_8，如图2.6所示。

这是8位的并行D/A转换器，转换速度快。

图2.6DA转换部分原理框图

因此，本系统选择了方案二。

2.2.4键盘消抖模块的方案论证

方案一：

用去抖电路，从根本上避免抖动的产生，一般采用R-S触发器或者单稳态电路。

这样在按键多时可以减少I/O口的占用，但软件编程较复杂。

方案二：

用软件消抖，即是用延迟来跳过抖动的过程。

在本次设计中我们选用第二种方案。

在一般的电路设计中，用软件就可以实现，而且使电路比较简单，也能满足需要。

2.2.5显示模块的方案论证

方案一、采用点振式液晶显示器（LCD）显示，，如图2.8所示。

虽然其功能强大，能显示各种字体的数字、汉字、图像，还可以自定义显示的内容，但是编程复杂，先要完成大量的显示工作，且成本较高。

图2.8显示部分原理框图

方案二、采用发光二极管（LED）显示如图2.9所示。

虽说只能显示非常有限的符号和数字，但可完全满足本设计只有数字显示的要求，且其编程简单，成本低。

图2.9显示部分原理框图

分析以上两种方案的优缺点，第二种方案更为方便、实用[3]。

2.3系统实现原理

经过上面的比较与论证，可以得出实用信号源系统的总方框图,如图2.10所示。

图2.10实用信号源系统总方框图

信号源的主要功能是产生周期信号的波形。