多功能信号发生器的设计与实现.docx

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多功能信号发生器的设计与实现

题目多功能信号发生器的设计与实现

学生姓名学号

所在学院物理与电信工程学院

专业班级电子信息工程

指导教师

完成地点物理与电信工程学院实验室

2016年6月2日

多功能信号发生器的设计与实现

（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业,2012级3班，陕西汉中723000）

指导教师：

[摘要]本文介绍的是利用STC12C5A60S2单片机和数模转换器件DAC0832产生所需不同信号的低频信号源，其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。

文中简要介绍了DAC0832数模转换器的结构原理和使用方法，STC12C5A60S2的基础理论，以及与设计电路有关的各种芯片。

着重介绍了如何利用单片机控制D/A转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程。

信号频率幅度也按要求可调。

本设计核心任务是：

以STC12C5A60S2为核心，结合D/A转换器和DAC0832等器件，用仿真软件设计硬件电路，用C语言编写驱动程序，以实现程序控制产生正弦波、三角波、方波、三种常用低频信号。

可以通过键盘选择波形和输入任意频率值。

[关键词]单片机；LCD1602；信号发生器；DAC0832

Designandimplementationofmultifunctionsignalgenerator

Author:

g

（Grade12,Class03,MajorinElectronics&Informationengineering,Physics&TelecommunicationsengineeringDept.,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi）

Tutor:

Abstract:

ThisarticledescribestheSTC12C5A60S2microcontrolleranddigitaltoanalogconverterDAC0832toproducethedesiredsignalofthelowfrequencysignalsource,thesignalamplitudeandfrequencycanbecontrolledasrequired.ThearticlebrieflydescribesthestructureofprinciplesanduseoftheDAC0832digital-to-analogconverter,theSTC12C5A60S2basictheoryanddesignofcircuitsavarietyofchips.ThepaperfocusesonhowtousemicrocontrollertocontroltheD/Aconvertertoproducethehardwareandsoftwareprogrammingoftheabovesignals.Thesignalfrequencyrangeisalsoadjustableasrequired.Thecoreofthedesigntasksare:

STC12C5A60S2astheD/AconverterandDAC0832devices,circuitsimulationsoftware,designhardwaredriverswritteninC,inordertoachieveprocesscontroltoproducesinewave,trianglewave,squarewave,threecommonlyusedlow-frequencysignals.Waveformsandenteranyfrequencyvaluecanbeselectedviathekeyboard.

KeyWords：

onSTC12C5A60S2functionwaveformgeneratorDAC0832squarewave,trianglewave,sinewave,sawtoothwave

1引言

1.1目的和意义

信号发生器亦称波形发生器，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。

目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，波形种类多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。

用分立元件组成的信号发生器，通常是单信号发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试;用集成芯片的信号发生器，可达到较高的频率和产生多种波形信号,但电路较为复杂且不易调试。

利用DA转换器配合单片机可以实现波形产生的功能，而且可以根据需要进行调整，设计灵活。

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迅速发展促使信号发生器种类增多性能提高尤其随着70年代微处理器的出现更促使信号发生器向着自动化智能化方向发展现在许多信号发生器带有微处理器因而具备了自校自检自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统当前信号发生器总的趋势是向着宽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]。

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而在我们日常生活中以及一些科学研究中锯齿波和正弦波矩形波信号是常用的基本测试信号譬如在示波器电视机等设备中为了使电子按照一定规律运动以利用荧光屏显示图像常用到锯齿波产生器作为时基电路信号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加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产都使我们研制一种低功耗宽频带能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能[2]。

信号发生器作为一种常见的电子仪器设备，既能够构成独立的信号源，也可以是高新能的网络分析仪，频谱仪以及自动测试装备的组成部分，函数信号发生器的关键技术是多种高性能仪器的基本组成部分，函数信号发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它是能够提高质量的精密信号源及扫描源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并且提高检测精度。

1.2研究概况及发展趋势

信号发送器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。

因其应用广泛，种类繁多，特性各异，分类也不尽一致。

按信号波形可分为正弦信号、函数信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。

信号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，而信号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、高价格的信号发生器、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，同时也推动了信号波形发生器的发展，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，信号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、直线和固定的信号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。

从而促进了信号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。

1.3本系统主要功能

本系统设计制作一个基于DAC0832的信号发生器。

能实现以下几种功能：

（1）用户可以通过按键设定频率、波形、幅度这些参数。

（2）本系统输出幅度范围为0.1VPP~5VPP。

最小步进值为0.1VPP。

（3）本系统输出方波、三角波、正弦波和锯齿波。

最小步进值为1HZ。

（4）系统所有的设置的参数都能在LCD1602上显示。

（5）正弦波:

1Hz～10KHz;三角波:

1Hz～5KHz;方波:

1Hz～10KHz;锯齿波:

1Hz～5KHz。

2.总体方案论证与设计

根据所要实现的功能划分，系统一共需要以下几个模块：

主控模块、显示模块、信号产生模块、程控增益模块和负压产生模块，以下就针对这几个模块的选型和论证进行讨论。

2.1主控模块的选型和论证

方案一：

采用MSP430系列单片机，该单片机是TI公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。

其内部集成了很多模拟电路、数字电路和微处理器，提供强大的功能。

不过该芯片昂贵不适合一般的设计开发。

方案二

采用51系列的单片机，该单片机是一个高可靠性，超低价，无法解密，高性能的8位单片机，32个IO口，且STC系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。

因此选用方案二中的51系列单片机作为主控芯片。

2.2显示模块的选型和论证

方案一：

采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较合适，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以不用此种作为显示[3]。

方案二：

采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格虽适中，对于显示数字也最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用单片机口线少。

但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往有很多障碍，所以不采用LED数码管作为显示。

方案三：

采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，对于本设计而言一个LCD1602的液晶屏即可，价格也还能接受，需要的借口线较多，但会给调试带来诸多方便。

所以本设计中方案三中的LCD1602液显示屏作为显示模块。

2.3信号产生模块的选型和论证

方案一：

利用R2R型DA转换器DAC0832进行产生信号，把要产生的信号根据其规则建立一个ROM表，单片机每隔一段时间根据ROM表的值去改变数模转换器的电压输出值，如果ROM表示根据正弦变化记录的表则输出的波形则为正弦波，如此类推，只用通过改变时间的间隔即可改变输出波形的频率。

方案二：

利用集成芯片DDS芯片AD9833进行产生信号，该芯片可以通过与单片机通信设定其输出波形和频率，而且设定的频率精度非常高。

DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分。

频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码。

方案一由于使用的独立的DA转换器，设计比较灵活，只要预先先把波形的ROM表生产好存储到单片机内即可输出，定频率的设定波形而选用DDS芯片则只需要通过固定的时序控制则能方便产生设。

但是由于DDS成本较为高昂，因此本设计选用DA转换器来实现波形产生的功能。

2.4程控放大模块的选型和论证

方案一：

选用DAC0832搭配外部电路构成程控放大器，由于DAC0832是一个8位DA转换器，因此能设置成256档放大倍数。

通过单片机控制DA转换器的数字端口即可改变放大倍数。

方案二：

选用VCA810作为主芯片进行程控放大，VCA是一款高性能的压控放大器芯片，它有一个增益控制引脚，用户可以通过改变该脚的电压进行增益的控制，增益的控制范围为-40dB~40dB，不过VCA810需要搭配外部的DA转换器才能实现程控放大的功能。

由于DAC0832的价格较VCA810便宜，而且VCA810需要搭配外部DA转换器才能实现增益改变的功能，因此这里选用DAC0832进行程控放大。

2.5负压产生模块的选型和论证

由于DAC0832搭配运放后输出的电压为负电压，为了能正常输出，因此运放的电源需要正负电源供电，因为系统供电只有一个5V电源，为了得到一个-5V电源，这里使用了ICL7660负压产生芯片来实现。

2.6系统整体设计概述

本系统以单片机为控制核心，对系统进行初始化，主要完成对键盘的响应、液晶显示、波形产生、增益调节等功能的控制，起到总控和协调各模块之间工作的作用。

图2.1系统结构框图

3.系统硬件电路设计

3.1主控模块

主控模块模块在整个系统中起着统筹的作用，需要检测键盘，波形控制等各种功能，同时驱动液晶显示相关参数，在这里我们选用了51系列单片机中的STC12C5A60S2单片机作为系统的主控芯片[5]。

51系列单片机最初是由Intel公司开发设计的，但后来Intel公司把51核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如SST、Philip、Atmel等大公司。

因此市面上出现了各式各样的均以51为内核的单片机。

这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51指令、并在51的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的[6]。

STC12C5A60S2有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。

STC12C5A60S2的存储器系统由4K的程序存储器（掩膜ROM），和128B的数据存储器（RAM）组成。

STC12C5A60S2单片机的基本组成框图见图3-1。

图3.1STC12C5A60S2单片机结构图

3.1.1STC12C5A60S2单片机主要特性

1.一个8位的微处理器（CPU）。

2.片内数据存储器RAM（128B），用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89系列单片机最多提供1K的RAM。

3.片内程序存储器ROM（4KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。

但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31等。

目前单片机的发展趋势是将RAM和ROM都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。

SST公司推出的89系列单片机分别集成了16K、32K、64KFlash存储器，可供用户根据需要选用。

4.四个8位并行I／O接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。

5.两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。

为方便设计串行通信，目前的52系列单片机都会提供3个16位定时器/计数器[4]。

6.五个中断源的中断控制系统。

现在新推出的单片机都不只5个中断源，例如SST89E58RD就有9个中断源。

7.一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I／O口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。

8.片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。

最高允许振荡频率为12MHz。

SST89V58RD最高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。

图3.2STC12C5A60S2单片机管脚图

部分引脚说明：

1.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2：

XTAL2（18脚）：

接外部晶体和微调电容的一端；片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。

若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。

要检查振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。

XTAL1（19脚）：

接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。

在采用外部时钟时，该引脚必须接地。

2.控制信号引脚RST,ALE,PSEN和EA：

RST/VPD（9脚）：

RST是复位信号输入端，高电平有效。

当此输入端保持备用电源的输入端。

当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，将＋5V电源自动两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。

RST引脚的第二功能是VPD,即接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。

ALE/PROG（30脚）：

地址锁存允许信号端。

当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fOSC的1/6。

CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。

平时不访问片外存储器时，ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。

如果想确定8051/8031芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。

如有脉冲信号输出，则8051/8031基本上是好的。

ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL（低功耗甚高速TTL）负载。

此引脚的第二功能PROG在对片内带有4KBEPROM的8751编程写入（固化程序）时，作为编程脉冲输入端。

PSEN（29脚）：

程序存储允许输出信号端。

在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。

此引肢接EPROM的OE端（见后面几章任何一个小系统硬件图）。

PSEN端有效，即允许读出EPROM／ROM中的指令码。

PSEN端同样可驱动8个LS型TTL负载。

要检查一个8051/8031小系统上电后CPU能否正常到EPROM／ROM中读取指令码，也可用示波器看PSEN端有无脉冲输出。

如有则说明基本上工作正常。

EA/Vpp（31脚）：

外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。

当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但当PC（程序计数器）的值超过0FFFH（对8751/8051为4K）时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。

当输入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。

对于无片内ROM的8031或8032,需外扩EPROM，此时必须将EA引脚接地。

此引脚的第二功能是Vpp是对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压（一般12V～21V）的输入端。

3.输入/输出端口P0/P1/P2/P3：

P0口（P0.0～P0.7，39~32脚）：

P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口。

作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。

当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器（地址80H）写入全1,此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。

作输入口使用时要先写1,这就是准双向口的含义。

在CPU访问片外存储器时，P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。

在此期间，P0口内部上拉电阻有效。

P1口（P1.0～P1.7，1~8脚）：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。

P1口每位能驱动4个LS型TTL负载。

在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存地址（90H）写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。

P2口（P2.0～P2.7，21~28脚）：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。

P口每位能驱动4个LS型TTL负载。

在访问片外EPROM/RAM时，它输出高8位地址。

P3口（P3.0～P3.7，10~17脚）：

P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。

P3口每位能驱动4个LS型TTL负载。

P3口与其它I/O端口有很大的区别，它的每个引脚都有第二功能，如下：

P3.0：

（RXD）串行数据接收。

P3.1：

（RXD）串行数据发送。

P3.2：

（INT0#）外部中断0输入。

P3.3：

（INT1#）外部中断1输入。

P3.4：

（T0）定时/计数器0的外部计数输入。

P3.5：

（T1）定时/计数器1的外部计数输入。

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。

3.1.2STC12C5A60S2单片机的中断系统

STC12C5A60S2系列单片机的中断系统有5个中断源，2个优先级，可以实现二级中断服务嵌套。

由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求；由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级；同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。

[7]

在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等；也经常要对外部事件进行计数。

STC12C5A60S2单片机内集成有两个可编程的定时/计数器：

T0和T1，它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1还可以作为串行口的波特率发生器。

3.1.3单片机最小系统设计