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基于单片机的信号发生器的设计剖析
唐山师范学院
题目基于单片机的信号发生器的设计
院系名称：
电子信息科学与技术
学号：
111180241015
摘要
波形发生器即简易函数信号发生器，是一个能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、方波、正弦波等波形电路。
函数信号发生器在电路实验和设备仪器中具有十分广泛的用途。
通过对函数发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、锯齿波、方波、正弦波的函数波形发生器。
在工业生产和科研中利用函数信号发生器发出的信号，可以对元器件的性能及参数进行测量，还可以对电工和电子产品进行指数验证、参数调整及性能鉴定。
常用的信号发生器绝大部分是由模拟电路构成的，当这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大，这样不仅参数准确度难以保证，而且体积和功耗都很大，而由数字电路构成的低频信号发生器，虽然其性能好但体积较大，价格较贵，因此，高精度，宽调幅将成为数字量信号发生器的趋势。
本文介绍的是利用89C52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，89C52的基础理论，以及与设计电路有关的各种芯片。
文中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AT89C52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：
AT89C52单片机函数波形发生器DAC0832方波三角波正弦波
目次
1引言4
2系统设计6
2.1方案6
2.2器件选择6
2.3总体系统设计6
2.4硬件实现及单元电路设计7
2.4.1单片机最小系统设计7
2.4.2D/A转换器8
2.4.3运算放大器电路10
2.4.4LED显示器接口电路11
2.4.5波形产生原理及模块设计11
2.4.6显示模块设计13
2.4.7键盘显示模块设计14
2.5软件设计流程14
2.5.1软件中的重点模块设计14
3输出波形种类与频率的测试18
3.1测量仪器及调试说明18
3.2调试过程18
3.3调试结果22
结论23
致谢25
参考文献26
附录A源程序27
附录B仿真图34
1引言
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
波形发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常。
用一般的信号发生器，不但笨重，而且只发一些简单的波形，不能满足需要。
例如用户要调试串口通信程序时，就要在计算机上写好一段程序，再用线连接计算机和用户实验板，如果不正常，不知道是通讯线有问题还是程序有问题。
用E2000/L的波形发生器功能，就可以定义串口数据。
通过逻辑探勾输出，调试起来简单快捷。
基于单片机的简易波形发生器是一种常用的信号源,它广泛地应用在电子技术实验、自动控制系统和其他科研领域。
目前,简易波形发生器的构成方法有很多,例如采用DDS（Direct2DigitalSynthesis）型的任意波发生器、采用专用的信号发生芯片MAX038以及传统的AWG。
本设计源于2007年全国大学生电子制做大赛,通过分析比较后采用传统的方法来实现多功能波形发生器。
借助高性能单片机运算速度高,系统集成度强的优势,设计的这种信号发生器,比以前的数字式信号发生器具有硬件简单,理解及实现起来较容易,该方案的设计思路较为清晰,且容易对频率和幅值进行控制等优点。
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。
以单片机为核心设计了一个低频函数信号发生器。
信号发生器采用数字波形合成技术,通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自定义波形,如正弦波、方波、三角波及其他任意波形。
波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。
介绍了波形的生成原理、硬件电路和软件部分的设计原理。
介绍了单片机控制D/A转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程、DAC0832D/A转换器的原理和使用方法、AT89C52以及与设计电路有关的各种芯片、关于产生不同低频信号的信号源的设计方案。
该信号发生器具有体积小、价格低、性能稳定、功能齐全的优点。
2系统设计
2.1方案：
利用AT89C52单片机采用程序设计方法产生锯齿波、正弦波、矩形波三种波形，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。
设计要求
1）、利用单片机采用软件设计方法产生三种波形
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频率
2.2器件选择
1、通过单片机控制D/A，输出三种波形。
2、AT89C52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。
3、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。
2.3总体系统设计
该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析以及信号的处理和变换，采用按键输入，利用液晶显示电路输出数字显示的方案。
将设计任务分解为按键电路、液晶显示电路等模块。
图2-1为系统的总体框图
图2-1总体方框图
2.4硬件实现及单元电路设计
2.4.1单片机最小系统的设计
89C52是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图89C51单片机最小系统所示。
由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
其应用特点：
（1）有可供用户使用的大量I/O口线。
（2）内部存储器容量有限。
（3）应用系统开发具有特殊性。
标准的52为8K程序空间，128字节的RAM，32条端口，5个中断，2个定时/计数器，12个时钟周期执行一条基本指令，最长的除法为48个周期。
52为8K程序空间，256字节的RAM，32条端口，6个中断，3个定时/计数器。
图2-2AT89C52单片机最小系统
2.4.2D/A转换器
DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。
能完成数字量输入到模拟量（电流）输出的转换。
图3.5为DAC0832的引脚图。
其主要参数如下：
分辨率为8位，转换时间为1μs，满量程误差为±1LSB，参考电压（+10/span>-10）V，供电电源为（+5～+15）V，逻辑电平输入与TTL兼容。
从图3-1中可见，在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号/XFER。
图2-3DAC0832的引脚图
图2-3中，当ILE为高电平，片选信号/CS和写信号/WR1为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。
此后，当/WR1由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。
对第二级锁存来说，传送控制信号/XFER和写信号/WR2同时为低电平时，二级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化，此后，当/WR2由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。
图2-3中其余各引脚的功能定义如下：
（1）DI7～DI0：
8位的数据输入端，DI7为最高位。
（2）IOUT1：
模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。
（3）IOUT2：
模拟电流输出端2，IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1＋IOUT2＝常数。
（4）RFB：
反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。
（5）VREF：
参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为（+10～-10）V。
VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。
（6）Vcc：
芯片供电电压，范围为（+5~15）V。
（7）AGND：
模拟量地，即模拟电路接地端。
（8）DGND：
数字量地。
2.4.3运算放大器电路
本系统的放大电路如图2-4所示：
图2-4
图2-4中R1是耦合电阻，R2,R3都为分压式反馈电阻。
R2和R1的电压比例为1：
2，OUT2的电压为-5v~0v,在第二级运放中要把-5v~0v之间的电压转变为-5v~5v，即第一级运放转换成电压量的值没增加或减少1v,第二级运放产生的电压就减少或增加2v。
2.4.4LED显示器接口电路
常用的LED显示器有LED状态显示器（俗称发光二极管）LED七段显示器（俗称数码管和LED十六段显示器，发光二极管可显示两种状态，用于系统显示；数码管用于数字显示；LED十六段显示器，用于字符显示）
1．数码管结构
数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同组合可用来显示数字0-9.字符A-F及小数点“.”。
数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。
2.数码管工作原理
共阳极数码管的8个发光二级管的阳极（二极管正端）连接在一起。
通常会共阳极接高电平1.一般接电源1.当某个阴极接低电平时，则该数码管导通并点亮。
共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。
公共阴极接低电平（一般接地）当某个阳极接高电平，则该数码管并点亮。
图2-5数码管与单片机接口
2.4.5波形产生原理及模块设计
波形产生的原理：
1、内存中首先存储波形的数字量值数组tosin;
2、52单片机读取数组中的值，送入D/A转换器；
3、D/A转换器将输入的数字值转换成模拟量输出；
4、D/A输出的模拟电流量通过运放转换成电压量输出。
由单片机采用编程方法产生三种波形、通过DA转换模块DAC0832在进过滤波放大之后输出。
其电路图2-6如下：
图2-6形产生电路
2.4.6显示模块的设计
通过液晶1602显示输出的波形、频率，其电路图如
图2-7液晶显示
如上图2-7所示，1602的八位数据端接单片机的P1口，其三个使能端RS、RW、E分别接单片机的P3.2—P3.4。
通过软件控制液晶屏可以显示波形的种类以及波形的频率。
2.4.7键盘显示模块的设计
本系统采用独立键盘，其连接电路图如下：
图2-8
如图2-8开关1用来切换输出波形、开关2和3用来调节频率的加减。
当按开关2时输出波形的频率减小，按开关3时输出波形的频率增加。
2.5软件设计流程
2.5.1软件中的重点模块
51单片机，D/A模块和基准电压，输出驱动（运放）。
基准电压：
最小输出电压LSB=5v/256
最大输出电压MSB=5v
波形形成：
正弦波：
0x80,0x82,0x85,0x88,0x8b,0x8e,0x91,0x94,0x97,0x9a,0x9d,0xa0,0xa3,0xa6,
0xa9,0xac,0xaf,0xb2,0xb6,0xb9,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5,0xc7,0xca,0xcc,0xcf,
0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,
0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5,0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,
0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,
0xfe,0xfd,0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,
0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda,0xd8,0xd6,
0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xb1,
0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99,0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,
0x83,0x80,
由于DAc0832是8精度的转换器，其计算如下：
80×5v/256（即80×LSB）
82×LSB……
方波：
0x80,0x7c,0x79,0x76,0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,
其计算如下：
80×5v/256（即80×LSB）
7c×LSB……
三角波：
0x5a,0x57,0x55,0x51,0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,
0x33,0x30,0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16,
0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,
0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x01,0x02,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,
0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,
0x27,0x29,0x2b,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,
0x4c,0x4e,0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66,0x69,0x6c,0x6f,0x72,
0x76,0x79,0x7c,0x80
其计算如下：
5a×5v/256（即5a×LSB）下面依次类推。
本系统采用AT89S52单片机，用编程的方法来产生三种波形，并通过编程
来切换三种波形以及波形频率的改变。
具体功能有：
（1）各个波形的切换；
（2）各种参数的设定；
（3）频率增减等。
软件调通后，通过编程器下载到AT89C52芯片中，然后插到系统中即可独立完成所有的控制。
软件的流程图如下：
图2-9程序流程图
3输出波形的种类和调试
3.1调试环境
PC机，Keil51，Protues
调试说明：
正弦波、矩形波、三角波信号的输出，通过对独立键盘来实现其的不同波形的输出以及其频率的改变。
3.2调试过程
当程序下进去时经过初始化，液晶屏的上只显示“wave：
”和“f：
“，当开关一按一下是此时输出波形为正弦波，按两下时输出为方波，按三下时输出为三角波。
另外两个开关可以调节频率，三种波形的频率可调范围不同，分别如下：
正弦波：
1—111HZ
方波：
1——3.3KHZ
三角波：
1——66HZ
根据示波器的波形频率的显示计算出三种波形的频率计算公式如下：
正弦波：
f=（1000/（9+3*ys））
方波：
f=（100000/（3*ys））
三角波：
f=（1000/（15+3*ys）
其中ys为延时的变量。
由单片机采用编程方法产生三种波形、通过DA转换模块DAC0832在进过滤波放大之后输出。
正弦波程序：
if（s1num==1）//正弦波//
{
for（j=0;j<255;j++）
{
P0=tosin[j];
delay1（ys）;
}
}
其电路图如下：
图3-1正弦波形
方波程序：
if（s1num==2）//方波//
{
P0=0xff;
delay1（ys）;
P0=0;
delay1（ys）;
}
其电路图如下：
图3-2方波波形
三角波程序：
if（s1num==3）//三角波//
{
if（a<128）
{
P0=a;
delay1（ys）;
}
else
{
P0=255-a;
delay1（ys）;
}
a++;
}
其电路图如下：
图3-3三角波形
3.3调试结果
各项指标均达到要求。
测试数据如下：
1）、产生正弦波、方波、三角波基本实现
2）、三种波形的频率都可调，但不能步进的调节，其中方波的可调范围最广为1—3.3KHZ，其他两种波形的频率范围不大1—180HZ
3）、显示部分基本实现
4）、键盘功能实现
结论
通过这次课程设计使我对课程所学理论知识的深化和提高。
并且通过本次课程设计，使我了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，培养了我分析问题和解决问题的能力，为以后设计和实现更难的应用系统打下良好基础。
同时培养了我撰写设计说明书的能力。
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多。
对于单片机设计，其硬件电路是比较简单的，主要是解决程序设计的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。
因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。
很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在，这需要对单片机的结构很熟悉。
因此可以说单片机的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。
要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。
在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因。
这就要求我们对硬件系统中各组件部分有充分透彻的理解和研究，并能对之灵活应用。
完成这次设计后，我在书本理论知识的基础上又有了更深层次的理解。
同时在本次设计的过程中，我还学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料。
我发现，在我们所使用的书籍上有一些知识在实际应用中其实并不是十分理想，各种参数都需要自己去调整。
偶而还会遇到错误的资料现象，这就要求我们应更加注重实践环节。
对该理论在实践中应用的深刻理解，通过把波形在计算机上实现，知道和理解该理论在计算机中怎样执行的，对该理论在实践中的应用更深刻的理解，激发了我的学习积极性，在这次课程设计中，我就是按通过该课程设计，全面系统了解编译原理课程序构造的一般原理的基本实现方法。
把死板的课本知识变得生动有趣，激发了我的学习积极性。
附录A
源程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitlcdrw=P3^3;
sbitlcdrs=P3^2;
sbitlcde=P3^4;
sbitd=P2^7;
sbits1=P2^0;
sbits2=P2^1;
sbits3=P2^2;
sbitcs=P3^5;
sbitwr=P3^6;
uchars1num,a,ys,j;
uintfre;
ucharcodetosin[256]={
0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,0x9f,0xa2,
0xa5,0xa8,0xab,0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5,
0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,
0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5,
0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0xff,
0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd,
0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,
0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda,
0xd8,0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,
0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99,
0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,0x80,0x7c,0x79,0x76,
0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,0x51,
0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,0x33,0x30,
0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16,
0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,
0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,
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