基于PROTEUS的低频函数信号发生器的设计带原理图和pcb板.docx

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基于PROTEUS的低频函数信号发生器的设计带原理图和pcb板

信号发生器

评阅结果

评阅人

课程名称：

电子技术实践

系别:

：

物理与电子工程学院

专业：

电子信息科学与技术

姓名：

崔振伟

学号：

210040949

注意事项

1.考生需将上述有关项目填写清楚

2.字迹要清楚，保持卷面清洁。

3.交卷时请将本答卷和题签一起上交，题签作为封面下一页装订。

2012-2013第二学期电子技术实践试题

课程名称：

电子技术实践考核类别：

考察

课程类别:

专业选修考试形式:

论文

一、内容

设计一个电子产品，题目自选

评分标准如下：

1、电原理图（30）分：

必须自己绘制，不能网上复制，在原理图标题栏里，要有自己的姓名。

2、印刷电路板图（20）分

3、产品结构示意图（10）分

4、产品介绍（10）分

5、电路原理详细说明（30分）

字数不少于2000字。

基于PROTEUS的低频函数信号发生器的设计

摘要：

本系统是基于AT89S52单片机的数字式低频信号发生器，运用PROTEUS进行仿真。

采用AT89S52单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、稳压电路（MC1403）、运放电路（LM324）、按键和LED显示灯电路等。

通过按键控制可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等，同时用LED显示灯指示对应的波形。

其设计简单、性能优良，可用于多种需要低频信号源的场所，具有一定的实用性。

关键词：

单片机；PROTEUS；信号发生器；D/A转换

1.1Proteus软件

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

　　其功能特点

　　Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：

multisim）的功能。

这些功能是：

（1）原理布图

（2）PCB自动或人工布线

　　（3）SPICE电路仿真

　　革命性的特点

（1）互动的电路仿真

（2）仿真处理器及其外围电路

1.2信号发生器现状

波形发生器亦称函数发生器，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，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。

传统的信号发生器大多采用专用芯片或单片机或模拟电路，成本高或控制方式不灵活或波形种类较少等不能满足要求。

1.3单片机在低频信号发生器中的应用

利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其下限频率很低。

具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。

只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。

创新点：

采用AT89S52单片机和一片DAC0832数模转换器做成的数字式低频信号发生器,它的特点是价格低、性能高，在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等。

优点：

①较分立元件信号发生器而言，具有频率高，工作稳定，容易调试等特性；

②较专用DDS芯片的信号发生器而言，具有结构简单，成本低等特性。

2.总体方案论证.

采用AT89S52单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、稳压电路（MC1403）、运放电路（LM324）、按键和LED显示灯电路等。

通过按键控制可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等，同时用LED显示灯指示对应的波形。

2.1系统设计

2.1.1系统方案的比较

方案一：

采用分立元件实现非稳态的多谐振荡器，然后根据需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。

这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。

方案二：

采用单片机和DAC0832数模转换器生成波形，由于是软件滤波，所以不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较纯净。

它的特点是价格低、性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。

经比较，方案二既可满足毕业设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易控制，性价比较高，所以采用该方案。

2.1.2控制芯片的选择

方案一：

AT89S52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。

方案二：

C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与AT80S52兼容的微控制器的内核，与MCS-51指令集完全兼容。

除了具有标准AT80S52的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。

方案选择：

方案二中C8051F005芯片系统内部结构复杂，不易控制，芯片成本高，对于本系统而言利用率低，AT89S52芯片比较常用，简单易控制，成本低，性能稳定故采用方案一。

3.硬件电路的设计

3.1基本原理：

图3-1低频信号发生器系统框图

图1系统原理图

低频信号发生器系统主要由CPU、D/A转换电路、电流/电压转换电路、按键和波形指示电路、电源等电路组成。

其工作原理为当分别按下四个按键中的任一个按键就会分别出现方波、三角波、正弦波，同时LCD1602显示输出的频率。

3.2单片机最小系统

根据原理我们制作了如下电路

图2最小系统电路图

3.3各部分电路原理

3.3.1DAC0832芯片原理

图3DAC0832管脚图

DAC0832与反相比例放大器相连，实现电流到电压的转换，因此输出模拟信号的极性与参考电压的极性相反，数字量与模拟量的转换关系为

Vout1=-Vref×（数字码/256）

运算放大器A2的作用是把运算放大器A1的单向输出电压转换成双向输出电压。

其原理是将A2的输入端Σ通过电阻R1与参考电压VREF相连，VREF经R1向A2提供一个偏流I1，其电流方向与I2相反，因此运算放大器A2的输入电流为I1、I2之代数和。

则D/A转换器的总输出电压为：

VOUT2=-[（R3/R2）VOUT1+（R3/R1）]VREF

设R1=R3=2RR2=R，则

VOUT2=-（2VOUT1+VREF）

DAC0832主要是用于波形的数据的传送，是本题目电路中的主要芯片。

图4DAC0832电路原理图

3.3.2LCD显示电路

通过液晶1602显示输出的波形、频率，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P3.5—P3.7。

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。

根据LCD1602电路的特点设计如下电路图:

图5液晶显示电路图

3.3.3电源电路

AT89S52工作时需要5V电源，而LM324需要正负12V的放大电压，根据特点我们自己设计了这款电源。

直接运用220V的交流电，经过变压器，转化成18V的交流点，然后经过整流桥，变成直流电压，加上大电容进行滤波稳压，并经过LM1812和LM7912形成稳定的正负12V电压，而对与单片机的5V电源我们经过LM7805形成稳定的5V稳定电源，给单片机供电。

电源的具体电路图如下：

图6稳定5V电源输出

4.软件设计

软件设计上，根据功能分了几个模块编程。

模块主要有：

主程序模块、三角波模块、正弦波模块、方波模块、延时子程序模块等。

显示波形模块是利用DAC0832的8位特点，把波形的数据以8位数据的形势送进CPU中，只要一按键就能显示波形。

4.1主程序流程图

本软件设计过程中主要实现利用按键来控制不同波形的输出，当按键1按下时，函数发生器用来选择波形：

正弦波、方波、三角波、锯齿波；当按键2按下时，函数发生器进行频率增加；当按键3按下时，函数发生器进行频率减小；当按键4按下时，函数发生器增大占空比；当按键5按下时，函数发生器减小占空比。

图7程序流程图

4.2子程序流程图

4.2.1正弦波程序流程图

图8正弦波流程图

正弦波波形设计通过查表指令得出。

4.2.2方波程序流程图

图9方波流程图

方波产生首先将DAC0832口地址至为4000H，当A中的内容为0时，输出对应模拟量，然后延时，当A中的内容为0FFH时，同样输出对应模拟量，再延时，从而得到方波。

4.2.3三角波程序流程图

图10三角波流程图

三角波产生首先将DAC0832口地址至为4000H，通过A中数值的加一递升，当A中的内容为0时，与0FFH相比，相等时A中的内容减一递减，从而循环产生三角波。

4.2.4.锯齿波程序流程图

图11锯齿波流程图

锯齿波产生首先将DAC0832口地址至为2FFFH，将A中的内容赋值为00H，输出相应的模拟量，通过A中数值的加一递升，直到当A中的内容为0FFH时，从而循环产生锯齿波。

5.测试结论

5.1软件仿真结果

在确定编程思路以后将各部分的程序及各子程序编好，使用Keil进行编译，根据提示的错误对程序进行修改。

除了语法差错和逻辑差错外，当确认程序没问题时，通过直接加载到硬件电路中中进行仿真。

5.1.1仿真波形

1当按键1按下1下时，波形为正弦波，波形图如图下所示。

图5-1正弦波仿真图

2当按键1按下2下时，波形为方波，其波形如图5-2所示。

图5-2方波如图

3当按键1按下3下时，波形为锯齿波，其如图如图5-3所示。

图5-3锯齿波如图

4当按键1按下4下时，波形为三角波波，其如图如图5-3所示。

图5-4三角波如图

5当按键2按下时，相应波形频率增加。

正弦波49HZ

正弦波50HZ

图5-5频率增加图

6当按键3按下时，相应波形的频率减小。

锯齿波48HZ

锯齿波47HZ

图5-6频率减小图

5.2波形分析

在对系统进行波形可以在示波器上观察到正弦波、方波、三角波。

其中正弦、三角波的输出误差较大，方波波形较为理想。

这一方面与电路设置的参数有关，另一方面也与使用硬件有关。

对于上述问题的解决办法是：

使用更高级的处理芯片和设计更合理的电路。

当然一般产生这种情况的原因多由于电路的参数设计不合理所制。

但从示波器上的波形上可以看出输出波形的频率大致与程序中的设置吻合。

波形的幅度与程序设置的最大值有关，而频率受机器周期的控制。

当仿真时，由于存在一定的系统误差，波形效果不是很好。

5.1.3波形结果分析

在将电路和实物连接的情况下再将程序下载至单片机中进行实际电路的测试时，电路输出的四种波形基本上都可以看到，其中三角波以及正弦波的输出误差较大，方波波形较为理想。

但是基本上是符合设计要求的。

锯齿波和三角波输出波形中杂波成分较大，波形不是较理想，这与实际要求存在一些误差，这些误差的来源主要是由于电路的具体参数选择不好以及程序的时延所造成的。

当然在实际电路测量时由于实验环境的干扰也会对输出波形有一些影响，这些影响主要是使输出波形产生寄生的高频杂波，具体表现就是使输出波形质量变坏，波形边厚。

在对电路进行调试时适当改变数模转换电路及输出放大电路参数电路输出结果相对较好一些。

参考文献：

[1]孙俊逸，盛秋林，张铮等.单片机原理及应用[M].北京：

清华大学出版社，2001.

[2]蔡美琴.MCS-51系列单片机系统及其应用[M].北京：

高等教育出版社，2000.

[3]孙育才，孙华芳，王荣兴.单片机原理及应用[M].北京：

电子工业出版社，2003.

[4]李鸿.单片机原理及应用[M].湖南：

湖南大学出版社，2004.

[5]丁元杰.单片微机原理及应用.第二版[M].北京：

机械工业出版社，2001.

[6]潘新民王燕芳编著.微型计算机控制技术.北京：

高等教育出版社，2004.

[7]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：

北京北航出版社，2003.

[8]王新贤.通用集成电路速查手册.济南：

山东科学技术出版社，2002.9

附录1电路图

附录2部分仿真电路图