基于单片机的智能信号发生器.docx

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基于单片机的智能信号发生器

提供全套，各专业毕业设计

西安航空职业技术学院

毕业设计（论文）

论文题目：

基于单片机的智能信号发生器

所属学院：

电子工程学院

指导老师：

职称：

学生姓名：

班级、学号:

专业：

西安航空职业技术学院制

2015年1月16日

西安航空职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

题目：

基于单片机的智能信号发生器

任务与要求：

1.频率和幅度可调，并能显示。

2.能产生正弦波，方波，三角波三种波形。

3.使用proteus仿真验证。

时间：

2014年11月24日至2015年1月16日共8周

所属学院：

电子工程学院

学生姓名：

学号：

专业：

指导单位或教研室：

指导教师：

职称：

西安航空职业技术学院制

2015年1月16日

毕业设计（论文）进度计划表

日期

工作内容

执行情况

指导教师

签字

2014．11．24——

2014．11．30

领取论文题目

完成

2014.12.1

——

2014.12.7

收集相关资料

完成

2014.12.8

——

2014.12.21

绘制各模块流程图

完成

2014.12.22——

2014.12.28

绘制整体原理图

完成

2014.12.29

——

2015.1.4

数据、图表分析

完成

2015.1.15

——

2015.1.11

软件设计

完成

2015.1.12

——

2015.1.16

撰写毕业设计论文

完成

教师对进度计划实施情况评价

　　　　　　　　　　指导教师签名：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年月日

本表作评定学生平时成绩的依据之一。

基于单片机的智能信号发生器

【摘要】

本文所设计的系统是利用AT89S52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，即采用AT89S52单片机作为控制核心，而在外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、运放电路（LM324）、按键和LCD液晶显示电路等，通过按键可控制产生方波、三角波、正弦波，同时用LCD液晶显示指示对应的波形输出各项数据。

本文所设计的系统设计简单、性能优良、性价比高，可用于多种需要低频信号源的场所，具有一定的实用性。

关键字:

单片机；信号发生器；D/A转换；运算放大；DAC0832。

IntelligentsignalgeneratorbasedonMCU

Abstract:

ThesystemdesignedinthispaperisalowfrequencysignalsourceusingAT89S52SCMandDAC0832generatedbydifferentsignals,whichusesAT89S52microcontrollerasthecontrolcore,andusesthedigital/analogconversioncircuitintheperiphery（DAC0832）,opampcircuit（LM324）,thekeyandLCDdisplaycircuit,throughthebuttonscanbecontrolledFangproduced,sawtoothwave,trianglewave,sinewave,atthesametimewithLCDliquidcrystaldisplaywaveformoutputthedataindicatethecorresponding.

Thesystemdesignedinthispaperhastheadvantagesofsimpledesign,excellentperformance,highcostperformance,canbeusedforavarietyofneedsoflowfrequencysignalsourceplace,hasacertainpracticality.

Keywords:

SCM;signalgenerator;D/Aconversion;operationalamplifier;DAC0832.

1绪论

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。

波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。

函数波形发生器具有连续的相位变换和频率稳定性高等优点，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，而函数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。

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。

当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的进步，给人们带来了根本性的转变，在现代电子领域中，单片机的应用正在不断的走向深入，这必将带来一场仪器设备高度智能化的全面革命。

随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器，而用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高，特别是单片机应用技术的不断成熟，导致传统控制与检测技术的快速革新。

单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格比，在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域中得以极为广泛的应用，特别是在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域处处可以看见它的应用。

一块单片机芯片就是一台微型计算机，在某些应用领域中，它能够承担大中型计算机和通用微型计算机无法完成的一些工作。

单片机之所以能够在各个领域中都得到如此迅猛的发展，主要是因为它具有很多显著的优点和特点，归纳起来有以下几方面：

1.具有优异的性能价格比：

单片机尽可能地把应用所需的存储器,各种功能的I/O接口集成在一块芯片内,因而其性能很高,而价格却相对较低廉,即性能价格比很高。

2.集成度高、体积小、可靠性高：

单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因而集成度高，均为大规模或超大规模集成电路。

又内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，这大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。

同时，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。

3.控制功能强：

单片机体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。

为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作指令以及位操作指令。

其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

4.低电压、低功耗：

单片机大量用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗尤为重要。

目前，许多单片机已可在2.2V电压下运行,有的已能在1.2V或0.9V下工作，功耗降至μA级,一粒钮扣电池就可长期使用。

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。

2整体思路

2.1设计思路

本函数信号发生器是由AT89C52芯片产生我们希望输出的正弦波、三角波、方波。

它是本制作的核心，当然随带的频率计用于显示输出频率，它是由单片机AT89S52控制的，由于用单片机所能测的频率范围有限，直接所计数的频率最大只能达到500KHZ，为了能够测得更高的频率，所以加上分频器进行分频后再加到AT89C52的外部中断入口。

考虑到小信号时，所以必须加放大，然后整形才能达到分频器的输入要求。

至于显示部分就用LCD1602显示屏。

2.2设计要求

设计一个多功能信号发生器，可以产生正弦波、三角波、方波、三种波形。

波形的频率、幅值均为连续可调。

实现多功能信号发生器波形种类、波形的频率的显示。

自选器件，实现多功能信号发生器的硬件设计。

可自行扩展功能，使之更加完善。

2.3系统方案的选择

方案一：

采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，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DDS即直接数字频率合成技术设计信号发生器是一种要运用数字技术来实现产生信号的方法。

由于运用了全数字大规模集成技术，具有体积小、频率分辨率高、信号纯度高等特点，但是DDS芯片价格较为昂贵，且设计较为复杂。

方案三：

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、性能比高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。

方案选择：

方案三较方案一而言，具有频率高，工作稳定，容易调试等特性；较方案二而言，具有结构简单，成本低等特性。

因此方案三既可满足毕业设计的基本要求，又能充分发挥其电路简单、易控制、性价比较高的优势，经比较采用方案三。

2.4控制芯片的选择

方案一：

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微型计算机。

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，AT89C52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系统硬件设计

3.1基本原理

系统总体框图如图3-1所示

图3-1系统总体框图

数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号，因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。

单片机接数模转换器和运算放大电路，用用户通过按钮选择输出3种基本波形：

方波、正弦波和三角波。

方波由单片机将最大值和最小值输出给D/A转换器进行转换，并由用户通过按钮开关选择波形周期。

与微处理器兼容的8位数模转换器DAC8032进行转换为模拟电压信号，通过运放电路得到方波、正弦波和三角波，波形保证了它的精度、平滑、稳定。

正弦波采用定点法来产生波形，即将一个周期的正弦波按360度等分为若干点，计算出各点的正弦函数值，并转换相应的D/A转换器输入数值，这样得到一个正弦函数表。

通过程序将该表程序存储器中，利用单片机的定时器来产生定时，每当定时时间到，查表的该点对应的输出值，然后通过D/A转换器转换得到该点的对应电压值。

如此，反复的查表输出，就得到所谓的正弦波。

由于一个周期正弦波的点数固定，改变定时器的定时值，就可以改变正弦波的频率值。

三角波的产生类似于正弦波。

方波的产生较简单，只要交替地将最大值和最小值输出给D/A转换器进行转换即可，它们的延续时间为周期的一半。

函数信号发生器系统主要由CPU（即单片机）、D/A转换电路、按键和LCD1602显示电路组成。

其工作原理为当第一次按下与P2.0连接的按键时会产生一个正弦波函数，当第二次按下与P2.0连接的按键时会产生方波函数，第三次按下与P2.0连接的按键时会产生一个三角波函数。

按下P2.1和P2.2会改变所产生的函数的频率。

按下P2.3是会增加所产生的波形的幅度，按下P2.4时会减小所产生的波形的幅度。

通过数模转换模块对单片机产生的信号电压电流的转换，通过放大器对变换后的信号进行放大处理后输出。

3.2单片机最小系统及单片机的资源分配

3.2.1单片机最小系统介绍

单片机最小系统如图3-2所示。

单片机最小系统由单片机、晶振电路、复位电路三部分组成。

图3-2AT89C52单片机最小系统

（1）晶振电路

单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：

内部振荡方式和外部振荡方式。

在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振），就构成了内部振荡方式。

由于单片机内部有一个高增益反向放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲。

晶振通常选用6MHZ、12MHZ或24MHZ。

内部振荡方式如图3-3所示。

图中电容C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。

电容值一般为5～30pF。

内部振荡方式所得时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。

外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。

这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持一致。

外部振荡方式电路如图3-4所示。

图3-3内部振荡方式图3-4外部振荡方式

（2）复位电路

单片机的复位是靠外电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。

为了保证应用系统可靠地复位，通常是RST引脚保持10ms以上的高电平，根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：

上电复位和上电或开关复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。

上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。

复位电路连接如图2-5所示。

此电路仅用一个电容及一个电阻。

系统上电时，在RC电路充电过程中，由于电容两端电压不能跳变，故使RESET端电平呈高电位，系统复位。

经过一段时间，电容充电，使RESET端呈低电位，复位结束。

复位电路如图3-5所示。

图3-5复位电路图

3.2.2AT89C52单片机的硬件结构

如图3-6所示，为AT89C52的硬件结构图。

AT89C52单片机的内部结构与MCS-51系列单片机的构成基本相同。

CPU是由运算器和控制器所构成的。

运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作的。

控制器是单片机的指挥控制部件，主要任务的识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。

它的程序存储器为8K字节可重擦写Flash闪速存储器，闪烁存储器允许在线+5V电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。

数据存储器比51系列的单片机相比大了许多为256字节RAM。

AT89C52单片机的指令系统和引脚功能与MCS-51的完全兼容。

AT89C52为8位通用微处理器，其引脚图如图3-7所示。

图3-6AT89C52硬件框图

图3-7AT89C52的引脚图

AT89C52单片机采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

主要性能参数有8K字节可重擦写Flash闪速存储器、1000次可擦写周期、全静态操作：

0Hz-24MHz、三级加密程序存储器、256×8字节内部RAM、32个可编程I/O口、3个16位定时/计数器、8个中断源、可编程串行UART通道、低功耗空闲和掉电模式。

3.2.3AT89C52管脚说明

VCC：

电源

GND：

接地

P0口：

P0口是一个8位漏级开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0口端口写“1”时，引脚作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接受指令字节：

在程序效验时，输出指令字节。

程序效验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位是双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。

对P1口写“1”时，内部上拉电阻的原因，将输出电流ILL。

此外，与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输出（P1.1/T2EX）。

在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑电平。

对P2口写“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。

在访问外部好曾许存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在Flash编程和校验时，P2口接收低8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。

对P3口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入端口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。

P3口除了作为一般、的I/O口线外，更重要的是它的第二功能，如表3.1所示。

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

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）

表3.1P3口引脚第二功能

在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期以高电平将使用单片机复位。

ALE/

：

地址锁存器控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在Flash编程时，此引脚（

）也使用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

：

外部程序储存器选通信号（

）是外部程序存储器选通信号。

当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时，

在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据储存器时，

将不被激活。

：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H—FFFFH的外部程序存储器读取指令，

端必须保持低电平（接地）。

为了执行内部程序指令，

应该接VCC。

在flash编程期间，

也接受12伏VPP电压。

XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.3单片机资源分配

晶振采用12MHZ，复位电路接在复位口，P0口与DAC0832的DI0-DI7数据输入端相连，P2.0-P2.4接五个按键，P2.0接的按键是控制波形的转换，P2.1和P2.2是改变波形的频率的。

P2.3和P2.4是改变波形的幅度的。

P1口向液晶显示屏传送数据，P3.2-P3.4是对液晶显示屏进行控制。

3.4各部分电路原理

3.4.1按键电路原理

按键电路如图如图3-8所示。

按键电路主要是通过按键来控制函数的参数和名称。

图3-8按键电路原理

3.4.2D/A转换电路原理

本设计模数转换采用常见的芯片：

DAC0832，本设计采用直通方式进行模数转换。

为了简洁起见，在仿真图中采用网络节点的方式进行连线，从单片机P0口输出的数据直接连接到模数芯片DAC0832的数据口。

本次试验选择的D/A转化器是DAC0832,是一款8分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

DAC0832内部有输入寄存器和DAC寄存器，所以无需外部连接专门的锁存器。

DAC0832内部结构图和引脚图如图3-8和3-9所示。

通常DAC0832有三种不同的工作方式，主要依据对数据锁存器和DAC锁存器的控制方式划分：

直通方式，单缓冲方式和双缓冲方式。

其中直通方式CS,XFER,WR1和WR2直接接低电平，DAC0832随时转换输入的数据，这种方式比较简单，占用的I/O口也比较少，但是当需要I/O口做扩展的时候容易受到干扰。

单缓冲方式者把数据锁存器和DAC锁存器的使能端接在一起，只需要一组信号就能同时控制两个寄存器的。

双缓冲方式是将数据锁存器和DAC锁存器分开单独控制，这种做法容易占用大量的I/0口。

综上所诉，本次设计采用了单缓冲控制方式

图3-9DAC0832内部结构图

图3-10DACA0832引脚图

（1）DACA0832各引脚的功能如下：

D0～D7：

8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；

ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；

CS：

片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；

WR1：

数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；

XFER：

数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；

WR2：

DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

IOUT1：

电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；

IOUT2：

电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；

Rfb：

反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；

Vcc：

电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；

VREF：

基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；

AGND：

模拟信号地

DGND：

数字信号地

（2）DAC0832主要性能参数

1.分辨率为8位；

2.电流稳