学士学位论文多功能信号发生器的设计与实现.docx

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学士学位论文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