多功能信号发生器.docx

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多功能信号发生器

摘要

多功能信号发生器是是一种常用的信号源，能产生模拟电压波形，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。

且特殊波形发生器的价格昂贵。

目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器，它具有价格低、性能高和在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等特点。

本设计信号发生器采用AT89S52单片机作为控制核心，外围采用了包括电源模块、数字/模拟转换电路（DAC0832）、运放电路（LM324）、键盘模块等。

设计采用AT89S52单片机和一片DAC0832数模转换器以及一些外围电路组成低频信号发生器。

此发生器能产生从1HZ-1MHZ的低失真正弦波，三角波，方波，矩形波，锯齿波等信号。

输出波形的频率和种类可用程序控制改变。

在单片机上加外围按键，通过按键控制波形频率的增减以及波形的选择。

在单片机的输出端口接DAC0832进行D/A转换，再通过运算放大器进行波形幅度调整，最后输出波形接在示波器上显示。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

本设计根据要求主要研究了软件编程实现波形和频率的可调。

外围电路实现数模转换和信号波形放大。

由于采用了LM324运算放大器和稳压电路，使其电路更加具有较高的稳定性能，性能比高。

此电路清晰，出现故障容易查找错误，操作简单、方便。

具有典型性。

聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

[关键词]：

函数信号发生器；单片机；DAC0832；AT89S52

Abstract

Signalgeneratorisacommonsignalsource,canproduceananalogvoltagewaveform，widelyusedinelectroniccircuits,automaticcontrolsystems,andteachingexperimentsandotherfields.waveformgeneratorandaspecialpriceofexpensive.Currentlyusedmostlyfunctionsignalgeneratorsignalgenerator。

ithaslowcost,highperformanceandgoodstabilityatlowfrequencywithintherange,easyoperation,smallsize,powerconsumptionandsoon.

ThedesigngeneratorusingAT89S52microcontrollerasthecontrol,externalanalog/digitalconversioncircuit（DAC0832）,operationalamplifierscircuit（LM324）,buttonsandLCDliquidcrystaldisplaycircuit.，etc..DesignusingAT89S52microcontrollerandaDAC0832DACaswellassomeperipheralcircuitalowperiodofwave.Thegeneratorcanproducefromthe10-100HZ,200-2000HZ,low-distortionsinewave,trianglewave,squarewavesignal,etc..theperiodofwavecanbecontrolledbyprocedure,atoutercirclesparepartofthemachine,plusindependencetypekeyboard,whichcancontrolwaveincreaseordecreaseofform-frequencyandthechoiceofwave-form,atthesametimeLEDdisplayfrequencysize.TheoutputofthemachineconnectDAC0832tocarryonaDAconversion，againpassoperationamplifiertoputanendexportationwave-form.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

Themajordesignrequiredstudyasoftwareprogrammingwaveformandfrequencyadjustable.Externaldigital-analogconversioncircuitandsignalwaveformstoenlarge.BecauseusetheLM324operationalamplifierandvoltageregulatorcircuit,sothecircuitiswithhigherperformance,thehighperformance.Thecircuitclear,easytofindfailureerror,simpleandconvenient.Isatypicalcircuit.

Keywords：

signalgenerator;SCM;DAC0832;AT89S52酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

第一章绪论

1.1课题背景、目的及意义

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。

赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。

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，锯齿波和正弦波信号是常用的基本测试信号。

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。

塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。

该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：

波形的设定，D/A转换，单片机（51单片机，键盘控制），显示和各模块的连接通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。

裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。

1.2设计要求和任务

熟悉和掌握单片机的结构和工作原理，了解信号发生器的工作原理。

掌握以单片机为核心的电路设计的基本方法,并通过实际程序的设计和调试，逐步掌握模块化程序的设计方法和调试技术；了解开发单片机应用系统的全过程。

综合运用所学专业知识解决工程问题。

仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。

具体设计要求如下：

（1）具有产生正弦波、三角波、方波、矩形波、锯齿波波形的功能。

（2）信号的频率范围为1Hz-1MHz。

（3）信号的输出波形幅度Vp-p可调。

（4）通过键盘输入任意频率数值和选择任意波形。

1.3单片机概述

单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。

相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性好，开发较为容易。

目前，在我国，单片机已经广泛地用于智能仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。

绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。

1.3.1单片机的发展

单片机诞生于20世纪70年代。

最初的单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（简称CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。

现代的单片机则增加了更多的片内外设（比如定时器、计数器、串行口、中断、并行I/O口，甚至包括A/D转换器、脉宽调制器PWM等），使得单片机的功能越来越强大，应用领域越来越广泛。

因为这样一块芯片就具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。

由于单片机的硬件结构和指令系统都是按照工业控制要求来设计的，常用在工业的检查、控制装置中，因而也被称为微控制器（Micro-Controller）。

骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。

单片机按照其用途可以划分为通用型和专用型两大类。

通常所说的单片机是指通用型单片机。

通用型单片机是把可开发资源（如ROM，RAM，I/O口）全部提供给使用者。

专用型单片机的硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的，如：

频率合成调谐器（DDS）、USB控制器、收音机机芯控制器、打印机控制器等。

瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。

（1）单片机发展历史

20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料、新工艺尚未成熟。

1976年Intel公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。

鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。

80年代初，单片机已经发展到了高性能阶段。

80年代，世界各大公司竞相研制出品种多、功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器。

其发展到了一个全新的阶段，应用领域更加广泛。

在众多品种的单片机中，MCS-51系列是我国较早引进的Intel公司的单片机产品。

由于其性能优良，已经被国内外用户广泛认可和采用，占据了重要的市场份额。

栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。

（2）单片机发展特点

单片机技术从出现至今已走过近30多年的发展路程。

纵观30多年来单片机的发展历程，单片机技术以微处理器技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域为动力，表现出极具个性的发展特点。

主要表现在以下几点：

寿命长、8位、16位、32位共同发展、运行速度越来越快、低电压与低功耗、低噪声与高可靠性技术、OTP技术、MTP可多次编程。

辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。

（3）单片机发展趋

回顾历史，在Intel公司推出了MCS-51不久便实施了最彻底的技术开放政策。

在众多电器商、半导体商的积极参与下，将MCS-51发展成了众多型号系列的80C51MCU（MicroControllerUnit，微控制器）家族。

MCS-51经典的体系结构、极好的兼容性和Intel公司的开放政策不仅使众多厂家参与发展，也诱使半导体厂家对MCS-51实行为所欲为的改造。

从各种新型单片机的性能可以看出，单片机是向大容量、高性能化、外围电路内集成化几方面发展。

其中主要表现在以下及方面：

CPU功能的加强、存储器的发展、片内I/O的改进、片内资源的增加、调试方式的改进等。

峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。

1.3.2单片机的应用

单片机以其卓越的性能、小巧的体积、极高的性价比，在国民经济的各个领域中得到了广泛的应用。

但是由于单片机自身的一些特点，在实际应用中又有着自己的应用特性和应用范围。

詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。

（1）应用特点

基于单片机的应用系统和其他一般的微型机相比，具有以下一些特点：

小巧灵活、可靠性高、使用方便，容易扩展、性价比高，容易产品化等等。

则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。

（2）应用领域

智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个方面：

在智能仪器仪表上的应用、在工业控制中的应用、在家用电器中的应用、在计算机网络和通信领域中的应用、在医用设备领域中的应用等等。

胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。

此外，单片机在工商、金融、科研、教育和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

1.4AT89S52单片机

（1）功能特性描述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。

（2）引脚功能

AT89S52单片机有44个引脚PLCC和TQFP方形封装形式，40个引脚的双列直插式封装形式，最常用的40个引脚封装形式及其配置如图1-1所示，各个引脚功能说明如下：

稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。

图1-189S52单片机的引脚

VCC：

电源，接+5V

GND：

接地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

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口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，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（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，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（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

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（如MOVX@RI）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口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，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（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。

RST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚将持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。

ALE/

：

地址锁存控制信号（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（

）也用作编程输入脉冲。

呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。

：

外部程序存储器选通信号（

）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52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，而在访问外部数据存储器时，

将不被激活。

莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。

/VPP：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，

必须接GND。

为了执行内部程序指令，

应该接VCC。

在flash编程期间，

也接收12伏VPP电压。

麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。

XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

（3）AT89S52的存储器结构

AT89S52器件有单独的程序存储器和数据存储器。

外部程序存储器和数据存储器都可以64KB寻址。

程序存储器：

如果

引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。

对于89S52，如果

接VCC，读写程序先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：

2000H～FFFFH。

納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。

数据存储器：

AT89S52有256字节片内数据存储器。

高128字节与特殊功能寄存器重叠。

也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。

当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。

直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。

風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。

（4）定时器

①MCS-51系列中51子系列有两个16位的可编程定时/计数器：

定时/计数器T0和定时/计数器T1，52子系列有三个，还有一个定时/计数器T2。

灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。

②每个定时/计数器既可以对系统时钟计数实现定时，也可以对外部信号计数实现计数功能，通过编程设定来实现。

铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。

③每个定时/计数器都有多种工作方式，其中T0有四种工作方式；T1有三种工作方式，T2有三种工作方式。

通过编程设置其方式寄存器TMOD可设定定时器工作于某种方式。

攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。

④每一个定时/计数器定时计数时间到时产生溢出，使控制寄存器TCON中相应的溢出位置位，溢出可通过查询或中断方式处理。

趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。

（5）中断

AT89S52有6个中断源：

两个外部中断（

和

），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。

每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。

夹覡闾辁駁档驀迁锬減。

1.5信号发生器概述

目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以下几种：

超高频：

频率范围1MHz以上，可达几十兆赫兹。

高频：

几百KHZ到几MHZ。

低频：

频率范围为几十HZ到几百KHZ。

超低频：

频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。

超高频信号发生器，产生波形一般用LC振荡电路。

高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，即RC振荡电路，通过改变电容和电阻值，改变频率。

视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。

依据以上可以用单片机AT89S52,加上一片DAC0832,就可以做成一个简单的信号发生器，其频率受单片机运行的程序的控制。

我们可以把产生各种波形的程序，写在ROM中，装入本机，按用户的选择，运行不同的程序，产生不同的波形。

再在DAC0832输出端加上一些电压变换电路，就完成了一个频率、幅值可调的多功能信号发生器的设计。

偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。

1.6本论文主要研究的内容

本设计采用89S52及其外围扩展系统，软件方面主要是应用C语言设计程序。

系统以89S52单片机为核心，配置相应的外设及接口电路，用C语言开发，组成一个多功能信号发生系统。

硬件电路设计具有典型性，电路设计具有实用性。

緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。

本设计将完成以下几个方面的工作：

（1）选芯片，尽量满足一般工业控制要求、以增强其实用性。

（2）原理图设计在保证正确的前提下，尽量采用典型的电路设计。

（3）固化于单片机芯片中的软件采用模块设计，层次清楚，具有上电复位及初始化功能，具有很好的软件开发框架。

騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。

（4）掌握单片机仿真软件KEIL的使用。

为此，论文包括以下内容：

①绪论。

主要介绍单片机发展概况和信号发生器的概述，为以后几章的介绍奠定基础。

②系统总体方案设计。

本章主要考虑系统性能、功能和器件选择。

包括两个主要内容，系统分析和系统总体方案设计。

疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。

③系统的硬件设计。

本章完成系统的硬件总体设计，详细说明了设计思路。

④系统软件设计实现。

本章是系统的具体实现，对系统按功能模块进行介绍。

以及系统的测试结果总结。

第二章系统设计方案

2.1系统分析

2.1.1问题定义

基于单片机的信号发生系统是一个实际应用系统，可为相关实验及实际应用提供支持。

本论文包括硬件系统的详细设计及C语言在基本控制中的应用。

此系统具有的功能如下：

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硬件部分

（1）单片机所需的平稳电压（电源设计±12V,5V）；

（2）独立键盘；

（3）时钟电路与复位电路；

（4）具有8位精度的D/A转换功能；

（5）波形产生与电压变换功能；

软件部分

（1）系统复位初始化；

（2）键盘扫描与处理；

（3）按键服务程序；

（4）定时器0中断服务程序；

（5）正弦波，三角波，方波，矩形波，锯齿波发生程序；

2.1.2系统可行性分析

（1）设计环境

本设计主要用Protel电子设计软件进行电子线路的设计。

电路原理图的设计是仿真中的第一步，也是非常重要的一步。

电路原理图设计得好坏将直接影响到后面的工作。

电路原理图的设计过程可分为以下几个步骤：

榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。

①设置电路图纸参数及相关信息

②装入所需要的元件

③设置元件

④连线电路图

⑤调整、检查和修改

⑥补充完善

（2）可行性分析

根据技术指标及系统设计目的，经研究芯片的选择如下：

①主控芯片采用ATMEL公司的AT89S52；

②采用12MHz的晶振器为AT89S52提供时钟信号；

③稳压块选用7812与7805相串联，提供12V和5V电压,7912产生-12V电压；

④对于89S52的P0口的数据经过DAC0832进行D/A转换；

⑤8位D/A转换器采用DAC0832；

⑥运算放大器采用LM324。

（3）设计中可能存在的问题及解决方案——排除问题的可行性讨论

此设计要求最终制作出实体，因此，设计原理图时应着重考虑设计最终的电路板的可行性。

在设计时要对每一个电路模块仔细检查，查阅其他书籍进行校对，还要进行实物实验，以确保设计的可实现性。

在最后的电路板的调试阶段，需要诊断模块程序和单片机仿真机合作进行，从而克服调试程序本身的不可靠性，可方便地进行调试及错误诊断。

邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。

（4）经济上的可行性讨论

本设计是一个实验系统，芯片的选择在前面已经讨论，从前面的讨论中可见芯片大部分都是常用芯片。

因此，设计费用主要集中在购买元器件上，而大部分的元器件，在市场上很容易找到不是很贵，所以经济上本设计完全可行。

嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。

2.2系统需求分析

（1）系统功能要求

系统具有D/A转换功能，信号幅度放大功能，上电自动复位功能，键盘输入接口。

（2）系统性能要求

①系统的D/A转换功能具有8位精度；

②89S52单片机时钟信号为12MHZ；

③系统上