低频信号发生器.docx

低频信号发生器.docx

《低频信号发生器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低频信号发生器.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

低频信号发生器

课程设计报告

课程名称：

电子测量与应用

设计题目：

低频信号发生器

系别：

机电工程系

专业班级：

08级XXXXXXXXX班

学生姓名：

何衣儿

学号：

0201308XXXX

指导老师：

真水无香

设计时间：

2010.12.26

河南质量工程职业学院

目录

引言…………………………………………………………………1

1、工作原理…………………………………………………………2

2、硬件电路设计………………………………………………..….3

2.1AT89C52单片机简介……………………………………….….3

2.2D/A转换器……………………………………………………..4

2.3与AT89C52单片机的接口……………………………………4

2.4键盘控制和显示电路…………………………………………5

3、软件设计……………………………………………………….5

3.1初始化模块设计…………………………………………….6

3.2键盘扫描程序的设计……………………………………….6

3.3波形产生模块的设计………………………………………..7

致谢…………………………………………………………….….9

参考文献…………………………………………………………..10

河南质量工程职业学院

机电工程系课程设计任务书

专业

班级

XXXXX

学

号

0201308XXX

学生姓名

何衣儿

指导

教师

真水无香

设计题目

低频信号发生器

主

要

设

计

内

容

一、设计任务和要求：

设计可输出自定义波形,如正弦波、方波、三角波及其他任意波形的信号发生器

二、设计内容：

低频信号发生器

三、设计的作用、目的：

波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变

主

要

技

术

指

标

单片机控制D/A转换器产生各类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

工

作

计

划

及

安

排

12月8号—12月10号查找资料

12月13号—12月17号初步拟定方案

12月21号—12月26号设计整理成稿

主

要

参

考

资

料

及

文

献

◆《电子测量及应用》

◆《单片微型机原理,应用与实验》

◆《单片机基础》

引言

波形发生器亦称函数信号发生器,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搭接而成,且波形种类有限,多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。

如555振荡电路便是产生正弦波、三角波和方波可取的途径之一。

但是这种电路存在波形质量差、控制难、可调范围小、电路复杂和体积大等缺点。

利用单片机通过程序设计方法来产生低频信号,其频率底线很低,具有线路相对简单、结构紧凑、体积小、价格低廉、频率稳定度高、抗干扰能力强、用途广泛等优点。

现介绍利用AT89C52单片机和2片DAC0832D/A转换器组成的数字式低频信号发生器,可输出任意波形。

波形信号频率范围为1Hz~10kHz,信号电压范围为-5V~+5V,并且输出电压幅值可以在0V~5V范围内调节。

输出信号非线性失真低于0.1%,频率稳定度达0.1%/h。

1.工作原理

任意波形函数发生器采用直接数字合成技术,可以提供各种常用波形,其输出波形是通过单片机系统建立的。

工作过程为:

在一个单片机的存储器中存入波形数据,当要产生波形输出时,所存信息经D/A转换器形成模拟量,波形再通过一个放大器来调整驱动和传输能力。

由于该信号发生器以模拟量形式输出的波形是在单片机内部存储的数字信号的控制下形成的,所以在构建波形时,具有时域、频域和视觉上的灵活性[1]。

任意波形函数发生器是依据存储器中的数值来构建波形的,在存储器的数据中定义的一个波形的起始点与结束点之间的采样点数决定了波形的频率。

输出波形频率f0由下式决定:

f0=fs／（n1-n2）

式中n1、n2为所要构建波形的第一个和最后一个采样点,在存储器中的对应位置序号fs为采样频率。

通过改变或重新设置这个参数即可得到不同频率的输出波形。

现以正弦波为例,设要产生的正弦波为U（t）=Umsin2πft,周期T=1/f,我们把每个周期平均分成P个区间。

每个区间间隔为ΔT=T/P,在ΔT区间内,U（t）的值为常数。

即认为:

0≤t<ΔT时,U（t）=U（0）;

ΔT≤t<2ΔT时,U（t）=Umsin（2πf×ΔT）;

2ΔT≤t<3ΔT时,U（t）=Umsin（2πf×2ΔT）;

┇

即:

U（t）=Umsin（2πf×iΔT）　（iΔT≤t<（i+1）ΔT）

由于

f=1/T=1/（P×ΔT）

所以

U（t）=Umsin（2πi/P）=U（i）

通常正弦信号峰值电压恒定,如设Um=225mV,我们可以用32个字节的存储器来储存i等于不同数值时的电压U（t）或U（i）,最小分辨率为1mV。

由于·12·数值的对称性,若把一个周期分成P=128等份,但只有32个独立的数值,因此只需32个字节的存储器就够了。

由此看出,输出信号的频率取决于ΔT,改变ΔT即可得到不同的输出频率,并且输出频率的正确度基于单片机晶振频率的正确度和稳定度。

而各区间的振幅值以数字形式存于单片机的内存中,加上D/A转换器的稳定性,因输出信号的幅频特性很好。

其输出信号的非线性失真低于0.1%。

2硬件电路的实现

电路主要由AT89C52单片机产生所需输出信号的数字量,再由D/A转换器将数字量转化为模拟电流输出,通过运放转化为模拟电压输出。

因为D/A转换器的最大输出电压是由其输入的基准电压来控制的,只要能控制D/A的基准电压便可以控制输出幅度,因此只需在D/A转换器基准电压上加上一个变位器,便可以方便地改变其输出信号的幅度。

设计用2片DAC0832来完成输出信号的工作,第1片D/A用来输出信号,第2片D/A用来控制第1片D/A的基准电压,其中用P1口作为2片D/A的数据总线[2]。

电路框图如图1所示。

图1电路框图

2.1AT89C52单片机简介

AT89C52是一种低功耗、高性能的片内含有8kB可编程/可擦除只读存储器的8位CMOS微控制器,使用高密度、非易丢失存储技术制造,并且与80C51的引脚和指令系统完全兼容。

芯片上的Flash存储器允许在线编程或采用通用的非易丢失存储编程器重复编程。

AT89C52将具有多种功能的8位CPU与Flash存储器结合在一个芯片上,为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案,其性能价格比远高于8751。

89C52的主要性能包括:

片内有8kB可在线重复编程的快闪擦写存储器;宽工作电压范围VCC可为2.7V~6V;全静态工作可从0Hz至33Hz;程序存储器具有3级加密保护;32条可编程I/O线;3个16位定时器/计数器;中断结构具有8个中断源;21个特殊功能寄存器;1个可编程全双工串行通道;空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容[3]。

2.2D/A转换器

连接电路和运算放大电路的设计设计中2片D/A的输出均采用双极性电压输出,运算放大器选用的是LF358,电路如图2所示。

第1级DAC0832D/A转换器将P1口输出的数字信号变成连续变化的电流信号,这个电流信号经2个集成运算放大器组成的双极型电压输出电路变成电压信号输出。

电压变化范围为-5V~+5V,作为第2级DAC0832D/A转换器的基准电压。

P1口的8位二进制输出信号再经第2级DAC0832D/A转换器及集成运放输出,使输出电压信号的精度更高[4]。

图2

：

D/A转换器

2.3DAC0832与AT89C52单片机的接口

从DAC0832内部结构中得知,其前级输入锁存器和DAC寄存器可允许数据进入其中,亦可锁定数据,拒绝新数据进入。

这取决于内部信号LE1和LE2各自受外部信号控制的情况。

据此可归纳出3点:

1）单缓冲方式:

LE2和LE1受控于同一组外部信号,2级寄存器同时锁存数据。

2）双缓冲方式:

LE2和LE1分别受不同信号控制,2级寄存器先后接收数据。

3）直通方式:

LE1和LE2均恒为1,外来数据直接通过前2级到达D/A转换器。

设计采用的是直通方式[5]。

2.4键盘控制和显示电路

按键是系统的输入设备,是控制单片机的唯一途径。

设计中共使用了16个按键,3×5键盘和一个复位键。

3×5键盘中包含了0~9的数字键和多个波形选择键。

由于功能键较多,所以在输入控制命令时非常方便。

在设计要求中还选择将键盘的输入内容显示出·13·号输出时不需时刻改变,可由单片机的串行通信口输出显示数据。

在设计中,显示采用的是5位7段显示器显示,显示的数据由单片机的并行口P0输出,采用动态显示的方法,以P2口中的低5位（P2.0~P2.4）作为位选。

显示器使用的是共阴极LED数码管,并采用74LS07同相驱动器。

按键消除抖动的处理采用软件方法。

原理是:

扫描键盘后,延时10ms,再次扫描键盘,确认有键按下,跳到读键值的子程序,等待按键的动作完成,然后才继续执行其他操作。

3.软件设计

单片机内部数据只有0、1之分,所产生的信号也都是离散信号。

为了能够让单片机输出所需的数字信号,我们采用对信号采样、量化的方法来实现由单片机产生所需信号。

在设计中,对正弦信号进行采样,通过查表来实现输出不同的幅度值。

采样点越密,信号失真度也就越小。

对于三角波,就是实现2次循环,通过由最小值到最大值和由最大值到最小值的循环来实现三角波的输出。

方波的输出时间间隔由键盘输入,然后由软件通过定时、计数器来控制。

因此,通过控制不同的计数初值就可以控制整个方波信号的频率,其计数初值=65536-输入值。

对于其他波形,程序根据输入频率值计算出波形的输出时间参数,即波形中每2点的时间间隔C。

程序设定寄存器T0作定时器,T1作计数器。

当计算出C≤65536时,CPU只使用T0。

当C>65536时,CPU将T0和T1串联起来使用。

T0/T1被调用后开始计数,总定时时间到,输出一个点,反复循环,从而在一个周期内输出完整波形。

设计中软件分为初始化模块、显示模块、键盘扫描模块、键值处理模块和波形产生模块。

3.1初始化模块设计

初始化模块的作用是将用户需要的内存单元清零,清除系统原始数据对系统的影响。

之后在显示电路中显示全0,对观察以后的数据输入情况有很大帮助。

设计中主要用到了30H到40H的内存空间。

因此,这里主要对这部分单元清零,并且将数据存储指针初始化。

具体程序如下:

FIRSTA:

MOVR0,#30H//初始化

MOVR1,#10H//30H~40H循环清零

（R1为个数指针）

CLLOOP:

MOV@R0,#00H

INCR0

DJNZR1,CLLOOP

RET

3.2键盘扫描程序的设计

键盘扫描程序的作用是从键盘获取按键信息,根据按键信息来执行命令操作。

这部分是用户对系统进行操作的唯一途径。

这部分程序的正确编写是确保人机正常对话的前提保证。

键盘工作原理为:

行线通过电阻接+5V,当键盘上没有键闭合时所有的行线和列线都断开,行线呈高电平。

当键盘上某一个键闭合时,则该键对应的行线和列线被短路,此时,行线的状态由列线决定。

通过给列线置0（低电平）,判断行线的状态,可以判断出是哪个键闭合[6]。

键盘扫描程序流程图如图3所示。

图3：

键盘扫描程序流程

3.3波形产生模块的设计

波形产生模块是设计的关键,其精度如何,关键在于波形产生模块设计的合理性。

系统设计中采用的是用单片机产生信号,而单片机只能产生数字信号,无论是信号频率还是信号幅度都是离散的点,这些点的产生是根据不同波形情况采用不同的方法由计算机来完成的。

其中方波的产生方法比较简单,只要定时地向外输出0FFH和00H即可。

正弦波的产生是通过对标准正弦波进行采样输出而得到的,采样间隔越小,正弦波的输出精度就越高,失真度越小。

对于三角波,就是实现2次循环,通过由最小值到最大值和由最大值到最小值的循环来实现三角波的输出。

STR1:

　MOVR2,#00H//通过上升和下降来产生三角波

STR2:

MOVA,R1//电压随时间上升

MOVP1,A

INCR1

CJNER1,#0FFH,STR2

STR3:

DECR2//电压随时间下降

MOVA,R2

MOVP1,A

CJNER2,#00H,STR3

SJMPSTR1//循环

三角波产生的程序

致谢：

光阴似箭，日月如梭，三年的大学生活即将过去。

在漫长的人生旅程中，三年时间并不算长，但对我而言，是磨砺青春、挥洒书生意气的三年，也是承受师恩、增长才干、提高学识的三年。

我即将投入到火热的工作和事业中。

在此，谨对培育我的母校、教导我的老师、帮助我的同学们致予最诚挚的谢意和敬意。

在河南质量工程职业学院学习的三年里，我亲身体会到各位老师和前辈们严谨求实的治学态度、渊博卓著的学识才华和传道授业、以身作则、高尚无私的敬业精神，已经超脱了知识传授和文化交流的范畴，形成独立自主、兼容并包的治学氛围和积极进取、紧贴实际、关心家国的人文情怀。

我为能在河南质量工程职业学院学习而感到荣幸和自豪，相信这将是我人生当中最重要最难忘的一段经历。

在此，我特别要感谢我的课程设计指导老师真水无香老师，我还要感谢给予我很多关心和帮助的同学们，三年学习生活使我们结下深厚的友谊。

参考文献

【1】刘国林,殷贯西.电子测量[M].北京:

机械工业出版社,2003

【2】张友德,赵志英,涂时亮.单片微型机原理,应用与实验[M].上海:

复旦大学出版社,2007

声明：

本课程设计，由学生上网下载整理，如有雷同在所难免，仅供参考