毕业设计论文—基于单片机函数发生器系统设计.doc

1、基于单片机函数发生器系统设计系 别 信息工程系专 业 自动化/测控技术与仪器班 级 B141401学 号 B14140123姓 名 王景欣指导教师 孙丽媛负责教师 刘剑沈阳航空航天大学北方科技学院2015 年 6 月沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）I摘 要函数信号发生器是各种测试和实验过程中不可缺少的工具，在通信、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。为了实验、研究方便，研制一种灵活适用、功能齐全、使用方便的信号源是十分必要的。当今是科技以及仪表设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的发展进步，给人们的生活带来了根本性的转变。单片机构成的仪器具有高可靠性，高性价比，在智能仪

2、表系统和办公自动化中得到广泛应用，因此，基于单片机的函数信号发生器的普及是一种趋势。本系统是基于 AT89C52 单片机的函数信号发生器。采用 AT89C52 单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、运放电路（LM324）、按键等。利用单片机设计的函数信号发生器具有编程灵活，功能更加多样等实际的优点。利用单片机设计的函数信号发生器能够产生正弦波，锯齿波，三角波，方波，并实现对频率的调节，以及液晶屏 12864 显示波形名称和波形频率，波形的切换和频率的调节都可以用按键实现，其设计简单、性能优好，可用于多种需要函数信号的场所，具有一定的实用性。关键词：单片机；DAC08

3、32；液晶 16824；LM324沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）IIAbstractFunction signal generator is an indispensable tool in the process of testing and experiment, the communication, measurement, are widely used in fields such as radar, control, teaching.For convenient experiment, research and develop a flexible to apply

4、, complete function, easy to use the signal source is very necessary.Todays technology and instrument equipment highly intelligent the rapid development of information society, the development and progress of electronic technology, has brought the fundamental change to peoples life.Single chip instr

5、ument has high reliability, high cost performance, the intelligent instrument system and is widely used in office automation, as a result, the popularity of function signal generator based on single chip microcomputer is a kind of trend.This system is based on AT89C52 MCU function signal generator.U

6、SES AT89C52 single chip microcomputer as control core, periphery adopts digital/analog conversion circuit (DAC0832), the op-amp circuit (LM324), buttons, etc.Using single-chip design of function signal generator with flexible programming, function more diverse practical advantages.Microcontroller de

7、sign of function signal generator can produce sine wave, sawtooth wave, triangle wave, square wave, and to realize to adjust the frequency, and 12864 LCD display name of waveform and waveform frequency and waveform of the switching frequency and adjust the implementation can use buttons, its design

8、is simple and good performance advantages, can be used for a variety of places that need function signal, has a certain practicality.Keywords: Single chip microcomputer;DAC0832;LCD 16824;LM324沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）III目 录1 绪 论 .11.1 课题背景和研究的意义 .11.2 函数发生器的分类 .11.3 国内外发展状况 .21.3.1 国内发展现状 .21.3.2 国外发展现

9、状 .21.4 课题任务及要求 .41.4.1 主要内容： .41.4.2 技术指标： .42 系统方案的设计 .52.1 方案论证 .52.1.1 方案 1.52.1.2 方案 2.52.1.3 方案比较 .62.2 系统总体设计 .63 硬件设计 .73.1 主控单片机电路 .73.1.1 AT89C52 单片机介绍 .73.1.2 AT89C52 单片机的标准功能 .73.1.3 单片机的复位电路 .93.1.4 单片机的时钟振荡电路 .103.2 波形产生模块设计 .103.3 显示模块的设计 .113.6 键盘显示模块的设计 .134 软件设计 .144.1 开发工具介绍 .144.

10、2 程序流程图 .154.2.1 主程序流程图 .154.2.2 正弦波子程序流程图 .164.2.3 三角波子程序流程图 .164.2.4 方波子程序流程图 .174.2.5 锯齿波子程序流程图 .185 仿真及结果分析 .20沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）IV5.1 仿真和编译工具 .205.2 仿真结果图 .205.2.1 正弦波仿真图 .205.2.2 三角波仿真图 .215.2.3 锯齿波仿真图 .225.2.4 方波仿真图 .235.3 仿真结果分析 .236 整体调试 .246.1 电路板的焊接组装 .246.2 整体调试 .246.2.1 正弦波的调试 .246.

11、2.2 三角波的调试 .256.2.3 方波的调试 .256.2.4 锯齿波的调试 .266.3 系统升级方案探讨 .277 结 论 .28结束语 .28致 谢 .29参考文献 .30附录 电路图 .31附录 实物图 .32附录 系统元件清单 .33附录 主控单片机程序清单 .34沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）01 绪 论1.1 课题背景和研究的意义函数发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。函数发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

12、能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。本文是

13、做基于单片机的信号发生器的设计，将采用编程的方法来实现三角波、锯齿波、矩形波、正弦波的发生。根据设计的要求，对各种波形的频率和幅度进行程序的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序运行中，当接收到来自外界的命令，需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序，经电路的数/模转换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端口输出 ,利用单片机控制脉冲的输入和输出，从而控制信号波形的频率和幅度，并根据要求输出的波形设计对应的硬件电路。最后利用 Proteus 软件对设计的电路进行实时仿真，通过仿真的结果来观察波形的输出。1.2 函数发生器的分类函数发生器应用广泛，种类繁多，性能

14、各异，分类也不尽一致:沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）1(1)按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。(2)按照输出波形分类可以分为：正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器，函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。(3)按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内

15、连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。1.3 国内外发展状况1.3.1 国内发展现状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。我国已经开始研制函数信号波形发生器，并取得了可喜的成果。国产 SG1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围

16、为 1Hz 60MHz；国产 S1000 型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同时应用 DDS 和锁相技术，使频率范围从 1MHz1024MHz 能精确地分辨到 100Hz，它既是一台高精度的扫频源，同时也是一台高精度的标准信号发生器。但总的来说我国的函数信号波形发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看，多为一些 PC 仪器插卡，独立的仪器和 VXI 系统的模块很少，并且我国目前在函数信号波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。1.3.2 国外发展现状在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正

17、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沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）2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

18、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。1978 年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为 5MHz ，可以形成 256 点( 存储长度)波形数据，垂直分辨率为 8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近 30 年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 90 年代末，出现几种真

19、正高性能、高价格的函数发生器、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，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003 年，Agilent 的产品 33220A 能够产生 17 种波形，最高频率可达到 20M

20、，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。美国安捷伦生产的 33250A 型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形，其输出频率范围为 1Hz80MHz ，而输出幅度为10mVpp10Vpp；该公司生产的 8648D 射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz4GHz。目前市场上的信号发生器多种多样。他们各有各的优点，但是函数发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）31.4 课题任务及要求1.4.1 主要内容：本系统是基于 AT

21、89C52 单片机的数字式低频信号发生器。采用 AT89C52 单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832 ）、运放电路（LM324）、按键和 8 位数码管等。通过按键控制可产生方波、三角波、正弦波等，同时用12864 液晶屏显示其对应的频率。 1.4.2 技术指标：可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等，显示屏显示结果与示波器一致。沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）42 系统方案的设计2.1 方案论证依据应用场合需要实现的波形种类，波形发生器的具体指标要求会有所不同。依据不同的设计要求选取不同的设计方案。通常，波形发生器需要实现的波形有正弦波、方波、三角波和锯齿波

22、。波形发生器的设计方案多种多样，大致可以分为 2大类：纯硬件设计法和软硬件结合设计法。2.1.1 方案 1波形发生器设计的纯硬件法早期，波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立元件来实现。实现的波形比较单一，主要为正弦波、方波和三角波。工作原理也相对简单：首先是产生正弦波，然后通过波形变换(正弦波通过比较器产生方波，方波经过积分器变为三角波)实现方波和三角波。在各种波形后加上一级放大电路，可以使输出波形的幅度达到要求，通过开关电路实现不同输出波形的切换，改变电路的具体参数可以实现频率、幅度的改变。通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可以提高电路的频率稳定性和准确度。纯硬件法中，正弦波的设计是基础，实现方法也比较多，电路形式一般有 LC、RC 和石英晶体振荡器三类。2.1.2 方案 2软硬件结合法,软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优势：既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能性。如以单片机和单片集成函数发生器为核心,辅以键盘控制、液晶显示等电路，设计出智能型函数波形发生器，可以实现功能较全、性能更优的波形发生器。该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换。此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。