1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于单片机的信号发生器设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 信号发生器作为集成电路的基本模拟单元，被广泛应用于信号处理系统和各种便携式设备中。振荡器作为信号发生电路的核心，各种结构层 出不穷，但大多采用复杂的结构来实现幅度和频率的稳定。这不仅增加了系统的复杂度，同时也增加了芯片面积。 而且 在电路调试、教学实验和产品开发等领域，信号发生器被广泛用作测量仪器的信号源，为开发和测试提供输入信号。现在人们都运用 DDS（直接数字合成）技术、 FPGA 技术、 单片机来实现信号发
2、生器的一些功能。 本系统是以 AT89S51 单片机作为主控模块， 并用到了 DDS 芯片 AD9850、4*4 键盘输入模块、 LCD1602 液晶显示模块。 利用 AD9850 芯片产生要求的频率，然后通过 AT89S51 单片机再通过整形放大电路，在 LCD1602 液晶屏上显示出波形，要求正弦波的非线性失真小于 1%，具有频率的数字显示功能，分辨率在 1Hz。同时，通过整形放大电路，可以把整形波变成三角波或方波输出，做到一个系统可以同时做到输出正弦波、方波和三角波。 本系统硬件设计合理、 结构简单、成本低 ，程序简单，效率高。 关键词： 信号发生器 ； AT89S51； AD9850；
3、 LCD1602 - 2 - Abstract Signal generator as the basic integrated simulation circuit, is widely used in signal processing system and various portable devices. Oscillator as a signal generator core, various structures emerge in endlessly, but mostly using complex structure to achieve amplitude and fre
4、quency stability. This not only increased the complexity of the system, also increased a chip area. And in the fields of circuit debugging, experimental teaching and product development, signal generator is widely used for measuring instrument for the source, development and test provides input sign
5、al. Now people are using direct digital synthesis (DDS) technology, FPGA technology and microcontroller to achieve some functions of signal generator. The system is based on AT89S51 which work as the master module, and DDS chip AD9850, 4 * 4 keyboard input module, LCD module LCD1602. Signal generato
6、r design is using the rate that produced by the AD9850 chip, then through the AT89S51 and plastic magnifying circuit, lastly shown on the waveform in 1602 LCD screen. It requires that the nonlinear distortion sinusoidal is less than 1%, with rate digital display function, the resolution in 1HZ. Mean
7、while, through the plastic magnifying circuit, it can put plastic wave into a triangle wave or square wave to output. It is a system that output sine wave, square-wave and delta waves at the same time. This systems hardware is reasonable design, simple structure, low cost, simple program and high ef
8、ficiency. Key words: Signal Generator;AT89S51； AD9850； LCD1602 - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 总体设计 .2 2.1 方案论证及比较 .2 2.1.1 主控模块的选择 .2 2.1.2 信号发生模块 .2 2.1.3 显示模块的选择 .3 2.2 系统的总体设计方案 .3 3 硬件设计 .5 3.1 单片机主控模块 .5 3.1.1 时钟电路 .5 3.1.2 复位电路 .5 3.2 信号发生模块 AD9850.6 3.2.1 AD9850 性能 .6 3.2.2 AD9850 的控制字与控制时序 .6 3.2.3 AD9
9、850 的外部引脚及功能 .7 3.2.4 AD9850 与单片机连接图 .8 3.2.5 AD9850 与低通滤波器连接图 .9 3.3 显示模块 .10 3.3.1 LCD1602 简介 .10 3.3.2 LCD1602 与单片机的连接图 . 11 3.4 键盘输入模块 .12 4 软件设计 .13 4.1 DDS 基本原理 .13 4.2 总体程序流程图 .13 4.3 LCD1602 控制指令 .15 4.4 键盘功能实现模块 .16 4.4.1 键盘功能流程图 .16 4.4.2 按键选择控制函数 .17 4.4.3 键盘按键读取、消抖 .18 5 制作和调试 .19 5.1 测试
10、仪器 .19 5.2 硬件调试 .19 5.3 软件调试 .19 6 结论 .20 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附录 1 实验原理图 .22 - 4 - 附录 2 程序代码 .23 - 1 - 1 引言 信号发生 器作为集成电路的基本模拟单元，被广泛应用于信号处理系统和各种便携式设备中。振荡器作为信号发生电路的核心，各种结构层出不穷，但大多采用复杂的结构来实现幅度和频率的稳定。这不仅增加了系统的复杂度，同时也增加了芯片面积。 而且 在电路调试、教学实验和产品开发等领域，信号发生器被广泛用作测量仪器的信号源，为开发和测试提供输入信号。现在人们都运用 DDS（ 直接数字合成 ） 技术 、 F
11、PGA 技术 、 单片机 等 来实现信号发生器的一些功能 1。 目前市场上常见的信号发生器及相关资料基本都是以 DDS（ 直接数字合成 ）技术为基础，它是一种新的 频率合成方法，它的发明和使用是信号频率合成领域里的二次革命，是信号发生器研究的一个重要方向。 DDS技术的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。它首先对需要产生的波形进行采样，将采样值数字化后存入存储器作为查找表，然后再通过查找表将数据读出，经过 D/A转换器转换成模拟量，把存入的波形重新合成出来。对每一个时钟脉冲， N位加法器将频率控制字 FSW与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至相位累加寄存器的输入端。相
12、位累加寄存器一方面将上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使 加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制字 FSW相加，另一方面将这个值作为取样地址值送入幅度 /相位转换电路，幅度 /相位转换电路根据这个地址值输出相应的波形数据。最后经数 /模转换和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形 2。 本次设计的是基于 51单片机的信号发生器，其外设电路简单。它采用编程的方法来实现波形，将产生波形的程序用子程序的形式编写，在需要波形时再调用相应子程序，运算放大器处理后，作为该信号源输出，其线路简捷、功能强大、性价比较高，具有一定的使用价值。 - 2 - 2 总体设计 2.1 方
13、案论证及比较 2.1.1 主控模块的选择 主控模块作为整个系统的控制核心，其性能的好坏对系统工作的影响是非常重要的，经过资料翻阅： 方案一： 以单片机 AT89S51 为核心， AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，运用于很多 方面，如用它来控制 DDS
14、的芯片的信号发生器 3。 方案二： 目前 FPGA 技术已经远远超出了先前版本并且整合了常用功能（如 RAM、时钟管理和 DSP）的硬核（ ASIC 型）模块。 FPGA 内部有丰富的触发器和 I O引脚。它是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、 TTL 电平兼容。 可以说， FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。也可用它来做信号发生器的主模块 4。 相比较，此实验需要高精度，非易失性等功能，而且 单片机操作简单，所以选择方案一，用单片机作为主控模块。 2.1.2 信号发生
15、模块 方案一： DDS 芯片 AD9850 的特点是频率切换时间短，频率分辨率高，相位变化连续具有低相位，噪声和低漂移易于集成、易于调整。而且它的外设电路并不复杂，可用编程的方法来产生波形，而且 DDS 技术已被广泛应用于雷达、通信、电子- 3 - 对抗和仪器仪表和信号发生器等领域 5。 方案二： 采用 D/A 转换芯片 结构简单、原理清楚转换速度慢、精度低， 在需要波形时再调用相应子程序，经过 D/A 转换、运算放大器处理后，作为该信号源输出，其线路简捷、功能强大 、性价比较高 ，而且你频率要求并不能达到实验所要求的系数，故不采用 6。 综上所述，选择方案一。 2.1.3 显示模块的选择 显
16、示部分是用来显示要的信息，根据调查，显示部分基本上只用两种显示器。 方案一： 采用数码管显示。数码管亮度高、体积小，但是由于端口比较多接线比较麻 烦，操作复杂易错。 方案二： 采用液晶 LCD1602 显示。液晶显示功耗低，轻便防震，没有电磁辐射，不闪烁 ，不伤眼，可视面积大，而且具有多种接口，方便连接，而且性价比也不错，是作为显示模块的一个极佳选择。 综上所述，选择方案二。 2.2 系统的总体设计方案 本系统结构框图如图 2-1 所示。它以 AT89S51 单片机作为主控模块， 并用到了 DDS 芯片 AD9850、 4*4 键盘输入模块、 LCD1602 液晶显示模块 。 信号发生器的设计
17、，利用 AD9850 芯片产生要求的频率， 然后通过 AT89S51 单片机再通过整形放大电路，在 LCD1602 液晶屏上显示出波形，要求正弦波的非线性失真小于 1%，具有频率的数字显示功能，分辨率在 1Hz。同时，通过整形放大电路，可以把整形波变成三角波或方波输出，做到一个系统可以同时做到输出正弦波、方波和三角波。 - 4 - 图 2-1 系统结构框图 AD9850 芯片 整形 放大 键盘输 入 LCD1602 显示 单片机AT89S51 信号输出 - 5 - 3 硬件设计 本系统采用了单片机 AT89S51 芯片， 信号发生模块 AD8950，液晶屏 LCD1602以及 4*4 矩阵键盘。 3.1 单片机主控模块 3.1.1 时钟电路 时钟电路是为单片机提供精确定时的内置电路，主要用于计时、通讯时钟发生器、时间中断源等等。如图 3-1， 外接晶振时， C1、 C2 的值通常选择为 30pF左右； C1、 C2 对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在 1.2MHz 12MHz 之间选择。 图 3-1 单片机时钟电路图 3.1.2 复位电路 在上电或复位过程中，控制 MCU 的复位状态：在这段时间内让 MCU 保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止 MCU 发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。
