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1、 学 号： 0120911360214能力拓展训练题 目交流信号发生器设计学 院自动化学院专 业自动化班 级0902姓 名何润指导教师孙晓明2012年06月24日 武汉理工大学能力拓展训练 课程设计说明书 能力拓展训练任务书学生姓名： 何润 专业班级： 自动化0902班 指导教师： 孙晓明 工作单位： 自动化学院 题 目: 交流信号发生器设计初始条件：计算机、Max+plus、EDA实验箱（或单片机，PLC）要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）控制产生1-99Hz（精度0.1Hz）的正弦交流信号，通过DAC 0832转换后输出。通过按键操作，可对输
2、出信号的峰值与频率进行控制。任务安排：（1) 设计任务及要求分析；方案比较及认证说明。（2) 系统原理阐述，写出设计方案结构图。（3) 软件设计课题需要说明：软件思想，流程图，源程序及程序注释。（4) 调试记录及结果分析、总结。（5) 参考资料5篇以上，附录：程序清单。时间安排：D1：安排设计任务；收集资料；方案选择；D2：程序设计；D3-D4：实验室内调试程序并演示；D5-D7：撰写报告；D8-D9：交设计报告。主要参考资料：1 谭会生，张昌凡EDA 技术及应用西安：西安电子科技大学出版社20042 孙晓明EDA实验指导书武汉：武汉理工大学教材中心，20071指导教师签名： 孙晓明 2012
3、 年 6 月 24 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要 信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于科学研究、生产实践和教学实验等领域。特别是通信系统的科研实验中，常常需要用到多种不同频率和相位的信号，如正弦波、三角波、方波和锯齿波等，因此多功能信号发生器应用十分广泛。在数字化时代的今天，经典的有模拟电路组成的信号发生器已经渐渐远离了人，取而代之的事电路简洁、功能多样、功耗低的数字电路。在以后的时间里，将会有越来越多的数字化的信号发生器运用在各种科学技术领域和工程实践中，给人们的日常生活带来更多的便利。 本文设计低频信号发生器，以AT89C51 单片机为核心，通过键盘输入控制信号类型和频
4、率的的选择，采用DA 转换芯片输出相应的波形。我们采用C 语言进行编程，可实现正弦波的产生，且波形的频率和幅值可调。经测试该设计方案线路优化，结构紧凑，性能优越，满足设计要求。关键字：单片机，DA 转换，信号发生器 2 武汉理工大学能力拓展训练课程设计说明书 目录摘要21 设计任务及分析21.1 设计任务21.2 要求分析22 方案比较及认证33 硬件简介43.1 单片机AT89C5143.2 DAC0832简介74 系统原理84.1 设计原理84.2 设计思想114.3 电路原理图135 软件设计流程图146 仿真156.1 调试记录156.2 调试结果177 心得体会20参考文献21附录一
5、 程序清单22本科生能力拓展训练成绩评定表25 交流信号发生器的设计1 设计任务及分析1.1 设计任务 本次设计是一个超低频交流信号发生器，初始条件为计算机、Max+plus、EDA实验箱，控制产生1-99Hz（精度0.1Hz）的正弦交流信号，通过DAC 0832转换后输出。系统设计要有按键部分，能够通过键盘控制输出模拟幅度和模拟频率。1.2 要求分析 正弦信号发生器是信号中最常见的一种，它能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号在这些信号发生器中，又以低频正弦信号发生器最为常用，在科学研究及生产实践中均有着广泛应用。，而如今对频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出信号的频率微调分辨率有着很高的要
6、求，传统的正弦信号源根据实际需要一般价格昂贵，低频输出时性能不好且不便于自动调节，工程实用性较差。交流信号发生器主要由信号发生器和产生调幅、调频、键控信号两部分组成。正弦波信号发生器可采用多种方法实现，比如采用直接数字频率合成DDS技术，通过单片机进行控制，输出得到正弦信号，也可以通过单片机编程的方法实现，经D/A输出可得到正弦信号。具有频率稳定度高，频率范围宽，容易实现频率步进0.1 Hz。全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控。2 方案比较及认证 方案一：直接数字合成法，简称DDS。DDS是 Direct Digital Frequency Synthesis 的
7、简称，通常将此视为第三代频率合成技术，它突破了前几种频率合成法的原理,从”相位”的概念出发进行频率合成。这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位，还可以用DDS方法产生任意波形(AWG)。但是直接数字频率合成式(DDS)信号发生器，其电路实现起来不是很容易，需用的集成芯片较复杂，且需要其他外围器件，因而其成本较高它所使用硬件描述语言实现脉宽输出简化编程复杂度，其输出显示需要LED数码管与单片机合作使用，实现起来甚是困难。下面是整个系统的流程图： 图2-1 直接数字合成法系统结构图 方案二：采用锁相环频率合成技术，将压控振荡器的VCO的输出频率锁定在所需的频率之上，次方法
8、具有很好的窄带跟踪性，可以较好的选择所需的频率，抑制杂散的分量，其基本模型如图1所示。然而锁相环本身是一个惰性的环节，锁定时间长，频率串换时间长，并且模拟产生的正弦波，频率和相位都难以控制。下图是所想环频率合成技术的系统结构图： 图2-2 锁相环节频率合成系统结构图 方案三：通过函数产生芯片产生所需信号。采用MAX038函数产生芯片，通过设置管脚参数的输入，可设计组成产生幅频精度高而且易于调整的波形信号，得到的波形失真较小，而且能够得到较宽的频率范围很大，可应用于对电路参数要求苛刻的工作场所。 方案四：采用单片机编程的方法来实现。即采用AT89C51单片机和DAC0832芯片以一定的模拟数字电
9、路，通过编程可以产生正弦交流信号。不但设计简单，而且可以很简便的通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，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。调节幅度和频率，扩展性强。 方案一所产生的信号信号频率准确，频率分辨率高，易于控制，但是用到的元件较多，而且线路连接较为复杂，对单片机的编程要求也过高，方案二和方案三应用的是对电路参数要求较高的场合，电路连接复杂，转换时间长，而且频率精度达不到要求，方案四通过软件控制硬件的方法来实现，使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证。 综合以上考虑，本设计采用方案四较合适。3
10、 硬件简介3.1 单片机AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C51的主要特性： 8031 CPU与MCS-51兼容4K字节可编程FLASH存储器
11、(寿命：1000写/擦循环)全静态工作：0Hz-24KHz三级程序存储器保密锁定128*8位内部RAM32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路MCS-51系列单片机芯片均为40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装，其引脚示意及功能分类如图3-1所示: 图3-1 AT89C51引脚图MCS-51系列单片机的40个引脚中有2个专用于主电源的引脚，2个外接晶体的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口(P0.0P0.7) 为双向8位三态I
12、O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。 P1口(P1.0P1.7) 为8位准双向IO口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线(作为输入时，口锁存器必须置1)，可驱动4个TTL负载。 P2口(P2.0P2.7) 为8位准双向IO口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。一般作为扩展时地址总线的高8位使用。 P3口(P3.0P3.7) 为8位准双向IO口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。P3口也可作为AT89C51的一
13、些特殊功能口，如下所示：P3口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。综上所述，MCS-51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第2功能；单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组
