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1、. . .基于单片机的多功能函数信号发生器设计毕业论文目 录第1章 绪论11.1 课题研究背景11.2 单片机的特点和在信号发生器中的应用11.3 波形介绍32.3 单片机模块62.4 按键控制及显示电路设计102.5 D/A转换电路112.5.1 D/A转换的必要性112.5.2 DAC0832的特性及应用122.6 显示电路142.6.1 两个显示电路142.6.2 LCD1602工作原理162.7 放大电路212.7.1 放大电路设计212.7.2 LM358及其应用22第3章 软件仿真及程序编写243.1 仿真软件和编程软件243.2 整体电路仿真原理图263.3 程序编写思路及编写结
2、果273.4 仿真结果28第4章 硬件调试314.1 硬件电路焊接314.2 硬件调试及输出验证32结论33致谢34参考文献35附录136附录237.参考资料. . . . .第1章 绪论1.1 课题研究背景近年来，计算机的发展在我们生活中的各个领域都有的很大的进步，以单片机为核心的一些智能产品也越来越常见。信号发生器一直以来都是实验中的重要工具。在科技不断发展的同时，我们也有了很多新的测试仪器和测试手段。所以信号发生器也在测试仪器中扮演者很重要的角色，因此研究和设计信号发生器有着很重要的意义。而研究者也可以根据信号发生器产生的各种波形来完成各种实验和研究，比如说可以测定信号发生器产生信号的各
3、种参数，也可以用产生的已知信号作为其他电路的激励源。实验室中常用的传统信号发生器大多为纯硬件电路搭建，比如一般情况下，实验室会采用555等一些特殊芯片来设计信号发生器，此电路可以产生正弦波、三角波和方波。像这种由特殊芯片设计的纯硬件电路，它们虽然不采用单片机，但是产生出来的波形有很多缺点，比如说可调围小。同时这种电路设计复杂，成本高，控制也不够灵活精确。而且由于现在制造工艺的问题，纯硬件信号发生器所需要的大电容电阻也比较难制造，同时它们的精度也难以保证。所以现在各国对信号发生器的研究也加大了很多，我们也理应当对信号发生器做更深层次的研究和探索。本文则利用单片机控制的灵活性、外设处理能力较强等特
4、点，实现幅度与频率可调的多种函数波形，这就克服了传统信号发生器的缺点，同时根据程序的易调节与易控制的特点，比较容易、方便实现调频功能，具有良好的实用性。1.2 单片机的特点和在信号发生器中的应用当今社会是科学技术和设备仪器高度智能化飞速发展的信息化社会，电子科学技术也在发展和进步，这些技术的发展正在一点点的改变社会。单片机的应用在现代电子技术领域中在不断扩大，所以这也引起了传统控制和检测技术的改变。而单片机在智能设备仪器和智能家居中系统和智能办公系统等很多领域都得到了很广泛的应用，因为用单片机构成的仪器有很高的可靠性和性价比。就因为单片机具有很多优点，应用也越来越广泛，所以单片机的发展水平也逐
5、渐成为了一个国家工业发展水平的象征。由于单片机的部集成了指令系统，并且由于它的特殊结构，所以在一定程度上，一块单片机就可以当做一台简易的电脑，而一般计算的作用是在某些特定领域完成一些专业任务，但是一般情况下，配备了一些外设的一块单片机系统则可以做到。所以相比较庞大的专用计算机来讲，小巧的单片机不仅携带方便、价格便宜，同样也能完成这些专业工作，所以单片机得到了空前的发展。以下总结单片机的一些特点：（1）性能优异，性价比高单片机的性能很高，因为一些常用的存储器和能实现各种功能的I/O口都会被集成到单片机芯片，单片机随时都可以很方便地进行调用，而不再用对接口进行扩展。相对于性能优异，单片机的价格却比
6、较低廉，所以说单片机具有很高的性价比。（2）控制能力强单片机的体积虽然比较小，但却它却有各种功能部件。所以它能有很多专门的用途，比如说专门的控制。在同一个领域中，单片机控制能力和运行速度一般要比专用微型计算机更高，因为单片机部一般都设有各种转移指令和其他的各种丰富的指令系统，让它能在各个领域完成一些较为困难的任务。（3） 集成度高、体积小、可靠性高单片机芯片的集成度很高，跟其他芯片相比，单片机部集成了很多功能部件；而部各部件之间又采用总线结构，所以就减少了部件之间的接线，这大大见笑了单片机的体积，并且提高了单片机的运行能力；单片机体积小，所以可以嵌入到各种仪器中去，单片机成本低，也会致使以单片
7、机为主控的设备价格便宜，单片机性能稳定且寿命长，所以能保证设备稳定运行，免于频繁的维护维修。（4） 低电压、低功耗普通单片机的工作电压为5V，相比于其他家用设备，单片机功耗更低，所以由单片机控制的许多家用设备就更省电，并且现在许多单片机的工作电压应经降低到2V了，有的甚至可以工作在0.9V的电压下，功耗自然也就降低了很多，所以能保证设备的长期运行而又不用担心耗电问题。1.3 波形介绍正弦波正弦波可以说是我们最熟悉的一种波形，不仅在数学中能学到，而且在实际中也经常用到，比如说我们家用的220V交流电就是正弦波交流电，正弦波在我们的实验中也经常用到，正弦信号可用下式表示：f (t)=Asin(t+
8、 ) （1）其中，A 为振幅， 为初相位， 是角频率。正弦函数一周期信号如图1-1所示：图1-1 正弦波方波方波函数是我们在实验室中经常用到的一种波形，比如我们常把频率较大的方波作为脉冲使用，当方波的低电平为0时，高电平就是一个脉冲。它的表示形式如下： （2）而矩形波则是方波的下半周期的幅值为0时的一种波形，是方波的一种特殊形式，不再进行详细描述。方波波形如下图1-2：图1-2 图形锯齿波锯齿波如图1-3所示：图1-3 锯齿波图形三角波三角波波形如图1-4所示：图1-4 三角波图.第2章 系统设计2.1 方案选择方案一：利用8038等一些单片机的函数发生器的传统方式就可以比较容易地产生出我们常
9、用的正弦波和方波波形等。然后用数/模转换元件对输出的电压进行调节，也可以用数字调控对输出频率进行调节，但用这种方法产生的频率不稳定。方案二：采用频率合成器。我我们可以用锁相环式的频率合成器对所选择的波形频率用压控振荡器（VCO）进行选定。相比于第一种方法，这种方法产生出来的波形具有良好的性能，但是输出波形的频率难以突破某个围的限制。最重要的一个缺点是，用这种方法构造的电路比较复杂。方案三：可以利用对单片机进行编程的方法来实现波形的产生。比如我们可以拿AT89C51作为信号发生器的主控芯片，对单片机编程使其输出各种波形的数字量，然后再用D/A转换模块把输出的数字波形信号转换成模拟波形信号。这个D
10、/A转换模块我们可以选择DAC0832来完成，转换后的模拟信号再经过运放进行两级放大后输出，最终可以在示波器上显示输出波形。输出波形的种类的切换则可以用I/O口外接按键来实现3。综合以上各种方案我们可以比较出，方案一利用传统方法输出的函数信号频率不稳定，而方案二使用锁相环式的频率合成器的电路构造又比较复杂，频率的围也难以有所突破。所以在进行比较之后，我决定采用第三种方案的思路。第三种方案，用编程的方法可以很方便地通过调节硬件从而调节输出波形的参数，并且方案三中所用到的一些元件的价格相对都比较低，所以比较适合用来完成毕业设计。2.2 框图设计基于单片机的函数信号发生器有以下几部分组成；AT89C
11、51主控电路，外接按键电路，复位电路，电源电路和信号输出电路，框图如下图2-1所示：复位电路.按键电路.AT89C51主控电路.输出电路.电源电路.图2-1 函数信号发生器系统构成图函数信号发生器的主控部分就是AT89C51单片机，通过编程软件对程序进行编写，烧录到AT89C51里面后就可以产生不同数字波形信号，也可以通过单片机外接按键对输出波形的频率和幅度进行调节和改变。而单片机通过编程输出的波形是数字信号，当经过与单片机连接的数模转换模块DAC0832后，数字信号就可以被转换成模拟信号。而输出波形的幅度则可以通过两级放大进行调节。图2-1中的输出电路包含了D/A转换电路和运放调整电路。图2
12、-2为此次设计函数信号发生器的原理图：6输出波形.滤波放大.D/A转换.接口电路.89C51单片机.图2-2 信号发生器原理框图2.3 单片机模块 AT89C51单片机片有一个4KB的ROM/EPROM，因此只需要在外部接入晶振电路和复位电路就可以构成单片机最小系统了，所以单片机最小系统主要由电源、复位电路、振荡电路以及扩展部分组成1。最小单片机系统如图2-3所示。.图2-3 单片机最小系统.该最小系统的特点如下：（1） 由于没有扩展存储器和外设，P0、P1、P2、P3都可以作为用户I/O接口使用。（2） 片数据存储器大小128B，空间地址为00H7FH,片外没数据存储器。（3）片有4KB的程
13、序存储器，地址为0000H0FFFH，没有偏外存储器，.应接高电平。（4）有两个定时/计数器T0和T1可以使用，一个全双工串行通信接口，5个中断源。6电源供给模块：对于任何一个电子设备来讲，电源是整个设备正常运行的根本，所以供电系统是单片机系统运行的前提，所以单片机系统平稳运行的前提就是有一个稳定的电源系统。我们在实验中发现，虽然51单片机作为经典的一种单片机芯片，但是提供的电源供电模块不够稳定，那么51单片机的运行就可能会受到影响，比如在运行中如果受到了外界的干扰，则51单片机很有可能会出现程序跑飞的现象。所以为了保证单片机能正常平稳地运行，就要给它提供一个稳定的电源。可以使用外部稳定的5V
14、电源供电模块供给，比如说可以用手机充电器（5V）给最小系统供电。晶振电路工作原理及应用： 单片机系统里都含有晶振，单片机系统里的晶振作用很大，晶振的全称是晶体振荡器，晶体振荡器可以根据部的特殊电路产生一定的时钟频率，就可以提供给单片机使用，理论上来讲就是晶振产生的频率信号就是单片机的时钟信号。晶振产生的平率代表着运行速度，因为单片机的一切指令都是基于晶振产生的频率上的，所以频率越大，单片机的运行速度就越快。晶振能够把电能转化为机械能，并且能在转化过程中的共振状态下工作，一般情况下，普通晶振的频率精度可以达到50%，而且有些晶振可以通过外部电压的变化，调整部产生的频率大小，这种晶振成为压控振荡器
15、（VCO）。晶振的精确度也关系着单片机的精确度。比如说用单片机设计秒表和时钟系统，单片机就对频率的精确度要求很高。所以在某些特定情况下，单片机就需要一个很精确的晶振频率。通常情况下，一个单片机系统会共用一个晶振，所以各部就会在同一个频率下运行，这样会保证各系统之间运行同步。而在某些特殊情况下，某些通讯设备和射频模块会使用两个晶振，这样是为了使用方便，但是为了保证各部分能够同步运行，人们会采取电子调整晶振频率的方法使得两个晶振产生的频率相同，从而保证不同晶振系统能同步运行。而有些特殊的系统中各个子系统需要的频率不同，可以使用两个晶振为其提供时钟频率，也可以通过一个晶振搭配不同的锁相环来提供不同的时钟频率。所以通常情况下，晶振会搭配锁相环为单片机系统提供时钟频率。此次设计使用的AT89C51只需要外接晶振和两个电容就可以构成单片机最小系统，晶振了两端的电容一般大小为15pF-50pF，我们查阅资料后采用22pF的瓷片电容搭配12MHz的晶振来为单片机提供时钟信号。因为51单片
