基于AVR单片机的信号发生器设计毕业论文

《基于AVR单片机的信号发生器设计毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于AVR单片机的信号发生器设计毕业论文（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、基 于 AVR 单 片 机 的 信 号 发 生 器 设 计The design of signal generator based on AVR SCM中 文 摘 要信号发生器在科技领域和生产实践中有着非常广泛的应用。在电子测量实验课程建设中，为了使学生深入了解信号发生器的原理以及工作流程，开发一套简易、实用的信号发生器具有重要的意义。在查阅大量文献资料的基础上，通过对几种常用设计方案的对比分析，得出直接数字频率合成(DDS)技术设计的信号发生器具有控制灵活、频率分辨率高、相位连续、切换速度快、输出相位噪声低和可以产生任意波形等优点。本文基于 AVR 单片机，采用 DDS 设计方案，对信号发生

2、器的硬件设计和软件实现做了详细的分析,完成了软硬件的设计和调试，开发了一套用于实验教学的信号发生器。该仪器通过键盘控制及 LED 显示，实现了方波、正弦波、三角波和扫频波的输出，并且输出幅度、频率在一定范围内可调。通过研究与实践，所研制的信号发生器已经能够满足实验室教学需求。关键词 信号发生器 AVR 单片机 DDS 键盘控制目 录1 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.2 国内外研究现状及发展趋势1.3 本文主要研究的内容及指标要求2 系统方案设计与选择2.1 系统方案的设计2.2 系统方案的选择2.3 本章小结3 硬件系统的设计3.1 系统原理总体设计3.2 系统子模块电路设计3.3 本章

3、小结4 软件系统的设计4.1 软件系统总体流程的设计4.2 软件系统子模块流的设计 4.3 本章小结5 系统测试5.1 系统测试情况5.2 本章小结总结参考文献致谢1 绪 论1.1 课题研究的背景及意义信号发生器又称为信号源或者振荡器，在科技领域和生产实践中有着十分广泛的应用，如熔炼、高频感应加热、超声诊断、淬火、核磁共振成像等，都需要频率或者高或者低、功率或者大或者小的振荡器，信号发生器作为一种基础的仪器，市场上有很多成品 1。在电子测量实验课程建设中，为了让初学者更好的深入了解它的原理，以及工作流程，使初学者能够参与到开发信号发生器的工程当中，开发一套简易的，实用的，容易上手的信号发生器是

4、非常有必要的。本课题就是在上述背景下，基于 AVR 单片机进行信号发生器的设计，开发出适合实验教学用的信号发生器设备，辅以键盘控制以及 LED 显示，实现方波、正弦波、三角波和扫频波的输出，且输出幅度、频率在一定范围内可调。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 信 号 发 生 器 的 分 类(1)按 照 频 率 的 范 围 分 类信 号 发 生 器 按 照 测 量 得 频 率 范 围 可 分 为 微 波 信 号 发 生 器 、 低 频 信 号 发生 器 和 高 频 信 号 发 生 器 。低 频 信 号 发 生 器 ： 包 括 视 频 （ 1Hz 10MHz） 和 音 频（ 200Hz 2

5、0000Hz） 范 围 的 正 弦 波 信 号 发 生 器 。 主 振 级 一 般 采 用 RC 式 振荡 器 ， 或 者 用 差 频 振 荡 器 2。高 频 信 号 发 生 器 ： 频 率 为 100KHz 30MHz 的 高 频 、 30MHz 300MHz的 甚 高 频 信 号 发 生 器 。 一 般 为 LC 调 谐 式 振 荡 器 3。 (2)按 照 频 率 改 变 的 方 式 分 类信 号 发 生 器 按 照 频 率 改 变 的 方 式 可 分 为 调 扫 频 式 信 号 发 生 器 、 频 率 合成 式 和 程 控 式 信 号 发 生 器 信 号 发 生 器 。 扫 频 、 程

6、控 信 号 发 生 器 ： 扫 频 信 号 发 生 器 能 产 生 幅 度 恒 定 、 频 率 在 限定 的 范 围 内 作 线 性 变 化 的 信 号 发 生 器 。 扫 频 信 号 发 生 器 分 为 手 控 、 自 动 扫频 、 远 控 和 程 控 等 工 作 方 式 4。 频 率 合 成 式 ： 频 率 合 成 式 发 生 器 的 信 号 不 是 直 接 由 振 荡 器 产 生 的 ， 而是 用 高 稳 定 度 的 石 英 振 荡 器 来 作 为 标 准 的 频 率 源 ， 利 用 频 率 合 成 的 技 术 形成 所 需 的 任 意 频 率 的 信 号 ， 这 个 信 号 拥 有 与

7、 标 准 的 频 率 源 相 同 的 频 率 稳 定度 和 准 确 度 5。(3)按照输出信号的波形分类信 号 发 生 器 按 照 输 出 信 号 的 波 形 分 类 可 以 分 为 函 数 信 号 、 随 机 信 号 和脉 冲 信 号 发 生 器 等 。函 数 信 号 发 生 器 ： 又 称 为 波 形 信 号 发 生 器 。 它 能 够 产 生 特 定 的 函 数 波 形（ 主 要 是 三 角 波 、 正 弦 波 、 方 波 、 脉 冲 波 和 锯 齿 波 等 ） 信 号 。 频 率 范 围 可从 几 uHz 的 超 低 频 直 到 几 十 MHz6。脉 冲 信 号 发 生 器 ： 能 够

8、 产 生 幅 度 、 频 率 和 宽 度 可 调 的 矩 形 波 脉 冲 的 信 号发 生 器 7。1.2.2 国 内 外 研 究 现 状 及 发 展 趋 势国 内 外 对 于 信 号 发 生 器 的 研 究 主 要 经 历 了 如 下 几 个 阶 段 ：1234。 。 。 。 。国 内 ， 某 某 或 者 哪 个 单 位 *基 于 什 么 方 法 研 究 了 什 么 信 号 发 生 器 器 ，国 外 ， 哪 个 国 家 研 究 了 什 么 信 号 发 生 器 ， 。 。 。 。 。 。综 述 国 内 外 研 究 现 状 ， 可 以 看 出 信 号 发 生 器 向 着 。 。 。 。 。 趋

9、势 发 展 。1.3 本文主要研究的内容及指标要求电子测量原理实验平台的开发，是实现和完成电子测量课程的最行之有效的手段和工具。本课题主要对信号发生器的原理进行学习，并开发一套用于教学的仪器设备。这套仪器主要采用 AVR 单片机、DDS 模块、LED、键盘产生方波、正弦波、三角波和扫频波及实现输出幅度、频率在一定范围内可调及显示。主要研究内容包括如下几个方面：(1)第一章的内容概述。(2) 第二章的内容概述。(3) 第三章的内容概述。(4) 第四章的内容概述。(5) (6)进行全文总结，并给出下一步研究建议。具体指标要求：(1)双通道同时输出波形，且互不影响；(2)输出波形为正弦波，三角波，方

10、波；(3)输出波形振幅是 500mV3V，步进 500mV。误差为10% ；(4)输出波形频率是 500Hz3000Hz，步进 100Hz，误差为5% ；(5)方波占空比可调；(6)输出扫频波，扫频范围 500Hz10kHz；(7)李沙育图形的观测；2 系统方案设计与选择2.1 几种常用的系统设计方案2.1.1 基于函数波形发生器的设计方案利用专用的函数波形发生器芯片来产生所需要的波形。这样产生的波形相对来说比较稳定，质量比较高，使系统得稳定度会有所提升。图 2-1 ICL8038 内部结构图ICL8038 的内部结构图如图 2-1。它的频率范围较宽、频率稳定度很高、外围电路比较简单。芯片工作

11、时能输出 0.001Hz 300KHz 的正弦波、三角波、矩形波等函数波形。假如 A、B 的恒流值分别是 、 。并令 =2I=2 。在触发器置零的时候，1I22I1I模拟开关 SW 将会断开，此时恒流源 B 将被断开，仅有恒流源 A 向电容 C 充电。电容 C 的电压 Vc 上升，在 Vc 到达 2 /3 时，比较器将输出高电平，此时V触发器将置一，模拟开关 SW 将会接通。这一时刻恒流源 A,B 都将起作用，但恒流源 A 对电容 C 正向充电，恒流源 B 对电容 C 反向充电，所以实际的电流为= - =I，电流与正向电流在数值上是相等的，方向是相反的。将会 下反I21 CV降。在 到达 /3

12、 时，比较器将会输出高电平，此时触发器置将零，模拟CV开关 SW 将会断开，此时恒流源 B 将不再起作用，只有恒流源 A 对电容 C 充电。如此循环下去。可以看出，电容器两端的波形即为三角波，并且经由缓冲器输出，触发器 Q 端的波形即为占空比为 50%的方波，经由缓冲器输出 8。三角波经过正弦波变换器可产生出正弦波，正弦波变换器可使三角波尖端变得平滑，形成理想的正弦波。图 2-2 ICL8038 构成的精密函数发生器图 2-2 为 8038 构成的精密函数发生器电路。图中 R1 和 R2 为可调电阻，调节这两个电阻的阻值，就可以改变输出波形的频率和矩形波的占空比。如将R1 与 R2 换作数字电

13、位器，则对其输出得波形频率可以数字控制。将其输出的三路信号接至模拟开关，可以选择接通其中一路，然后将这一接通的信号输入到程控放大器，可对信号幅度进行调节。2.1.2 采用 D/A 方式的设计方案D/A 方式，也就是采用 DAC 芯片，直接将数字量转化为模拟量。对信号的波形，频率，幅度等等所有得参数，均可在程序当中调整。大大简化了硬件电路的复杂程度。图 2-3 DAC0832 内部结构例如采用芯片 DAC0832，如图 2-3，它由倒 T 型 R-2R 电阻网络、运算放大器、模拟开关和参考电压四部分组成。运算放大器输出 Vo 为： )2*2*(2* 01DDRVNnnfEFo A可见，输入的数字

14、量和输出的模拟量是成正比，从而实现了从数字量到模拟量的转换。DAC9832 有 8 个数据输入端，一个模拟输出端。输入可以是 256个不同的 8 位二进制数，输出也是 256 个可能值。不会取到整个电压范围的任意值。典型的应用电路（图 2-4） 9。将不同的波形，不同的幅度所对应的数据值存成数据表，就可以输出所需的波形，频率，幅度，以及占空比。用这种方法产生的波形可控性及可操作行比较强，由于波形的产生与变换均依靠于软件，因此使得系统的稳定性要低一些。虽然这种方法大大简化了硬件电路，但是加大了软件编写的难度。图 2-4 DAC0832 典型应用电路2.1.3 采用 DDS 的设计方案DDS 是直

15、接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。如 图 2-5， 一 块 DDS 芯 片 中 主 要 包 括 频 率 控 制 寄 存 器 、 高 速 相 位 累 加 器和 正 弦 计 算 器 三 个 部 分 10。图 2-5 DDS 内部原理通过控制器控制它的控制端，可以得到所需频率的正弦波。然后将这一正弦波通过比较器，得到所需的方波，将方波进行积分可得到三角波。将这三个波形输入到模拟开关，有选择的导通其中一种波形，将其输出接至程控放大器，即可控制其幅度的大小。这一方案所用的硬件电路较多，但对于软件的编写相对比较容易。2.2 系统方案的选择2.2.1 基于

16、精确度角度对系统方案的选择由精确度的角度出发，第一种方案采用函数波形发生器专用芯片直接产生波形，这样的波形比较稳定，但由于频率和占空比的调节需要数字电位器，因此它的精确度相对来说比较差。第二种方案采用 D/A 的方式产生各种不同频率不同幅度的波形，精确度主要取决于 D/A 的分辨率以及控制器和 D/A 的速度。如果输出一个频率相对较高的正弦波，在控制器速度不是很高的情况下，波形会失真。因此用这一方案实现的信号发生器的精确度相对来说也不是很好。第三种方案采用 DDS，频率通过改变控制字来改变，在几十兆晶振的时钟频率下，对频率的控制可以达到很好的精确度。因此这一方案是精确度最高的。2.2.2 基于难易度角度对系统方案的选择由难易度的角度出发，第一种方案采用函数波形发生器专用芯片直接产生波形，使得硬件电路比较简单。