《基于单片机的信号发生器设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的信号发生器设计（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、兰州工业高等专科学校毕业论文 目录1 绪论12 系统概述和设计方案42.1 论文的内容和组织42.2 方案论证42.3 信号发生芯片选择42.4 方案框图设计及基本控制原理53 函数发生器的确定73.1 MAX038芯片介绍73.2 MAX038的管脚功能83.3 MAX038的工作原理94 系统硬件设计124.1 系统硬件总体设计124.2 8051单片机的介绍124.2.1 8051的引脚134.2.2 8051的定时器/计数器功能154.2.3 8051的中断系统194.3 8279可编程键盘/显示器接口204.3.1 8279芯片引脚排列204.3.2 8279管脚、引线及功能说明20
2、4.4 8051与8279的连接224.5 译码器224.6 74LS373锁存器234.7 DAC0832芯片介绍244.7.1 DAC0832简介244.7.2 DAC0832引脚功能说明254.8 键盘及显示电路274.8.1 LED显示电路274.8.2 键盘及接口电路284.9 信号电路314.10 电源电路的设计325 系统软件的设计335.1 主程序流程图335.2 子程序流程图34系统分析与总结35致谢36参考文献37附录381 绪论基于单片机的信号发生器设计，该课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，考察现在正在使用的信号发生器的基本功能，完成一个基本的实际系统的设计
3、全过程。关键是这个实际系统设计的过程，在整个过程中我可以充分发挥自动化的专业知识。特别是这个信号发生器的设计中涉及到一个典型的控制过程。通过单片机控制一个有特殊功能的信号发生芯片，可以产生一系列有规律的幅度和频率可调的波形。这样一个信号发生装置在控制领域有相当广泛的应用范围。在现代社会中，自动化技术已经渗透到社会生活的各个领域中。在超声波测量技术中,超声换能器(发射换能器和接收换能器) 是超声波检测技术的核心部件。高精度、宽频率范围、高稳定性的激励源对于发射换能器及超声检测系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。传统的波形发生器通常由晶体管、运放IC 等分离元件制成。与此相比,集成芯片的波形发
4、生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点。其中，信号发生器是自动化领域中的一个典型应用。因为现代的自动化控制中基本都会利用信号来控制设备的工作。利用信号的产生进行仪器的控制已经是自动控制中的一个重要的手段，那么一个幅度、频率、占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有使用价值。只要将这个信号发生器设计的基本思路掌握，不但可以融会贯通所学的专业知识还可以在以后工作中利用到，作为用来控制其他设备或设计的一个参考。信号发生器是电子实验室的基本设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，且许多功能用不上。本文介绍一种由集成电路MAX038设计的简易
5、信号发生器，该仪器结构简单，虽然功能及性能指标赶不上标准信号发生器，但满足一般的实验要求。其成本低、体积小、便于携带等特点，亦可作为电子产品维修人员的重要随身设备之一。波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应 用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成,且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备,传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用 555 振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大
6、等缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的进步，给人们带来了根本性的转变。现代电子领域中，单片机的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统控制与检测技术的日益革新。单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格比，在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛
7、的应用，并走入家庭，从洗衣机、微波炉到音响汽车，处处可见其应用。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。一块单片机芯片就是一台计算机。由于单片机的这种特殊的结构形式，在某些应用领域中，它承担了大中型计算机和通用微型计算机无法完成的一些工作。使其具有很多显著的优点和特点，因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。单片机的特点归纳起来有以下几个方面。具有优异的性能价格比单片机尽可能地把应用所需的存储器,各种功能的 I/O 接口集成在一块芯片内,因而其性能很高,而价格却相对较低廉,即性能价格比很高。 集成度高、体积小、可靠性高单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因而集成度
8、高，均为大规模或超大规模集成电路。又内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，这大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。同时，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。控制功能强单片机体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作指令以及位操作指令。其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。低电压、低功耗单片机大量用于携带式产品和家用消费类产品,低电压和低功耗尤为重要。目前，许多单片机已可在 2.2V 电压下运行,有的能在1.2V或0.9V 下工作，功耗降至uA 级,一粒钮扣电池就
9、可长期使用。利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其下限频率很低。具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。 这里介绍一种采用 8051单片机和一片 MAX038信号的芯片信号发生器，它的特点是价格低、性能高，在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等。信号发生器与其它相比还具有如下优点：较分立元件信号发生器而言，具有频率高，工作稳定容易调试等特性；较专用MAX038芯片的信号发生器而言，具有结构简单，成本低等特性。本文主要分五大部分：绪论、
10、系统概述和设计方案、硬件部分、软件部分，总结。绪论，首先对课题研究背景和所涉及的相关技术领域进行了介绍；第一章对系统所要完成的功能和可扩展的功能进行描述，确定系统的设计方案主要参数计算，第二章对系统的硬件结构和各部分组成作了简要的介绍和讲解；第三章是软件部分，这部分重点介绍了主程序的流程框图及各个子程序的流程框图以及IC的驱动程序。2 系统概述和设计方案2.1 论文的内容和组织本文提出并设计了一种基于8051微处理器控制的MAX038信号发生芯片的信号发生器设计。文中详细介绍了该系统的原理、构成及其设计方法，着重分析了以美国MAXIM公司生产的高频信号发生芯片MAX038为核心的精密多波形高频
11、函数信号发生系统的软硬件原理，并开发了基于8051微处理器的软件程序。本次设计的基于单片机的信号发生器设计就是设计一个单片机控制系统，对信号发生芯片进行的控制。通过这个单片机对信号发生芯片进行精密控制，实现对波形的选择，频率、占空比以及波形幅度的控制。这些控制可以通过键盘设定。这就要求对选择的信号发生芯片，选用的单片机有初步的了解，并且对整个系统的结构有个合理地分配。2.2 方案论证方案一：直接利用单片机编程产生三角波，方波，锯齿波。优点：简化了用于产生波形的硬件和软件,特别适用于交流感应电动机和直流电机的速度控制以及变频电源的SPWM 控制。缺点：编程复杂，波形失真较大，并且不能达到要求输出
12、的高频率信号。方案二：利用单片机控制波形信号产生芯片,通过单片机，键盘，显示实现波形的数字控制。优点：控制简单,波形效果好,频率带宽。缺点：硬件电路复杂。为了满足设计要求，取得较好的效果。显然方案二较为理想。2.3 信号发生芯片选择目前，集成化的函数波形发生器大多采用ILC8038 或5G8038，但它们只能产生300kHz 以下的中、低频的正弦波、矩形波（含方波）和三角波（含锯齿波），而且频率与占空比不能单独调节，两者互相影响，这就给实际应用带来了许多不便。此外，这些芯片的扩展功能较少，调节方式也不够灵活，且无法满足高频精密信号源的要求。美国MAXIM（马克希姆）公司应市场的需求而研制的MA
13、X038 型单片集成高频精密函数发生器具有较高的频率特性、频率范围很宽、功能较全、单片集成化、外围电路简单、使用方便灵活等特点。2.4 方案框图设计及基本控制原理如图2.1所示，利用单片机8051对主信号发生芯片进行数字控制。因为MAX038原是模拟量控制型芯片，所以中间要通过数模转换电路，对MAX038产生的波形信号进行频率，占空比，幅度的控制，以及产生波形的控制。 MAX038的输出频率主要受振荡电容CF ,IIN端电流和FADJ端电压的控制,其中前二者与输出频率的关系如图2.1所示。选择一个CF 值,对应IIN端电流的变化,将产生一定范围的输出频率。另外,改变FADJ 端的电压,可以在I
14、IN 控制的基础上,对输出频率实现微调控制。为实现输出频率的数控调整,在IIN端和FADJ端分别连接一个电压输出的DAC。首先,通过DAC 产生0V(00H)到2.5V(0FFH) 的输出电压,经电压/电流转换网络, 产生单片机数/模转换器MAX038波形发生器键盘显示输出驱动电路输出图2.1 方案框图0A到748A的电流,叠加上网络本身产生的2A电流,最终对IIN 端形成2A到750A 的工作电流,使之产生相应的输出频率范围。DACB将此工作电流范围分为256级步进间隔,输出频率范围也被分为256级步进间隔。所以,IIN端的电流对输出频率实现粗调。第二步,通过DACA 在FADJ端产生一个从
15、- 2.3V(00H)到+ 2.3V(0FFH)的电压范围,该范围同样包含256级步进间隔，IIN 端的步进间隔再次细分为256级步进间隔，从而在粗调的基础上实现微调。3 函数发生器的确定3.1 MAX038芯片介绍MAX038是MAXIM公司生产的一个只需要很少外部元件的精密高频波形产生器，在适当调整其外部控制条件时，它可以产生准确的高频方波、正弦波、三角波、锯齿波等信号，这些信号的峰值精确地固定在2V，频率从0.1Hz-20MHz连续可调，方波的占空比从10%-90%连续可调。通过MAX038的A0、A1引脚上电平的不同组合，可以选择不同的输出波形类型。（1）其性能特点如下：0.1 Hz20MHZ工作频率范围；1585可变的占空比；低阻抗输出缓冲器：0.1；低失真正弦波：0.75；低温度
