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1、浙江农林大学天目学院本科生毕业设计（论文）低频信号发生器设计摘要：本文设计低频信号发生器，以AT89C52 单片机为核心，通过键盘输入控制信号类型和频率的选择，采用D/A 转换芯片输出相应的波形，同时以LCD 显示器进行实时显示信号相关信息。软件采用C 语言，可实现正弦波，方波和三角波三种波形的产生，且波形的频率可调。经测试该设计方案线路简单，结构紧凑，性能优越，价格低廉，满足设计要求。关键字：低频信号发生器，单片机，D/A转换Low frequency signal generator designAbstract：Low frequency signal generator is desi
2、gned, with AT89C52 single-chip computer as the core, through the keyboard input control signal type and frequency of choice, using D/A conversion chip output corresponding waveform, at the same time with LCD real-time display signal information. Software using C language, which can realize sine wave
3、, square wave and triangular wave, three kinds of waveform and waveform frequency is adjustable. The test design of the circuit is simple, compact structure, superior performance, low price, meet the design requirements.The keyword：Low frequency signal generator，Single chip microcomputer，D/A convers
4、ion 目录1 绪论11.1 研究的目的及其意义11.2 国内外研究现状11.3 主要内容和目标21.3.1 内容21.3.2 目标22 方案研究32.1 总体方案论证与设计32.1.1 信号发生电路方案论证32.1.2 单片机的选择论证32.1.3 显示方案论证32.1.4键盘方案论证42.2总体系统设计43 硬件电路设计53.1硬件原理框图53.2模块具体设计53.2.1单片机最小系统的设计53.2.2波形产生模块设计83.2.3显示模块的设计113.2.4键盘显示模块的设计114 软件设计134.1软件总体设计134.2软件流程图134.3仿真134.3.1 方波144.3.2 三角波1
5、54.3.3 正弦波165 调试175.1 调试过程175.2 调试结果17结论19设计心的及体会19致谢20参考文献21附录一 源程序22附录二 系统电路图291 绪论1.1 研究的目的及其意义随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率、精度、多功能、自动
6、化和智能化方向发展。在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、材料试验、动态分析、机械振动试验、生物医学、教学实验等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，正弦波、矩形波和锯齿波信号是常用的基本测试信号。在示波器、电视机等仪器中，为了使电子能够按照我们想要的规律运动，从而在荧光屏上显示图像，就经常用到锯齿波信号发生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、 通讯等领域都得到了广泛的应用。但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们
7、研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。便携式和智能化越来越成为仪器的基本要求，对传统仪器的数字化，智能化，集成化也就明显得尤为重要。平时常用信号源产生正弦波，方波，三角波等常见波形作为待测系统的输入，测试系统的性能。单在某些场合，我们需要特殊波形对系统进行测试，这是传统的模拟信号发生器和数字信号发生器很难胜任的。利用单片机，设计合适的人机交互界面，使用户能够通过手动的设定，设置所需波形。该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的了解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：波形的设定，D/A 转换，显示和各模块的连接
8、通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。1.2 国内外研究现状在 70 年代前，信号发生器主要有脉冲波发生器与正弦波发生器两种，函数发生器就介于两类之间，能够提供几种常用标准波形，比如正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等，然而如果需要产生其它波形，则要使用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模电技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且电路结构非常复杂。同时还有两个比较突出的问题，一是输出频率的调节需要通过电位器来实现，所以使频率很难
9、在一个值固定；二是脉冲的占空比不可调节。在 70 年代后，随着微处理器的出现，可以使用处理器、A/D和 D/A模块，硬件和软件使波形发生器的功能变得越来越全面，继而产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC 的程序控制，就可以得到各种简单的波形。 二十一世纪，由于集成电路技术的发展极其快速，所以出现了很多工作频率可以超过 GHz的 DDS 芯片，同时也极大的推动了函数波形发生器的发展。1.3 主要内容和目标1.3.1 内容根据设计目标通过调研、查阅相关资料确定以单片机和D/A转换器为核心的低频信号发生器方案。主要包括：1）电源电路设计；2）键盘电路设计；3
10、）D/A数模转换电路设计；4）信号放大及低通滤波电路设计；5）显示电路设计；5）应用软件（主程序及用于改变频率和信号类型的中断服务程序）设计等。1.3.2 目标设计出一款以单片机和D/A数模转换电路为核心的低频信号发生器。信号类型不低于3种。系统能显示信号类型及频率。通过该设计及安装调试，达到掌握小型电子系统设计方法和常用设计软件、调试仪器使用的目的。2 方案研究2.1 总体方案论证与设计2.1.1 信号发生电路方案论证 方案一：通过单片机控制D/A，输出三种波形。此方案输出的波形不够稳定，抗干扰能力弱，不易调节。方案二：使用传统的锁相频率合成方法。通过芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁
11、相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。方案三：利用MAX038芯片组成的电路输出波形。MAX038是精密高频波形产生电路，能够产生准确的三角波、方波和正弦波三种周期性波形。以上三种方案综合考虑，方案一电路简单、成本低；方案二，电路复杂，干扰因素多，不易实现；方案三成本高，程序复杂度高，所以选择方案一。2.1.2 单片机的选择论证 方案一：AT89C52单片机是一种高性能8位单片微型计算机。它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机、而且其价格便宜。方案二：C8051F005单片机是完
12、全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8052的数字外设部件，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，而且执行速度快。但其价格较贵以上两种方案综合考虑，方案一性价比高，价格便宜；方案二虽然执行速度快，但是其价格较贵，所以选择方案一2.1.3 显示方案论证 方案一：采用LED数码管。LED数码管由8个发光二极管组成，每只数码管轮流显示各自的字符。由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间隔小于1/16s时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。使用数码管显示编程较易，但要显示内容多，而且数
13、码管不能显示字母。方案二：采用LCD液晶显示器1602。以上两种方案综合考虑，方案一只能显示数字；方案二功率小，效果明显，显示编程容易控制，能显示字母，所以选择方案二。2.1.4键盘方案论证方案一：矩阵式键盘。该键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线都断开，行线都呈高电平。当某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线被短路。方案二：独立式键盘。该键盘的程序编制相当简单，但每个按键都会占用一条I/O线，当按键数量较多时，I/O口利用率相当低。所以该键盘适用于按键较少的场合。以上两种方案综合考虑，由于该设计所需按键较少，所以选择方案二。2.2总体系统
14、设计该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析以及信号的处理和变换，采用按键输入，利用液晶显示电路输出数字显示的方案。将设计任务分解为按键电路、液晶显示电路等模块。图2-1为系统的总体框图 主控芯片AT89C52D/A0832键盘显示放大输出图2-1 总体方框图3 硬件电路设计硬件原理硬件电路的设计决定一个系统的的功能，是设计的基础所在，而一般设计的目标：可靠，简洁，高效，优化，好的硬件电路可以给程序的编写带来极大的优势，同时使可以很好的提高该信号设计的精度和灵敏度，使整个系统工作协调有序。3.1硬件原理框图对于该低频信号发生器的设计，我们采用了以A
15、T89C52单片机芯片作为核心处理器，编程实现各种不同类型信号的产生，最后通过DA转换输出到示波器。结构简单，思路仅仅有条，而根据设计的基本要求，我们又把其细分为不同的功能模块，各个功能模块相互联系，相互协调，通过单片机程序构成一个统一的整体，其整体电路原理框图如图3-1所示： AT89C52复位电路DA转换按键波形显示功率放大图3-1 硬件电路基本图3.2模块具体设计3.2.1单片机最小系统的设计AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。用80C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3-
