基于單片機的低頻信號發(fā)生器的設(shè)計

本科畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 基于 單片機的低頻信號發(fā)生器 的 設(shè)計 龔珣 燕 山 大 學 2009 年 6 月 本科畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 基于 單片機 的 低頻信號發(fā)生器 的 設(shè)計 學院（系）： 電子工程系 專 業(yè)： 05 級通信工程 學生 姓名： 龔 珣 學 號： 051304031101 指導 教師： 張文武 王成儒 答辯 日期： 2009.6.17 燕山大學畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 學院： 里仁學院 系級教學單位： 電子與通信工程系 學 號 051304031101 學生 姓名 龔 珣 專 業(yè) 班 級 05 通信 4 班 題 目 題目名稱 基于 單片機的低頻信號發(fā)生器 的 設(shè)計 題目性質(zhì) 1.理工類： 工程設(shè)計 （ ）；工程技術(shù)實驗研究型 （ ）； 理論研究型 （ ）；計算機軟件型 （ ）；綜合型 （ ） 2.管理類 （ ）； 3.外語類 （ ）； 4.藝術(shù)類 （ ） 題目類 型 1.畢業(yè)設(shè)計（ ） 2.論文（ ） 題目來源 科研 課題 （ ） 生產(chǎn)實際 （ ） 自選 題目 （ ） 主 要 內(nèi) 容 1、學習 波形 信號發(fā)生器 的工作原理。 2、 通過比較選擇一種合適的單片機并了解其原理。 3、具有產(chǎn)生正弦波、三角波、方波三種周期性波形的功能。 4、輸出波形的頻率范圍為： 1 1000Hz。 基 本 要 求 1通過學習相應書籍和查閱 資料，了解課題研究的目的和意義，對課題目前的發(fā)展 有所了解和掌握。 2給出完整電路設(shè)計，包括電路原理圖 。 3完成畢業(yè)設(shè)計 論文 一份 ,格式符合燕山大學畢業(yè)設(shè)計論文規(guī)范， 并 用 Word排版。 參 考 資 料 1燕山大學網(wǎng)上圖書館。中國期刊全文數(shù)據(jù)庫。優(yōu)秀碩博論文 2相關(guān)元件的芯片手冊 3燕 山大學網(wǎng)上英文資料 .Eisevier 周 次 第 1 4 周 第 5 8 周 第 9 13 周 第 14 16 周 第 17 18 周 應 完 成 的 內(nèi) 容 收集資料 熟悉課題內(nèi)容 確定設(shè)計思路 設(shè)計系統(tǒng) 硬件 設(shè)計系統(tǒng) 軟件 系統(tǒng)設(shè)計 優(yōu)化 論文 撰寫 課題總結(jié) 準備答辯 指導教師： 張文武 職稱： 工程師 2009 年 3 月 3 日 系級教學單位審批： 年 月 日 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計 （論文） I 摘要 本文是基于單片機的低頻信號發(fā)生器的設(shè)計。我所設(shè)計的信號發(fā)生器是由單片機 AT89C51， D/A轉(zhuǎn)換器 DAC0832，低頻放大器 LM324和四位一體數(shù)碼管實現(xiàn)的。本系統(tǒng)輸出的電壓范圍是 0 5V，頻率范圍是 1 1000Hz，以電壓的方式輸出 正弦波、三角波和方波 信號，用數(shù)碼管顯示信號的頻率。 可通過鍵盤選擇輸出波形和調(diào)節(jié)頻率的大小。 該信號發(fā)生器具有操作簡便、靈活，性價比高和智能化的特點，可廣泛用于電子測量、調(diào)試工程中。 本文首先對信號發(fā)生器的原理，發(fā)展歷史進行了較全面的介紹，為本次設(shè)計奠定了扎實的基礎(chǔ)。其次，介紹了信號發(fā)生器的種類，通過對幾種不同低頻信號發(fā)生器的比較從中確定本次設(shè)計 方案 ， 并介紹其基本 設(shè) 計 原理。 其次， 通過 學習 AT89C51 和 DAC0832 的主要結(jié)構(gòu)和功能 ,設(shè)計了一種以這兩個芯片為核心的低頻信號發(fā)生器。本次設(shè)計主要是通過軟件控制整個電路系統(tǒng)，最后通過軟件的主程序流程圖和子程序流程圖介紹本系統(tǒng)軟件的工作過程。 關(guān)鍵詞 信號發(fā)生器 ； 單片機 AT89C51； D/A 轉(zhuǎn)換 ；低頻放大器 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） II Abstract This article is according to the low-frequency signal generator single-chip design. I designed the signal generator is made up with a single-chip microcomputer of AT89C51, D/A converter of DAC0832, low-frequency amplifier of LM324 and four-in-one digital control to achieve. The system can output the electric voltage biggest be worth for the 0-5 V. The frequency is a 1-1000 Hz Of rectangle wave, triangle wave, and sine wave， for third kinds of form signal.,output voltage waveform signal with a digital display signal frequency. The signal generator is simple, flexible, cost-effective and intelligent features, can be widely used in electronic measurement and testing work. This article first introduce signal generating device principle, the historical development has been carrying on the comprehensive introduction, has laid the solid foundation for this design. Secondly, introduced signal generating devices type, through to several kind of different low-frequency signal generators comparison definite this design proposal, and introduces its important job principle. Thridly, through studies AT89C51 and the DAC0832 primary structure and the function, has designed one kind of these two chips as the core low-frequency signal generator. This design is mainly through the software control entire circuitry, finally introduces this system software work process through softwares master routine flow chart and the subroutine flow chart. Keywords The signal occurrence machine； Monolithic machine AT89C51； D/A conversion； low noise amplifier III 目 錄 摘要 . I Abstract .II 第 1 章 緒論 . 1 1.1 課題背景 .1 1.2 信號發(fā)生器的發(fā)展歷史 .1 1.3 信號發(fā)生器發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀 .3 1.4 課題主要內(nèi)容和章節(jié)安排 .4 第 2 章 低頻信 號發(fā)生器的設(shè)計原理 . 6 2.1 信號發(fā)生器的種類 .6 2.1.1 按輸出信號頻率范圍分類 .6 2.1.2 按輸出波形分類 .6 2.1.3 按信號發(fā)生器的性能分類 .7 2.2 低頻信號發(fā)生器的方案設(shè)計 .7 2.2.1 方案一 .7 2.2.2 方案二 .8 2.2.3 方案三 .9 2.3 基于 AT89C51 信號發(fā)生器的方案設(shè)計及原理 .9 2.3.1 信號發(fā)生器的硬件電路設(shè)計方案 .9 2.3.2 信號發(fā)生器的軟件電路設(shè)計方案 . 11 2.4 本章小結(jié) .12 第 3 章 信號發(fā)生器的硬件部分 . 13 3.1 主要器件 .13 3.1.1 單片機芯片 AT89C51 .13 3.1.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC0832 .16 3.1.3 LM324 的結(jié)構(gòu)與功能 .18 3.2 單元電路設(shè)計 .19 3.2.1 時鐘電路 .19 3.2.2 復位電路 .20 3.2.3 電源電路 .20 IV 3.2.4 數(shù)碼管 顯示接口電路 . 21 3.2.5 鍵盤接口電路 . 22 3.2.6 D/A 轉(zhuǎn)換電路 . 23 3.2.7 I/V 轉(zhuǎn)換電路 . 24 3.3 本章小結(jié) . 25 第 4 章 信號發(fā)生器的軟件部分 . 26 4.1 主程序流程圖 . 26 4.2 子程序流程圖 . 27 4.2.1 顯示子程序流程圖 . 27 4.2.2 正弦波產(chǎn)生流程圖 . 28 4.2.3 方波和三角波產(chǎn)生流程圖 . 29 4.2.4 中斷子程序流程圖 . 30 4.3.5 鍵掃描子程序流程圖 . 32 4.3 本章小結(jié) . 33 結(jié) 論 . 34 參考文獻 . 35 致 謝 . 57 附錄 1 . 37 附錄 2 . 42 附錄 3 . 46 附錄 4 . 56 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒論 1.1 課題背景 隨著社會科學的進步，電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們對于一些電路 分析所需的儀器種類越來越多，同時要求其的精度也越來越高?？?學技術(shù)的發(fā)展應是以面向人性化、智能化、經(jīng)濟化為一體的發(fā)展為目標。本論文正是以 單片機控制信號發(fā)生 器 為出發(fā)點，用單片機作為中央控制器，直接由軟件產(chǎn) 生波形信號的輸出，并可通過軟件的修改，達到輸出三種波形的目的及其他 相關(guān)的功能。 單片機本身就是一個小型化的 微機系統(tǒng)。是將微處理器、存儲器、定時/計數(shù)器、 I/O 接口電路等集成在一個芯片上的大規(guī)模集成電路。單片機技術(shù)與 電路設(shè)計技術(shù)、 傳感與測量技術(shù)、信號與系統(tǒng)分析技術(shù)、可編程邏輯應用技術(shù)、微機接口技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機操作系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、高級語言程序設(shè)計、軟件工程、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字信號處理、自動控制、誤差分析、儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝等的結(jié)合，使得單片機的應用非常廣泛。 測量 過程中 用 到的 信號發(fā)生器，通常 被 稱為信號源。在 科研 、使用 、 生產(chǎn)、測試和維修各種電子元器件、部件及整機設(shè)備時，都需要 用 信號 源提供激勵信號，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的電 壓 和電流信號，并加到被測器件、設(shè)備上，然后用其他測試儀器觀測其輸出響應。信號發(fā)生器可提供符合一定電技術(shù) 指標 的電信號，其波形、頻率和幅度都可調(diào)節(jié)，并可 以 準確讀出數(shù) 值。 在電子測量中，信號發(fā)生器是最基本，應用最廣泛的測量儀器。其功用主要有以下三方面： 1)作為激勵源 ： 作為某些電氣設(shè)備的激勵信號源。 2)信號仿真 ： 在設(shè)備測量中，常需要產(chǎn)生模擬實際環(huán)境特性的信號，如對干擾信號進行仿真。 3)校準源 ： 產(chǎn)生一些標準信號，用于對一般信號源進行校準。 1.2 信號發(fā)生器的發(fā)展歷史 作為 工業(yè)產(chǎn)品特別是電力、電子產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)領(lǐng)域中最重要的測試燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 設(shè)備之一，信號發(fā)生器的發(fā)展歷史可以追溯到上世紀 40 年代。 1943 年惠普為海軍研究實驗室開發(fā) 研制 了第一臺信號發(fā)生器，從而使得人們在測試設(shè)備時可以利用可控的信號源進行比較完善和安全的 測量和測試 。在隨后的二十年 中 ，信號發(fā)生器一直隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，成為這些技術(shù)發(fā)展的一個縮影。 從技術(shù)上看，信號發(fā)生器經(jīng)歷了由模擬式信號發(fā)生器、數(shù)字式信號發(fā)生器到虛擬信號發(fā)生器 這三個 發(fā)展過程。從四十到六十年代，信號發(fā)生器都是完全用以電子管工藝為基礎(chǔ)的模擬電路搭 建的，往往 其 調(diào)節(jié)范圍受到限制，因而劃分為音頻、高頻、超高頻、射頻和微波等信號發(fā)生器，其信號的精度和可控性都 不 理想 ，而且可產(chǎn)生的信號的種類 較 少，對于較復雜信號 的產(chǎn)生 ，其電路 構(gòu)造 都非常復雜，體積龐大，不易移動。 上個世紀 六七十年代，隨著晶體管工藝的出現(xiàn) ， 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的 大范圍的 應用，數(shù)字電路在信號發(fā)生器中得到 廣泛的 應用，從而大大提高了信號發(fā)生器的精度，減少了電路本身產(chǎn)生的噪聲，體積也大為縮小。八十年代開始，計算機逐漸在工業(yè)生活中占據(jù)了重要的位置，信號發(fā)生器也開始從純粹的分立元件搭建改為以微處理器為核心的 集成系統(tǒng)，這時候的信號發(fā)生器 也發(fā)生了翻天覆地的變化。 比如說，它所能產(chǎn)生信號的種類大大增加 ； 任意波信號可以通過人工設(shè)定在同一臺信號發(fā)生器中產(chǎn)生 ； 頻寬也 很 大的增加了 ； 通用性得到 大 大的提高 ； 過去的多種類的信號發(fā)生器也 可以 簡單地劃分為低頻和高頻兩種，低頻信號的頻寬從 050MHz，高頻則可達到 20GHz 以上，但它仍存在人機界面不友好，軟硬件升級維護困難等 缺陷 。九十年代以后 ， 虛擬儀器進入了人們的視野。這種完全以計算機軟件為核心，輔以相應的硬件設(shè)備的測試系統(tǒng)代表了未來測試儀器的發(fā)展方向。人們可以在友好的人機見面環(huán)境中 輕 輕松松地進行各種復雜的操作，信號發(fā)生器也從一個完全獨立的測試設(shè)備， 進 而成為整個虛擬儀器系統(tǒng)中一個必不可少的子模塊 1。 信號發(fā)生器中一項關(guān)鍵技術(shù)是信號頻率的變動控制。早期的信號發(fā)生器大都借助電阻電容，電感電容、諧振腔、同軸線 等 作為振蕩回路 電路用來 產(chǎn)生正弦或其它函數(shù)波形，頻率的變動由機械驅(qū)動可變元件 (如電容器或諧振腔 )來完成，其缺點是顯而易見的，那就是頻率不穩(wěn)，噪聲大，頻率的改變燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 控制不容易，這 時 根據(jù)技術(shù)的發(fā)展和科學的需要， 鎖相頻率合成器 (phase Locked Frequency Synthesize)應 運而生 。 這是一次技術(shù)上的飛躍，它基于鎖相環(huán)路原理，從一個高準確度、高穩(wěn)定度的參考晶體振蕩器中綜合出大量離散頻率，集成度高，可靠性好且價格低廉，直到現(xiàn)在鎖相頻率合成仍然是工程應用中最為普遍的技術(shù)。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，信號發(fā)生器的變化日新月異， 直接數(shù)字頻率合成 (Direct Digit Frequency Synthesize， DDFS)則是近幾年來最新發(fā)展的技術(shù)，它完全擺脫間接數(shù)字合成的乘法 /除法電路，直接在基準時鐘的準確相位控制下獲得合成頻率輸出，其頻率控制模塊中的相位累加器由寄存器和加法器組成，相位信息存 儲在波形存儲器內(nèi)，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出最低合成頻率，隨著頻率控制輸入的增長，輸出合成頻率亦增加。相位累加器的寬度增加時，輸出合成頻率的準確度相應增加 2。 DDFS 頻率變換速度主要取決于累加器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關(guān)時間，顯然要比模擬電路快得多，因此廣泛采用 DDFS 技術(shù)是必然的發(fā)展趨勢。 1.3 信號發(fā)生器 發(fā)展 趨勢及現(xiàn)狀 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對信號源頻率的穩(wěn)定度、準確度，以及頻譜純度提出越來越高的要求。高精度的信號源對通信系統(tǒng)、電子對抗以及各種電子測量技術(shù)十分重要。直接數(shù)字頻率合成技術(shù) (Direct Digital Frequency Synthesis，即 DDFS，一般簡稱 DDS)， 是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。和傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比它具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)變速度快、輸出相位連續(xù)、相位噪聲低、可編程和全數(shù)字化、便于集成等突出優(yōu)點，成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者，得到越來越廣泛的應用，成為眾多電子系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。 英特西爾公司開發(fā)研制并投放市場的壓控振蕩型精密波形發(fā)生器ICL8038 可同時產(chǎn)生正弦波、方波及三角波等信號波形，且輸出波形的正弦失真度小，三角波及方波線性度相對較高， 頻率又容易調(diào)節(jié)，隨溫度，環(huán)境的穩(wěn)定性好，抗干擾能力較強。是現(xiàn)在應用廣泛的芯片之一 3。 目前我國經(jīng)濟開始進入一個新的發(fā)展時期，經(jīng)濟的快速發(fā)展將加快企業(yè)的技術(shù)改造步伐，各行業(yè)特別是電子、通信行業(yè)對先進任意波發(fā)生器的需求燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 更加強勁。據(jù)最新電子商情報道，從 1998 年開始，由于國家采取了擴大內(nèi)需發(fā)展經(jīng)濟的決策，擴大了國產(chǎn)任意波信號發(fā)生器的市場，銷量增長都在30%左右。但我國的任意波信號發(fā)生器市場大部分被國外產(chǎn)品所占領(lǐng)，國內(nèi)產(chǎn)品市場占有率很低。目前， Allritsu、 Agilent、 Advantest、 側(cè) S、 TEKTRONIx、Nl幾家著名儀器公司都在生產(chǎn)各類任意波 形 信號發(fā)生器，如 Agilent 公司生產(chǎn)的 HP331 加 A 函數(shù) /任意波 形 發(fā)生器、 Advantest 公司生產(chǎn)的 33120A 函數(shù)/任意波形發(fā)生器。 Asilent 的信號發(fā)生器一直是業(yè)界公認的高水平儀器，而且種類和型號最多，產(chǎn)品功能全、技術(shù)含量高。近幾年 Anritsu、 Agilent、Advantest、側(cè) S， Nl 等外國公司在我國的銷售額逐年大幅度上升， Agilent公司在中國銷售的任意波 形 信號發(fā)生器已極大地超過國內(nèi)產(chǎn) 量 4。 我國的儀器技術(shù)水平在發(fā)展中國家處于領(lǐng)先地 位，且產(chǎn)品價格便宜。境外有的銷售商己把目標轉(zhuǎn)向國內(nèi)的產(chǎn)品，出口到北美、歐洲、東南亞的任意波信號發(fā)生器逐年增加，所以擴大外銷產(chǎn)品是擴大國產(chǎn)任意波信號發(fā)生器市場的一條重要出路?？傊﹂_發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進任意波信號發(fā)生器己成為我國儀器行業(yè)的當務(wù)之急。只有這樣，國產(chǎn)任意波信號發(fā)生器才能在競爭激烈的國內(nèi)外儀器市場中占有一席之地。 1.4 課題主要內(nèi)容和章節(jié)安排 本文主要是基于單片機的 低頻信號發(fā)生器的設(shè)計。首先 對構(gòu)成信號發(fā)生器的主要部分進行 設(shè)計 ，掌握它們的基本工作原理。其次對 AT89C51、DAC0832、 LM324及其它構(gòu)成信號發(fā)生器的 器件的工作原理和電路結(jié)構(gòu)進行重點 介紹 。再次學習單片機的 C語言及產(chǎn)生各種波形的原理。 介紹 本設(shè)計中涉及到的相關(guān)知識，完成設(shè)計。 本文第一章緒論，分為三個小節(jié)分別 對信號發(fā)生器進行了簡要的介紹：課題背景、信號發(fā)生器的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢。 本文第二章介紹了信號發(fā)生器的種類，低頻信號發(fā)生器的方案論證和基于 AT89C51信號發(fā)生器的設(shè)計原理。 本文第三章是本論文的重點，對信 號發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)進行介紹，分為兩個小節(jié)分別對本系統(tǒng)中用到的 芯片和單元電路的設(shè)計進行了仔細的介紹燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 和分析。 本文第四章信號 發(fā)生器的軟件設(shè)計，也是本文重點。分為兩個小節(jié)分別對信號發(fā)生器的主程序和子程序流程圖進行了介紹。 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2 章 低頻信號發(fā)生器的設(shè)計原理 根據(jù)題目要求設(shè)計一種基于單片機的低頻信號發(fā)生器 ， 我先從信號發(fā)生器的種類入手 ， 查閱資料對幾種由不同單片機組成的信號發(fā)生器進行比較，并確定方案 2.1 信號發(fā)生器的種類 信號發(fā)生器應用廣泛，種類型號 眾 多，性能各異，分類方法也不盡相同，下面介紹幾種常見的分類方法 。 2.1.1 按輸出信號頻率范圍分類 按照輸出信號的頻率范圍分類， 如表 2-1。表中頻段的劃分，不是絕對的?？梢?，這兩類信號發(fā)生器頻率范圍有 重疊 ，而所謂 “射頻信號發(fā)生器 ”包含了表中視頻以上各類信號發(fā)生器 。 例如，在電子儀器的門類劃分中， “低頻信號發(fā)生器 ”是 指 1Hz-1MHz 頻段，波形以正弦波為主， 兼有方波及其他波形的信號發(fā)生器 ， “射頻信號發(fā)生器 ”則指能產(chǎn)生正弦信號，頻率范圍部分全部覆蓋 30kHz-1GHz(允許向外延伸 )，并且具有一種或一種以上調(diào)制功能的信號發(fā)生器 5。 表 2-1 按輸出信號 頻率范圍分類 名稱 頻率范圍 主要應用領(lǐng)域 超低頻信號發(fā)生器 30kHz 以下 電聲 學，聲納 低頻信號發(fā)生器 30 300kHz 電報通信 視頻信號發(fā)生器 300 6MHz 無線電廣播 高頻信號發(fā)生器 6 30MHz 廣播，電報 甚高頻信號發(fā)生器 30 300MHz 電視，調(diào)頻廣播，導航 超高頻信號發(fā)生器 300 3000MHz 雷達，導航，氣象 2.1.2 按輸出波形分類 信號源有很多種分類方法，其中一種 是按輸出波形分類， 可分為混和信號源和邏輯信號源兩種。其中混和信號源主要輸出模擬波形；邏輯信號源輸燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 出數(shù)字碼形?；旌托盘栐从挚煞譃楹瘮?shù)信號發(fā)生器和任意波形 /函數(shù)發(fā)生器，其中函數(shù)信 號發(fā)生器輸出標準波形，如正弦波、方波等，任意波 /函數(shù)發(fā)生器輸出用戶自定義的任意波形；邏輯信號發(fā)生器又可分為脈沖信號發(fā)生器和碼型發(fā)生器，其中脈沖信號發(fā)生器驅(qū)動較小個數(shù)的的方波或脈沖波輸出，碼型發(fā)生器生成許多通道的數(shù)字碼型。如泰克生產(chǎn)的 AFG3000 系列就包括函數(shù)信號發(fā)生器、任意波形 /函數(shù)信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器的功能。 2.1.3 按信號發(fā)生器的性能分類 按信號發(fā)生器的性能指標， 又 可分為一般信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器。前者是指對其輸出信號的頻率、幅度的準確度和穩(wěn)定度及波形失真等要求不高的一類發(fā)生器；后者是指 輸出信號的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準確、穩(wěn)定，屏蔽性良好的中、高檔信號發(fā)生器。 還有其他 一些 分類方法，例如，按照調(diào)節(jié)方式，可分為普通信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器和程控信號發(fā)生器；按照使用范圍，可分為通用信號發(fā)生器和專用信號發(fā)生器 (如調(diào)頻立體聲信號發(fā)生器、電視信號發(fā)生器及矢量信號發(fā)生器等 )；按照頻率產(chǎn)生方法又可分為諧振信號發(fā)生器、鎖相信號發(fā)生器及合成信號發(fā)生器等。 上面所述僅是常用的幾種分類方式，而且是大致的分類 。 2.2 低頻信號發(fā)生器的方案 設(shè)計 根據(jù)論文 題目是要 求 合適的單片機設(shè)計 一個低頻信號發(fā)生器。通過查閱資料 發(fā)現(xiàn)其制作方法有很多種，不同的制作方案各有其優(yōu)點和缺點。在此，我對其中三種方案進行一些初步比較。 2.2.1 方案一 RC 橋式振蕩器是采用 RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的一種正弦波振蕩器。該信號發(fā)生器由放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。放大電路由集成運放組成電壓串聯(lián)負反饋放大，有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點。電路集成運放設(shè)計 RC 橋式正弦波振蕩器產(chǎn)生頻率與幅值可以達到一定要求的正弦波。再將產(chǎn)生的正弦波作為輸入信號經(jīng)過一個波形變換電路產(chǎn)生方波，在將方波經(jīng)積分電路轉(zhuǎn)換燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 成三角波 6。 其總體的結(jié)構(gòu)框圖如 圖 2-1 所示。 RC 橋式振蕩器是采用 RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的一種正弦波振蕩器。雖然具有較好的正弦波形且頻率調(diào)節(jié)范圍寬，但是此方案 RC 橋式正弦波 振蕩器的設(shè)計中 ， 起振后若只依靠晶體管的非線性來穩(wěn)幅，波形頂部容易失真 。所以這種信號發(fā)生器的振蕩具有起振要求嚴，容易產(chǎn)生失真，穩(wěn)幅效果差等缺點。 R C 振 蕩 器 波 形 變 換 電 路 積 分 器正 弦 波 方 波 三 角 波圖 2-1 利用運放設(shè)計成信號發(fā)生器的總結(jié)構(gòu)框圖 2.2.2 方案二 采用集成芯片 (ICL8038)外接電路產(chǎn)生， ICL8038 是精密波形產(chǎn)生與壓控振蕩器，其基本特性為： 可同時產(chǎn)生和輸出正弦波、三角波、鋸齒波、方波與脈沖波等波形； 外接電阻、電容值可改變，輸出信號的頻率范圍可為0.001Hz 300KHz； 其構(gòu)成的主要原理框圖如圖 2-2 所示。此方案的特點是外接電路設(shè)計比較簡單、易制作等 ，但是產(chǎn)生的方波 時 有一定的延時， 導致輸出的波形有一定的失真。 R C 振 蕩 器 波 形 變 換 電 路 積 分 器正 弦 波 方 波 三 角 波比 較 器 差 分 放 大 器正 弦 波積 分 器方 波 三 角 波圖 2-2 利用 ICL8038 產(chǎn)生波形主要原理框圖燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 2.2.3 方案三 利用 AT89C51 單片機控制的 信號發(fā)生器，可 輸出電壓范圍 為 0 5V，頻率 范圍 為 1 1000Hz 的矩 形波、 三角波 和 正弦波 三種波形信 號 ,其頻率可通過鍵盤增大或減小，還可以用鍵盤控制數(shù)碼管顯示波形頻率。本系統(tǒng)輸出的各種信號 ,均由軟件程序產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)，再經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換后輸出 ,通過 I/V轉(zhuǎn)換電路得到 三角 波 和正弦波 等 信號 ，其主要原理框圖如圖 2-3 所示。 由于利用本方案 制作 的函數(shù) 信號發(fā)生器 具 有容易制作，能方便調(diào)節(jié)的特點，所以本 次 設(shè)計 我 采用的是方案三，利用 AT89C51 和 DAC0832 制作一個低頻信號發(fā)生器。 時 鐘 電 路獨 立 式 鍵 盤復 位 電 路電 源 電 路單片機8 9 C 5 1四 位 一 體數(shù) 碼 管D / A 轉(zhuǎn) 換 器 I / V 轉(zhuǎn) 換 電 路輸 出圖 2-3 系統(tǒng)原理圖 2.3 基于 AT89C51 信號發(fā)生器的方案設(shè)計及原理 本系統(tǒng)是基于 AT89C51 單片機控制的信號發(fā)生器，可輸出電壓范圍為0 5V，頻率為 1 1000Hz 的方波、三角波和正弦波三種波形信號 ,其頻率可通過鍵盤調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)輸出的信號 ， 均由軟件產(chǎn)生數(shù)據(jù)，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出 ， 再通過 I/V 轉(zhuǎn)換電路得到正弦波信號，保證了波形的平滑、穩(wěn)定和精度?？蓾M足精度誤差要求達到 5%的多種低頻信號源的使用場所。 2.3.1 信號發(fā)生器的硬件電路設(shè)計方案 本次設(shè)計主要是以 AT89C51 和 DAC0832 為核心，通過軟硬件結(jié)合的方燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 式實現(xiàn)波形輸出和頻率顯示 的目的。本系統(tǒng)的硬件部分有時鐘電路，復位電路，顯示電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。 時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準 ，有條不紊地一拍一拍的工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作時 所必需的時鐘信號。 AT89C51 單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為保證同步工作方式的實現(xiàn)。單片機應在唯一的時鐘信號控制下，嚴格地按時序執(zhí)行指令進行工作 ， 而時序所研究的是指令執(zhí)行過程中各個信號的關(guān)系。 時鐘電路是為單片機提供精確定時的電路， 在本設(shè)計中 用于計時、中斷源 、鍵盤去抖動 等等。 單片機必須進行復位 ， 是因為單片機內(nèi)的 CPU“取指”過程即為 CPU從 PC 指針所指定的程序存儲器 ROM 地址單元中讀取“ 機器碼”的過程。單片機加電后 ， PC 指針應指向 ROM 中某個固定的單元 ， 當然 ， 程序開始的第一條指令也應放在 ROM 的這一地址單元內(nèi) ， 這樣整個程序才能有序地執(zhí)行。 這個單元就是 ROM 的 0000H 單元。 只有上電復位正常后 ， PC 值 為0000H， 即指向 ROM 的 0000H 單元。此外 ， 專用寄存器 SFR 中的 SP 為 07H，即指向片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 (片內(nèi) RAM)07H 單元 ,P0 P3 值為 0FFH， 其余的專用寄存器值大多為 00H7。 本文中的顯示器用的是 4 位 LED 顯示器，四位 LED 顯示器有 4 根位選線和 32 根段選線。根據(jù)顯示方式的不同，位選線和段選線的連接方法也各不相同。段選線控制顯示字符的字型，而位選線為各個 LED 顯示塊的公共端，它控制該 LED 顯示位的亮 暗。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。本次設(shè)計我采用的是動態(tài)顯示模式，因為采用動態(tài)顯示方式比較節(jié)省 I/O 口，硬件電路也較靜態(tài)顯示方式簡單。 D/A 轉(zhuǎn)換器 (DAC)將微機處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成為模擬量 (電壓或電流 )。 D/A 轉(zhuǎn)換的基本原理是數(shù)字量由代碼按數(shù)值組合起來表示的。欲將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須先把每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應的模擬分量，然后將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應的模擬分量，然后將各模擬分量相加，其總和就是與數(shù)字量相應的模擬量。 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 按這個 D/A 轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)換器，主要由電阻網(wǎng)絡(luò)，電子開關(guān)和基準電壓組成。電阻網(wǎng)絡(luò)通常有兩種形式：權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)和 R-2R 梯形解碼網(wǎng)絡(luò)。 DAC 集成電路大都采用 R-2R 梯形解碼網(wǎng)絡(luò)。 本系統(tǒng)中用到的DAC0832 就是 R-2R 梯形解碼網(wǎng)絡(luò)。 輸入的二進制數(shù)字量通過邏輯電路控制電子開關(guān)。當輸入的數(shù)字量不 同時，通過電子開關(guān)使電阻網(wǎng)絡(luò)中的不同電阻和基準電壓接通，在運算放大器的輸入端產(chǎn)生和 二進制數(shù)各位的權(quán)成比例的電流，再經(jīng)放大器將電流轉(zhuǎn)換為與輸入二進制數(shù)成正比的輸出電壓?；鶞孰妷菏翘峁┙o轉(zhuǎn)換電路的穩(wěn)定的電壓源，也稱為參考電壓 erfV 。整個電路由若干個相同的電路環(huán)節(jié)組成。每個環(huán)節(jié)有兩個電阻和一個開關(guān)。開關(guān) S 是按二進制位進行控制的。該位為 1時，開關(guān)將加權(quán)電阻與 1outI 輸出端接通產(chǎn)生電流；該位為 0 時，開關(guān)與 2outI端接通。 2.3.2 信號發(fā)生器的軟件電路設(shè)計方案 本系統(tǒng)的 資源分配 。 采用定時 /計數(shù)器 T0 定時器：定時器 0 用作時鐘定時，按方式 1 工作。 P1.0P1.3 為鍵盤輸入端 ， P0 口用作段控口線 ， P2 口用作位控口線 ， P3 口用做第二功能 ， 采用了定時 /計數(shù)器 T0 中斷 。 本系統(tǒng)利用 AT89C51 單片機的可編程定時 /計數(shù)器， 中斷系統(tǒng)來實現(xiàn)是時鐘計數(shù)，把定時器 0 設(shè)為工作方式 1，定時時間可調(diào)。使用定時 /計數(shù)器 0，fosc=12MHz。 則時間 T 4.0*2 5 6*6 5 5 3 5 TLTHT 頻率 F TF /1000int 波形發(fā)生器的頻率在四位位數(shù)碼管上進行顯示，因此，在內(nèi)部 RAM 中設(shè)置顯示緩沖區(qū)共 4 個單元。 LED3 LED2 LED1 LED0 7BH 7AH 79H 78H 顯示緩沖區(qū)從左至右依次存放數(shù)值。 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 波形發(fā)生器的頻率設(shè)置 4 個按鍵通過程序控制來完成波形發(fā)生器的頻率調(diào)制和控制輸出的波形： K1 鍵控制 波形發(fā)生器發(fā)出的波形 ； K2 增大頻率；K3 減少頻率； K4 顯示頻率。 正弦波的產(chǎn)生采用查表法 ， 單片機的 I/O 輸出均 為 +5V 的 TTL 電平 ，因此產(chǎn)生的正弦波幅值為 +5V。將一個周期內(nèi)的正弦波形等分為 N 份 ， 那么第 1 點的角度為 0,對應的正弦值為 5sin0； 第 2 點的角度為 360/N,對應的正弦值為 5sin(360/N) ,如此計算下去 ,將這些模擬量正弦值都轉(zhuǎn)換為單 極性方式下的數(shù)字量 ， 得到一張按照點號順序排列的數(shù)字量正弦值表格。 2.4 本章小結(jié) 本章中介紹了信號發(fā)生器的分類，對幾種能產(chǎn)生低頻信號的發(fā)生器系統(tǒng)做了簡要的論述和分析，從中確定本次設(shè)計方案。最后對本文中設(shè)計的基于AT89C51 單片機控制的信號發(fā)生器的設(shè)計原理進 行了介紹 。 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 第 3 章 信號發(fā)生器的硬件 部分 3.1 主要器件 3.1.1 單片機芯片 AT89C51 AT89C51 是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4KB 的可反復擦寫的程序儲存器和 128KB 的隨機存取存儲器(RAM)，器件采用 Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 儲存單元，功能強大的 AT89C51 單片機可靈活應用于各個控制領(lǐng)域。 AT89C51 提供以下標準功能： 4KB 的 Flash 閃存存儲器， 128B 內(nèi)部RAM， 32 個 I/O 接口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM、定時 /計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容， 振蕩器 這時也 停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復位。 AT89C51 的引腳排列見圖 3-1。 圖 3-1 AT89C51 引腳圖 燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 (1)VCC：電源電 壓 (2)GND：接地 (3)RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 (4) EA /VPP：當 EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器(0000H-FFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器 。 在 FLASH編程期間，此引腳 也用于施加 12V 編程電源 (VPP)。 (5)XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 (6)XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 (7)P0 口： P0 口