低頻信號發(fā)生器

1、鄭州鐵路職業(yè)技術學院畢業(yè)論文論文題目： 基于單片機的低頻信號發(fā)生器的設計作者姓名： 佘 振 威 班級學號： 070453020 系 部： 信 息 工 程 系 專 業(yè)： 電 子 信 息 工 程 技 術 指導教師： 曹 冰 2010年 5月18日摘要以單片機為核心設計了一個低頻函數信號發(fā)生器。信號發(fā)生器采用數字波形合成技術,通過硬件電路和軟件程序相結合,可輸出自定義波形,如正弦波、方波、三角波及其他任意波形。波形的頻率和幅度在一定范圍內可任意改變。介紹了波形的生成原理、硬件電路和軟件部分的設計原理。介紹了單片機控制D/A轉換器產生上述信號的硬件電路和軟件編程、DAC0832 D/A轉換器的原理和使

2、用方法、AT89C52以及與設計電路有關的各種芯片、關于產生不同低頻信號的信號源的設計方案。該信號發(fā)生器具有體積小、價格低、性能穩(wěn)定、功能齊全的優(yōu)點。關鍵詞:低頻信號發(fā)生器;單片機;D/A轉換;任意波形。目錄摘要2引言41、工作原理52、硬件電路設計.72.1 AT89C52單片機簡介.72.2 D/A轉換器.82. 3與AT89C52單片機的接口82. 4鍵盤控制和顯示電路93、軟件設計.103. 1初始化模塊設計.103. 2鍵盤掃描程序的設計.103. 3波形產生模塊的設計.11結束語.13致謝.14參考文獻.15引 言波形發(fā)生器亦稱函數信號發(fā)生器,作為實驗用信號源,是現今各種電子電路實

3、驗設計應用中必不可少的儀器設備之一。目前,市場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件搭接而成,且波形種類有限,多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。如555振蕩電路便是產生正弦波、三角波和方波可取的途徑之一。但是這種電路存在波形質量差、控制難、可調范圍小、電路復雜和體積大等缺點。利用單片機通過程序設計方法來產生低頻信號,其頻率底線很低,具有線路相對簡單、結構緊湊、體積小、價格低廉、頻率穩(wěn)定度高、抗干擾能力強、用途廣泛等優(yōu)點。現介紹利用AT89C52單片機和2片DAC0832 D/A轉換器組成的數字式低頻信號發(fā)生器,可輸出任意波形。波形信號頻率范圍為1Hz10 kHz,信號電壓范圍為-5V+5 V,并且輸出電

4、壓幅值可以在0 V5 V范圍內調節(jié)。輸出信號非線性失真低于0. 1%,頻率穩(wěn)定度達0. 1% /h。1工作原理任意波形函數發(fā)生器采用直接數字合成技術,可以提供各種常用波形,其輸出波形是通過單片機系統(tǒng)建立的。工作過程為:在一個單片機的存儲器中存入波形數據,當要產生波形輸出時,所存信息經D/A轉換器形成模擬量,波形再通過一個放大器來調整驅動和傳輸能力。由于該信號發(fā)生器以模擬量形式輸出的波形是在單片機內部存儲的數字信號的控制下形成的,所以在構建波形時,具有時域、頻域和視覺上的靈活性1。任意波形函數發(fā)生器是依據存儲器中的數值來構建波形的,在存儲器的數據中定義的一個波形的起始點與結束點之間的采樣點數決定

5、了波形的頻率。輸出波形頻率f0由下式決定: f0=fs（n1-n2）式中n1、n2為所要構建波形的第一個和最后一個采樣點,在存儲器中的對應位置序號fs為采樣頻率。通過改變或重新設置這個參數即可得到不同頻率的輸出波形?，F以正弦波為例,設要產生的正弦波為U(t) =Umsin 2ft,周期T=1/f,我們把每個周期平均分成P個區(qū)間。每個區(qū)間間隔為T=T /P,在T區(qū)間內, U(t)的值為常數。即認為:0t <T時,U(t) =U(0);Tt <2T時,U(t) =Umsin(2f×T);2Tt <3T時,U(t) =Umsin(2f×2T);即:U(t) =U

6、msin(2f×iT)(iTt < (i+1)T)由于f=1/T =1/(P×T)所以U(t) =Umsin(2i/P) =U(i)通常正弦信號峰值電壓恒定,如設Um=225 mV,我們可以用32個字節(jié)的存儲器來儲存i等于不同數值時的電壓U(t)或U(i),最小分辨率為1mV。由于·12·數值的對稱性,若把一個周期分成P=128等份,但只有32個獨立的數值,因此只需32個字節(jié)的存儲器就夠了。由此看出,輸出信號的頻率取決于T,改變T即可得到不同的輸出頻率,并且輸出頻率的正確度基于單片機晶振頻率的正確度和穩(wěn)定度。而各區(qū)間的振幅值以數字形式存于單片機的內

7、存中,加上D/A轉換器的穩(wěn)定性,因此輸出信號的幅頻特性很好。其輸出信號的非線性失真低于0. 1%。2硬件電路的實現電路主要由AT89C52單片機產生所需輸出信號的數字量,再由D/A轉換器將數字量轉化為模擬電流輸出,通過運放轉化為模擬電壓輸出。因為D/A轉換器的最大輸出電壓是由其輸入的基準電壓來控制的,只要能控制D/A的基準電壓便可以控制輸出幅度,因此只需在D/A轉換器基準電壓上加上一個變位器,便可以方便地改變其輸出信號的幅度。設計用2片DAC0832來完成輸出信號的工作,第1片D/A用來輸出信號,第2片D/A用來控制第1片D/A的基準電壓,其中用P1口作為2片D/A的數據總線2。電路框圖如圖1

8、所示。圖1電路框圖2. 1AT89C52單片機簡介AT89C52是一種低功耗、高性能的片內含有8 kB可編程/可擦除只讀存儲器的8位CMOS微控制器,使用高密度、非易丟失存儲技術制造,并且與80C51的引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的Flash存儲器允許在線編程或采用通用的非易丟失存儲編程器重復編程。AT89C52將具有多種功能的8位CPU與Flash存儲器結合在一個芯片上,為很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又價格適宜的方案,其性能價格比遠高于8751。89C52的主要性能包括:片內有8 kB可在線重復編程的快閃擦寫存儲器;寬工作電壓范圍VCC可為2. 7V6V;全靜態(tài)工作可從0Hz至33H

9、z;程序存儲器具有3級加密保護; 32條可編程I/O線; 3個16位定時器/計數器;中斷結構具有8個中斷源; 21個特殊功能寄存器; 1個可編程全雙工串行通道;空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內容3。2.2 D/A轉換器連接電路和運算放大電路的設計設計中2片D/A的輸出均采用雙極性電壓輸出,運算放大器選用的是LF358,電路如圖2所示。第1級DAC0832 D/A轉換器將P1口輸出的數字信號變成連續(xù)變化的電流信號,這個電流信號經2個集成運算放大器組成的雙極型電壓輸出電路變成電壓信號輸出。電壓變化范圍為-5 V+ 5 V,作為第2級DAC0832 D/A轉換器的基準電壓。P1口的8位二進制輸

10、出信號再經第2級DAC0832 D/A轉換器及集成運放輸出,使輸出電壓信號的精度更高4。圖2：D/A轉換器2. 3 DAC0832與AT89C52單片機的接口從DAC0832內部結構中得知,其前級輸入鎖存器和DAC寄存器可允許數據進入其中,亦可鎖定數據,拒絕新數據進入。這取決于內部信號LE1和LE2各自受外部信號控制的情況。據此可歸納出3點: 1)單緩沖方式:LE2和LE1受控于同一組外部信號, 2級寄存器同時鎖存數據。2)雙緩沖方式: LE2和LE1分別受不同信號控制, 2級寄存器先后接收數據。3)直通方式:LE1和LE2均恒為1,外來數據直接通過前2級到達D/A轉換器。設計采用的是直通方式

11、5。2. 4鍵盤控制和顯示電路按鍵是系統(tǒng)的輸入設備,是控制單片機的唯一途徑。設計中共使用了16個按鍵, 3×5鍵盤和一個復位鍵。3×5鍵盤中包含了09的數字鍵和多個波形選擇鍵。由于功能鍵較多,所以在輸入控制命令時非常方便。在設計要求中還選擇將鍵盤的輸入內容顯示出·13·號輸出時不需時刻改變,可由單片機的串行通信口輸出顯示數據。在設計中,顯示采用的是5位7段顯示器顯示,顯示的數據由單片機的并行口P0輸出,采用動態(tài)顯示的方法,以P2口中的低5位(P2. 0P2. 4)作為位選。顯示器使用的是共陰極LED數碼管,并采用74LS07同相驅動器。按鍵消除抖動的處理

12、采用軟件方法。原理是:掃描鍵盤后,延時10 ms,再次掃描鍵盤,確認有鍵按下,跳到讀鍵值的子程序,等待按鍵的動作完成,然后才繼續(xù)執(zhí)行其他操作。3 軟件設計單片機內部數據只有0、1之分,所產生的信號也都是離散信號。為了能夠讓單片機輸出所需的數字信號,我們采用對信號采樣、量化的方法來實現由單片機產生所需信號。在設計中,對正弦信號進行采樣,通過查表來實現輸出不同的幅度值。采樣點越密,信號失真度也就越小。對于三角波,就是實現2次循環(huán),通過由最小值到最大值和由最大值到最小值的循環(huán)來實現三角波的輸出。方波的輸出時間間隔由鍵盤輸入,然后由軟件通過定時、計數器來控制。因此,通過控制不同的計數初值就可以控制整個

13、方波信號的頻率,其計數初值=65 536-輸入值。對于其他波形,程序根據輸入頻率值計算出波形的輸出時間參數,即波形中每2點的時間間隔C。程序設定寄存器T0作定時器,T1作計數器。當計算出C65 536時, CPU只使用T0。當C>65 536時,CPU將T0和T1串聯起來使用。T0/T1被調用后開始計數,總定時時間到,輸出一個點,反復循環(huán),從而在一個周期內輸出完整波形。設計中軟件分為初始化模塊、顯示模塊、鍵盤掃描模塊、鍵值處理模塊和波形產生模塊。3. 1初始化模塊設計初始化模塊的作用是將用戶需要的內存單元清零,清除系統(tǒng)原始數據對系統(tǒng)的影響。之后在顯示電路中顯示全0,對觀察以后的數據輸入情

14、況有很大幫助。設計中主要用到了30H到40H的內存空間。因此,這里主要對這部分單元清零,并且將數據存儲指針初始化。具體程序如下:FIRSTA: MOV R0, #30H /初始化MOV R1, #10H /30H40H循環(huán)清零(R1為個數指針)CLLOOP: MOV R0, #00HINC R0DJNZ R1, CLLOOPRET3. 2鍵盤掃描程序的設計鍵盤掃描程序的作用是從鍵盤獲取按鍵信息,根據按鍵信息來執(zhí)行命令操作。這部分是用戶對系統(tǒng)進行操作的唯一途徑。這部分程序的正確編寫是確保人機正常對話的前提保證。鍵盤工作原理為:行線通過電阻接+5 V,當鍵盤上沒有鍵閉合時所有的行線和列線都斷開,行

15、線呈高電平。當鍵盤上某一個鍵閉合時,則該鍵對應的行線和列線被短路,此時,行線的狀態(tài)由列線決定。通過給列線置0(低電平),判斷行線的狀態(tài),可以判斷出是哪個鍵閉合6。鍵盤掃描程序流程圖如圖3所示。圖3：鍵盤掃描程序流程3. 3波形產生模塊的設計波形產生模塊是設計的關鍵,其精度如何,關鍵在于波形產生模塊設計的合理性。系統(tǒng)設計中采用的是用單片機產生信號,而單片機只能產生數字信號,無論是信號頻率還是信號幅度都是離散的點,這些點的產生是根據不同波形情況采用不同的方法由計算機來完成的。其中方波的產生方法比較簡單,只要定時地向外輸出0FFH和00H即可。正弦波的產生是通過對標準正弦波進行采樣輸出而得到的,采樣

16、間隔越小,正弦波的輸出精度就越高,失真度越小。對于三角波,就是實現2次循環(huán),通過由最小值到最大值和由最大值到最小值的循環(huán)來實現三角波的輸出。以下給出了三角波產生的程序:STR1: MOV R2,#00H /通過上升和下降來產生三角波STR2: MOV A,R1 /電壓隨時間上升MOV P1,AINC R1CJNE R1,#0FFH, STR2STR3: DEC R2 /電壓隨時間下降MOV A,R2MOV P1,ACJNE R2,#00H, STR3SJMP STR1 /循環(huán)結束語一個好的信號發(fā)生器系統(tǒng)應該具有價格低、性能高,在低頻范圍內穩(wěn)定性好、操作方便,產品體積小、耗電少等特點,才能在生活

17、中各個領域內被廣泛使用。本系統(tǒng)按實際應用需求而設計。硬件電路主要由AT89C52和DAC0832構成，所以產品體積小、耗電少。本次設計波形信號頻率范圍為1Hz10 kHz,信號電壓范圍為-5V+5 V,輸出電壓幅值可以在0 V5 V范圍內調節(jié)。輸出信號非線性失真低于0. 1%,頻率穩(wěn)定度達0. 1% /h。實驗調試表明該數字式低頻任意信號發(fā)生器在技術指標上完全達到了設計要求。且若有實際需要,系統(tǒng)只要在軟件上做一定的改變,就可以作為超低頻任意信號發(fā)生器在相關領域內使用。致謝光陰荏苒，日月如梭，三年的大學生活即將過去。在漫長的人生旅程中，三年時間并不算長，但對我而言，是磨礪青春、揮灑書生意氣的三年

18、，也是承受師恩、增長才干、提高學識的三年。我即將投入到火熱的工作和事業(yè)中。在此，謹對培育我的母校、教導我的老師、幫助我的同學們致予最誠摯的謝意和敬意。 在鄭州鐵路職業(yè)技術學院學習的三年里，我親身體會到各位老師和前輩們嚴謹求實的治學態(tài)度、淵博卓著的學識才華和傳道授業(yè)、以身作則、高尚無私的敬業(yè)精神，已經超脫了知識傳授和文化交流的范疇，形成獨立自主、兼容并包的治學氛圍和積極進取、緊貼實際、關心家國的人文情懷。我為能在鄭州鐵路職業(yè)技術學院學習而感到榮幸和自豪，相信這將是我人生當中最重要最難忘的一段經歷。 在此，我特別要感謝我的論文指導老師曹冰老師。曹冰老師她學識淵博，專業(yè)精通，對事業(yè)懷著深厚的感情；她誨人不倦，與同學們保持著良好的溝通并經常給予科學的指導和熱心的勉勵。就本畢業(yè)設計而言，從提綱、草擬、修改到最后定稿，曹冰老師都給予了一而再、再而三的精心批閱，每個環(huán)節(jié)都凝結老師努力的付出和辛勞的汗水。毋庸諱言，老師的道德文章將成為我人生的座標和里程碑。 我還要感謝給予我很多關心和幫助的同學們，三年學習生活使我們結下深厚的友誼。俗話說天下沒有不散之筵席，在畢業(yè)之際，我衷心地同學和朋友們在以后的人生道路上越走越寬廣，也深深相信在未來的日子里我們將一路攜手前行，會有很