本科畢業設計（論文）基于單片機的低頻信號發生器的設計龔珣燕 山 大 學2009年6月本科畢業設計（論文）基于單片機的低頻信號發生器的設計學院（系）： 電子工程系 專 業： 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 燕山大學畢業設計（論文）任務書學院： 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 業班 級05通信4班題目題目名稱基于單片機的低頻信號發生器的設計題目性質1.理工類：工程設計 （ ）；工程技術實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）2.管理類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術類（ ）題目類型1.畢業設計（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產實際（ ） 自選題目（ ） 主要內容1、學習波形信號發生器的工作原理。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：11000hz。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，對課題目前的發展有所了解和掌握。2給出完整電路設計，包括電路原理圖。3完成畢業設計論文一份,格式符合燕山大學畢業設計論文規范，并用word排版。參考資料1燕山大學網上圖書館。中國期刊全文數據庫。優秀碩博論文2相關元件的芯片手冊3燕山大學網上英文資料.eisevier周 次第14周第58周第913周第1416周第1718周應完成的內容收集資料熟悉課題內容確定設計思路設計系統硬件設計系統軟件系統設計優化論文撰寫課題總結準備答辯指導教師：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設計（論文）摘要本文是基于單片機的低頻信號發生器的設計。我所設計的信號發生器是由單片機at89c51，d/a轉換器dac0832，低頻放大器lm324和四位一體數碼管實現的。本系統輸出的電壓范圍是05v，頻率范圍是11000hz，以電壓的方式輸出正弦波、三角波和方波信號，用數碼管顯示信號的頻率。可通過鍵盤選擇輸出波形和調節頻率的大小。該信號發生器具有操作簡便、靈活，性價比高和智能化的特點，可廣泛用于電子測量、調試工程中。本文首先對信號發生器的原理，發展歷史進行了較全面的介紹，為本次設計奠定了扎實的基礎。其次，介紹了信號發生器的種類，通過對幾種不同低頻信號發生器的比較從中確定本次設計方案，并介紹其基本設計原理。其次，通過學習at89c51和dac0832的主要結構和功能,設計了一種以這兩個芯片為核心的低頻信號發生器。本次設計主要是通過軟件控制整個電路系統，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軟件的工作過程。關鍵詞信號發生器；單片機at89c51；d/a轉換；低頻放大器i 燕山大學本科生畢業設計（論文）abstractthis 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.keywordsthe signal occurrence machine；monolithic machine at89c51； d/a conversion；low noise amplifierii 目 錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.2 信號發生器的發展歷史11.3 信號發生器發展趨勢及現狀31.4 課題主要內容和章節安排4第2章 低頻信號發生器的設計原理62.1 信號發生器的種類62.1.1 按輸出信號頻率范圍分類62.1.2 按輸出波形分類62.1.3 按信號發生器的性能分類72.2 低頻信號發生器的方案設計72.2.1 方案一72.2.2 方案二82.2.3 方案三92.3 基于at89c51信號發生器的方案設計及原理92.3.1 信號發生器的硬件電路設計方案92.3.2 信號發生器的軟件電路設計方案112.4 本章小結12第3章 信號發生器的硬件部分123.1 主要器件123.1.1 單片機芯片at89c51123.1.2 數模轉換器dac0832373.1.3 lm324的結構與功能393.2 單元電路設計403.2.1時鐘電路403.2.2復位電路413.2.3 電源電路423.2.4 數碼管顯示接口電路433.2.5 鍵盤接口電路443.2.6 d/a轉換電路453.2.7 i/v轉換電路463.3 本章小結47第4章 信號發生器的軟件部分344.1 主程序流程圖344.2 子程序流程圖354.2.1 顯示子程序流程圖354.2.2 正弦波產生流程圖364.2.3 方波和三角波產生流程圖374.2.4 中斷子程序流程圖384.3.5 鍵掃描子程序流程圖404.3 本章小結41結 論43參考文獻44致 謝46附錄147附錄252附錄356附錄466iv燕山大學本科生畢業設計（論文）第1章 緒論1.1 課題背景隨著社會科學的進步，電力電子技術的發展，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。科學技術的發展應是以面向人性化、智能化、經濟化為一體的發展為目標。本論文正是以單片機控制信號發生器為出發點，用單片機作為中央控制器，直接由軟件產生波形信號的輸出，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的功能。單片機本身就是一個小型化的微機系統。是將微處理器、存儲器、定時/計數器、i/o接口電路等集成在一個芯片上的大規模集成電路。單片機技術與電路設計技術、傳感與測量技術、信號與系統分析技術、可編程邏輯應用技術、微機接口技術、數據庫技術以及數據結構、計算機操作系統、匯編語言程序設計、高級語言程序設計、軟件工程、數據網絡通信、數字信號處理、自動控制、誤差分析、儀器儀表結構設計和制造工藝等的結合，使得單片機的應用非常廣泛。測量過程中用到的信號發生器，通常被稱為信號源。在科研、使用、生產、測試和維修各種電子元器件、部件及整機設備時，都需要用信號源提供激勵信號，由它產生不同頻率、不同波形的電壓和電流信號，并加到被測器件、設備上，然后用其他測試儀器觀測其輸出響應。信號發生器可提供符合一定電技術指標的電信號，其波形、頻率和幅度都可調節，并可以準確讀出數值。在電子測量中，信號發生器是最基本，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：作為某些電氣設備的激勵信號源。2)信號仿真：在設備測量中，常需要產生模擬實際環境特性的信號，如對干擾信號進行仿真。3)校準源：產生一些標準信號，用于對一般信號源進行校準。1.2 信號發生器的發展歷史作為工業產品特別是電力、電子產品的研制和生產領域中最重要的測試設備之一，信號發生器的發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研制了第一臺信號發生器，從而使得人們在測試設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，信號發生器一直隨著電子技術、計算機技術的發展而發展，成為這些技術發展的一個縮影。從技術上看，信號發生器經歷了由模擬式信號發生器、數字式信號發生器到虛擬信號發生器這三個發展過程。從四十到六十年代，信號發生器都是完全用以電子管工藝為基礎的模擬電路搭建的，往往其調節范圍受到限制，因而劃分為音頻、高頻、超高頻、射頻和微波等信號發生器，其信號的精度和可控性都不理想，而且可產生的信號的種類較少，對于較復雜信號的產生，其電路構造都非常復雜，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，大規模和超大規模集成電路的大范圍的應用，數字電路在信號發生器中得到廣泛的應用，從而大大提高了信號發生器的精度，減少了電路本身產生的噪聲，體積也大為縮小。八十年代開始，計算機逐漸在工業生活中占據了重要的位置，信號發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，這時候的信號發生器也發生了翻天覆地的變化。比如說，它所能產生信號的種類大大增加；任意波信號可以通過人工設定在同一臺信號發生器中產生；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，輔以相應的硬件設備的測試系統代表了未來測試儀器的發展方向。人們可以在友好的人機見面環境中輕輕松松地進行各種復雜的操作，信號發生器也從一個完全獨立的測試設備，進而成為整個虛擬儀器系統中一個必不可少的子模塊1。信號發生器中一項關鍵技術是信號頻率的變動控制。早期的信號發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生正弦或其它函數波形，頻率的變動由機械驅動可變元件(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，噪聲大，頻率的改變控制不容易，這時根據技術的發展和科學的需要，鎖相頻率合成器(phase locked frequency synthesize)應運而生。這是一次技術上的飛躍，它基于鎖相環路原理，從一個高準確度、高穩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，直到現在鎖相頻率合成仍然是工程應用中最為普遍的技術。隨著科學技術的發展，信號發生器的變化日新月異，直接數字頻率合成(direct digit frequency synthesize，ddfs)則是近幾年來最新發展的技術，它完全擺脫間接數字合成的乘法/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，再經數模轉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模轉換器的開關時間，顯然要比模擬電路快得多，因此廣泛采用ddfs技術是必然的發展趨勢。1.3 信號發生器發展趨勢及現狀隨著電子技術的發展，對信號源頻率的穩定度、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、電子對抗以及各種電子測量技術十分重要。直接數字頻率合成技術(direct digital frequency synthesis，即ddfs，一般簡稱dds)，是從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術。和傳統的頻率合成技術相比它具有頻率分辨率高、頻率轉變速度快、輸出相位連續、相位噪聲低、可編程和全數字化、便于集成等突出優點，成為現代頻率合成技術中的佼佼者，得到越來越廣泛的應用，成為眾多電子系統中不可缺少的組成部分。英特西爾公司開發研制并投放市場的壓控振蕩型精密波形發生器icl8038可同時產生正弦波、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，頻率又容易調節，隨溫度，環境的穩定性好，抗干擾能力較強。是現在應用廣泛的芯片之一3。目前我國經濟開始進入一個新的發展時期，經濟的快速發展將加快企業的技術改造步伐，各行業特別是電子、通信行業對先進任意波發生器的需求更加強勁。據最新電子商情報道，從1998年開始，由于國家采取了擴大內需發展經濟的決策，擴大了國產任意波信號發生器的市場，銷量增長都在30%左右。但我國的任意波信號發生器市場大部分被國外產品所占領，國內產品市場占有率很低。目前，allritsu、agilent、advantest、側s、tektronix、nl幾家著名儀器公司都在生產各類任意波形信號發生器，如agilent公司生產的hp331加a函數/任意波形發生器、advantest公司生產的33120a函數/任意波形發生器。asilent的信號發生器一直是業界公認的高水平儀器，而且種類和型號最多，產品功能全、技術含量高。近幾年anritsu、agilent、advantest、側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生器已極大地超過國內產量4。我國的儀器技術水平在發展中國家處于領先地位，且產品價格便宜。境外有的銷售商己把目標轉向國內的產品，出口到北美、歐洲、東南亞的任意波信號發生器逐年增加，所以擴大外銷產品是擴大國產任意波信號發生器市場的一條重要出路。總之，努力開發擁有自主知識產權的先進任意波信號發生器己成為我國儀器行業的當務之急。只有這樣，國產任意波信號發生器才能在競爭激烈的國內外儀器市場中占有一席之地。1.4 課題主要內容和章節安排本文主要是基于單片機的低頻信號發生器的設計。首先對構成信號發生器的主要部分進行設計，掌握它們的基本工作原理。其次對at89c51、dac0832、lm324及其它構成信號發生器的器件的工作原理和電路結構進行重點介紹。再次學習單片機的c語言及產生各種波形的原理。介紹本設計中涉及到的相關知識，完成設計。本文第一章緒論，分為三個小節分別對信號發生器進行了簡要的介紹：課題背景、信號發生器的發展歷史和發展趨勢。本文第二章介紹了信號發生器的種類，低頻信號發生器的方案論證和基于at89c51信號發生器的設計原理。本文第三章是本論文的重點，對信號發生器的硬件結構進行介紹，分為兩個小節分別對本系統中用到的芯片和單元電路的設計進行了仔細的介紹和分析。本文第四章信號發生器的軟件設計，也是本文重點。分為兩個小節分別對信號發生器的主程序和子程序流程圖進行了介紹。第2章 低頻信號發生器的設計原理根據題目要求設計一種基于單片機的低頻信號發生器，我先從信號發生器的種類入手，查閱資料對幾種由不同單片機組成的信號發生器進行比較，并確定方案2.1 信號發生器的種類信號發生器應用廣泛，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。可見，這兩類信號發生器頻率范圍有重疊，而所謂“射頻信號發生器”包含了表中視頻以上各類信號發生器。例如，在電子儀器的門類劃分中，“低頻信號發生器”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生器，“射頻信號發生器”則指能產生正弦信號，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制功能的信號發生器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域超低頻信號發生器30khz以下電聲學，聲納低頻信號發生器30300khz電報通信視頻信號發生器3006mhz無線電廣播高頻信號發生器630mhz廣播，電報甚高頻信號發生器30300mhz電視，調頻廣播，導航超高頻信號發生器3003000mhz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；邏輯信號源輸出數字碼形。混和信號源又可分為函數信號發生器和任意波形/函數發生器，其中函數信號發生器輸出標準波形，如正弦波、方波等，任意波/函數發生器輸出用戶自定義的任意波形；邏輯信號發生器又可分為脈沖信號發生器和碼型發生器，其中脈沖信號發生器驅動較小個數的的方波或脈沖波輸出，碼型發生器生成許多通道的數字碼型。如泰克生產的afg3000系列就包括函數信號發生器、任意波形/函數信號發生器、脈沖信號發生器的功能。2.1.3 按信號發生器的性能分類按信號發生器的性能指標，又可分為一般信號發生器和標準信號發生器。前者是指對其輸出信號的頻率、幅度的準確度和穩定度及波形失真等要求不高的一類發生器；后者是指輸出信號的頻率、幅度、調制系數等在一定范圍內連續可調，并且讀數準確、穩定，屏蔽性良好的中、高檔信號發生器。還有其他一些分類方法，例如，按照調節方式，可分為普通信號發生器、掃頻信號發生器和程控信號發生器；按照使用范圍，可分為通用信號發生器和專用信號發生器(如調頻立體聲信號發生器、電視信號發生器及矢量信號發生器等)；按照頻率產生方法又可分為諧振信號發生器、鎖相信號發生器及合成信號發生器等。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 低頻信號發生器的方案設計根據論文題目是要求合適的單片機設計一個低頻信號發生器。通過查閱資料發現其制作方法有很多種，不同的制作方案各有其優點和缺點。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串并聯選頻網絡的一種正弦波振蕩器。該信號發生器由放大電路和選頻網絡構成。放大電路由集成運放組成電壓串聯負反饋放大，有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點。電路集成運放設計rc橋式正弦波振蕩器產生頻率與幅值可以達到一定要求的正弦波。再將產生的正弦波作為輸入信號經過一個波形變換電路產生方波，在將方波經積分電路轉換成三角波6。其總體的結構框圖如圖2-1所示。rc橋式振蕩器是采用rc串并聯選頻網絡的一種正弦波振蕩器。雖然具有較好的正弦波形且頻率調節范圍寬，但是此方案rc橋式正弦波振蕩器的設計中，起振后若只依靠晶體管的非線性來穩幅，波形頂部容易失真。所以這種信號發生器的振蕩具有起振要求嚴，容易產生失真，穩幅效果差等缺點。圖2-1 利用運放設計成信號發生器的總結構框圖2.2.2 方案二采用集成芯片(icl8038)外接電路產生，icl8038是精密波形產生與壓控振蕩器，其基本特性為：可同時產生和輸出正弦波、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0.001hz300khz；其構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計比較簡單、易制作等，但是產生的方波時有一定的延時，導致輸出的波形有一定的失真。圖2-2 利用icl8038產生波形主要原理框圖102.2.3 方案三利用at89c51單片機控制的信號發生器，可輸出電壓范圍為05v，頻率范圍為11000hz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碼管顯示波形頻率。本系統輸出的各種信號,均由軟件程序產生各種數據，再經過d/a轉換后輸出,通過i/v轉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信號發生器具有容易制作，能方便調節的特點，所以本次設計我采用的是方案三，利用at89c51和dac0832制作一個低頻信號發生器。圖2-3 系統原理圖2.3 基于at89c51信號發生器的方案設計及原理本系統是基于at89c51單片機控制的信號發生器，可輸出電壓范圍為05v，頻率為11000hz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節。本系統輸出的信號，均由軟件產生數據，經過d/a轉換器轉換后輸出，再通過i/v轉換電路得到正弦波信號，保證了波形的平滑、穩定和精度。可滿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 信號發生器的硬件電路設計方案本次設計主要是以at89c51和dac0832為核心，通過軟硬件結合的方式實現波形輸出和頻率顯示的目的。本系統的硬件部分有時鐘電路，復位電路，顯示電路和數模轉換電路。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，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性。時鐘電路用于產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。單片機應在唯一的時鐘信號控制下，嚴格地按時序執行指令進行工作，而時序所研究的是指令執行過程中各個信號的關系。時鐘電路是為單片機提供精確定時的電路，在本設計中用于計時、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，這樣整個程序才能有序地執行。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，即指向片內數據存儲器(片內ram)07h單元,p0p3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顯示器有靜態顯示和動態顯示兩種顯示方式。本次設計我采用的是動態顯示模式，因為采用動態顯示方式比較節省i/o口，硬件電路也較靜態顯示方式簡單。d/a轉換器(dac)將微機處理后的數字量轉換成為模擬量(電壓或電流)。d/a轉換的基本原理是數字量由代碼按數值組合起來表示的。欲將數字量轉換成模擬量，必須先把每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬分量，然后將數字量轉換成相應的模擬分量，然后將各模擬分量相加，其總和就是與數字量相應的模擬量。按這個d/a轉換原理構成的轉換器，主要由電阻網絡，電子開關和基準電壓組成。電阻網絡通常有兩種形式：權電阻解碼網絡和r-2r梯形解碼網絡。dac集成電路大都采用r-2r梯形解碼網絡。本系統中用到的dac0832就是r-2r梯形解碼網絡。輸入的二進制數字量通過邏輯電路控制電子開關。當輸入的數字量不同時，通過電子開關使電阻網絡中的不同電阻和基準電壓接通，在運算放大器的輸入端產生和二進制數各位的權成比例的電流，再經放大器將電流轉換為與輸入二進制數成正比的輸出電壓。基準電壓是提供給轉換電路的穩定的電壓源，也稱為參考電壓。整個電路由若干個相同的電路環節組成。每個環節有兩個電阻和一個開關。開關s是按二進制位進行控制的。該位為1時，開關將加權電阻與輸出端接通產生電流；該位為0時，開關與端接通。2.3.2 信號發生器的軟件電路設計方案本系統的資源分配。采用定時/計數器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/計數器t0中斷。本系統利用at89c51單片機的可編程定時/計數器，中斷系統來實現是時鐘計數，把定時器0設為工作方式1，定時時間可調。使用定時/計數器0，fosc=12mhz。則時間t頻率f 波形發生器的頻率在四位位數碼管上進行顯示，因此，在內部ram中設置顯示緩沖區共4個單元。led3 led2 led1 led07bh 7ah 79h 78h顯示緩沖區從左至右依次存放數值。波形發生器的頻率設置4個按鍵通過程序控制來完成波形發生器的頻率調制和控制輸出的波形：k1鍵控制波形發生器發出的波形；k2增大頻率；k3減少頻率；k4顯示頻率。正弦波的產生采用查表法，單片機的i/o輸出均為+5v的ttl電平，因此產生的正弦波幅值為+5v。將一個周期內的正弦波形等分為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換為單極性方式下的數字量，得到一張按照點號順序排列的數字量正弦值表格。2.4 本章小結本章中介紹了信號發生器的分類，對幾種能產生低頻信號的發生器系統做了簡要的論述和分析，從中確定本次設計方案。最后對本文中設計的基于at89c51單片機控制的信號發生器的設計原理進行了介紹。第3章 信號發生器的硬件部分3.1 主要器件3.1.1 單片機芯片at89c51at89c51是美國atmel公司生產的低電壓、高性能cmos 8位單片機，片內含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、非易失性存儲技術生產，兼容標準mcs-51指令系統，片內配置通用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域。at89c51提供以下標準功能：4kb的flash閃存存儲器，128b內部ram，32個i/o接口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，at89c51可降至0hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電模式。空閑方式停止cpu的工作，但允許ram、定時/計數器、串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存ram中的內容，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(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)/vpp：當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器(0000h-ffffh)，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，將內部鎖定為reset；當端保持高電平時，此間內部程序存儲器。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口為一個8位漏級開路雙向i/o口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每腳可吸收8ttl門電流。當p0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。(8)p1口：p1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能吸收或輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。(9)p2口：p2口為一個內部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可吸收或輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。(10)p3口：p3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向i/o口，可吸收或輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流(ill)這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下表3-1所示：表3-1 p3口的第二功能口線第二功能信號名稱p3.0rxd串行數據接收p3.1txd串行數據發送p3.2外部中斷0申請p3.3外部中斷1申請p3.4t0定時器/計數器0計數輸入p3.5t1定時器/計數器1計數輸入p3.6外部ram寫選通p3.7外部ram讀選通(11)ale/：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時，ale只有在執行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ale禁止，置位無效。(12)：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號將不出現8。在本設計中所用到的引腳有vcc，gnd，rst，xtal1，xtal2，p0口，p1口，p2口，p3口。本系統采用12mhz晶振；p0口為單片機與數碼管顯示器和數模轉換器dac0832的通信數據端口，其中p0口有8個1k的上拉電阻；at89c51單片機的復位靠外部電路來實現，信號由reset(rst)引腳輸入，高電平有效，在振蕩器工作時，只要保持reset(rst)引腳高電平兩個機器周期，單片機即可以復位，系統既有上電復位電路又可以手動復位k5；p2.0p2.3為數碼顯示管的位選控制信號端口：p3.6為數模轉換器dac0832的片選控制端口；p1.0p1.3為按鍵模塊的接口，分別實現選擇要輸出的波形，增大或減小頻率，使數碼管顯示當前波形的頻率。3.1.2 數模轉換器dac0832dac芯片的性能主要用分辨率(位數)、轉換時間和轉換精度等參數反映；dac芯片有多種類型。按dac的性能分，有通用、高速和高精度等轉換器；按內部結構分，有不包含數據寄存器的，也有含數據寄存器的；又有電流輸出型和電壓輸出型。dac0832是一種典型的8位、電流輸出型、通用dac芯片，其中d/a轉換器采用梯形電阻網絡。dac0832內部具有輸入寄存器和dac寄存器兩級數字量緩沖寄存器，可以方便地與微處理機接口。其中di0di7是8位數字量輸入引腳，ile、和控制輸入寄存器的鎖存信號le1，和控制dac寄存器的鎖存信號le2。數字量進入dac寄存器的同時，d/a轉換器就開始數字量到模擬量的轉換工作。數字量不變，模擬輸出量也不變9。dac0832的內部結構見圖3-2。圖3-2 dac0832的內部結構當ile為高、和為低時，ile為高，輸入寄存器處于直通狀態，數字輸出隨數字輸入變化；否則，將輸入數據鎖存在dac寄存器中。于是，dac0832形成3種工作方式：(1) 直通方式：將wr1，wr2，xfer，cs接地，ile接高電平 ,就能使得兩個寄存器的輸出跟隨輸入的數字量變化，dac0832的輸出也同時跟隨變化。直通方式常用于連續反饋控制的環路中。(2) 單緩沖方式：單緩沖方式就是將其中一個寄存器工作在直通狀態，另一個處于受控的鎖存器狀態。在實際應用中，如果只有一路模擬量輸出，或雖有幾路模擬量但并不要求同步輸出，就可采用單緩沖方式。(3) 雙緩沖方式：所謂雙緩沖方式就是將兩個寄存器都處于受控的鎖存方式。為了實現兩個寄存器的可控，應當給它們各分配一個端口地址，以便能按照端口地址進行操作。d/a轉換采用兩步寫操作來完成。可在dac0832轉換輸出前一個數據的同時，將下一個數據傳送到輸入寄存器，以提高d/a轉換速度。還可用于多路數模轉換系統，以實現多路模擬信號同步輸出的目的。dac0832的引腳圖見圖3-3。圖3-3 dac0832引腳圖本系統中只有一路模擬量輸出，所以采用的是單緩沖方式dac0832的模擬電流輸出有、，還有電源和地信號引腳。模擬電流輸出1，它是邏輯電平為1的各位輸出電流之和。當輸入數字全為“1”時，其值最大，為(255/256)(/)；當輸入數字全為“0”時，其值最小為0。模擬電流輸出2，它是邏輯電平為0的各位輸出電流值和。反饋電阻引出端。反饋電阻被制作在芯片內，用作外接運算放大器的反饋電阻，為d/a轉換器提供電壓輸出，該電阻與內部r-2r電阻網絡相匹配。參考電壓輸入端。范圍為+10v10v。電源電壓，為+5v+15v。agnd模擬地，芯片模擬電路接地點。dgnd數字地，芯片數字電路接地點。3.1.3 lm324的結構與功能lm324為四運放集成電路。內部有四個運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為0vcc。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互單獨。每一組運算放大器可用如圖所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“”、“”為兩個信號輸入端，“v+”、“v”為正、負電源端，“vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，vi()為反相輸入端，表示運放輸出端vo的信號與該輸入端的相位相反；vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端vo的信號與該輸入端的相位相同。lm324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態功耗小，可單電源使用，價格低廉等特點。圖3-4為lm324的引腳圖圖3-4 lm324引腳圖3.2 單元電路設計本系統設計的電路由時鐘電路，復位電路，電源電路，鍵盤接口電路，數碼管顯示接口電路，d/a轉換電路，i/v轉換電路。3.2.1時鐘電路單片機時鐘信號的產生，是因單片機內部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳xtal1，其輸出端為引腳xtal2，而在芯片的外部，xtal1和xtal2之間跨接晶體振蕩器和微調電容，從而構成一個穩定的自激振蕩器。只要在單片機的xtal1和xtal2引腳外接晶體振蕩器就構成了自激振蕩器并在單片機內部產生時鐘脈沖信號。電容器c1和c2的作用是穩定頻率和快速起振，電容值在530pf,典型值為30pf。外部信號要求為高電平的持續時間大于20ns，且為頻率低于12mhz的方波。接入晶振時，還要接入兩個2030pf的瓷片電容c1，c2,晶振頻率因單片機工作速度而異。石英晶振起振后，xtal2(18)腳有一個3v左右的正弦波。c1，c2短路、晶振不良，at89c51(18)，(19)腳內部反相器會損壞。vcc電源未加上等故障可能造成晶振不起振，使單片機無法工作。當采用外部振蕩器時信號接入(19)腳，(18)腳懸浮。振蕩器的12分頻為一個機器周期，當外接12mhz晶振時，一個機器周期為1s。晶振頻率高，則系統的時鐘頻率也高，單片機的運行速度也快。本次設計采用的頻率是12mhz。時鐘電路主要是由兩個容量值小的電容和一個頻率很高的晶振構成。主要的參數在圖3-4中可以看出。時鐘電路主要是對單片機提供工作頻率。圖3-5 時鐘電路3.2.2復位電路單片機復位電路有兩種:上電復位和按鍵復位，無論是采用哪種都能達到設計的目的。本次我采用的是按鍵復位，電路如圖3-6。單片機復位是使cpu和系統中的其它的功能部件都處在初始狀態，并從這個狀態開始工作。復位的方法:當振蕩器正常工作時，rst(9)腳上出現的兩個機器周期的高電平將使單片機有效復位。考慮到振蕩器有一定的起振時間，該引腳必須保持10ms以上高電平，才能有效復位10。注意:復位信號為2個以上機器周期的高電平，單片機復位后正常工作時應該為低電平，如果未加復位電平或復位后復位電平仍未撤除，則單片機不能正常工作。此時，可檢查rst電壓及相關器件。圖3-6 按鍵復位電路3.2.3 電源電路單片機要工作，當然須要電源，電源的穩定性直接關系到整個系統的穩定性，因此，此部分的設計也是非常重要的。單片機的工作電壓為+5v的直流電壓，在此部分的設計上本次設計的電源部分采用220v的交流電源經降壓，整流，穩壓電路以后作為整個系統的電源。如圖3-7所示。電源模塊設計的質量直接關系到單片機系統的穩定性。此電路將220v電壓經過電源變壓器、二極管全波整流、電容濾波、lm7805穩壓輸出穩定的5v直流電壓為整個電路提供電源。220v交流電經過電源變壓器換成交流低壓，在經過四個二極管組成的橋式整流電路整流，電容c1和c2分別用于輸入端和輸出端的濾波電容，電容c3和c4用于防止自激，lm7805將經過整流濾波的電壓穩定在5v輸出。圖3-7 電源電路3.2.4 數碼管顯示接口電路數碼管顯示方式有靜態顯示和動態顯示兩種方式。所謂靜態顯示，是指顯示器顯示某一字符時，相應段的發光二極管恒定地導通或截止。這種顯示方式的各位數碼管相互獨立，公共端恒定接地(共陰極)或接正電源(共陽極)。這種顯示方法每一位都需要有一個8位輸出段控控制。靜態顯示時，并行輸出顯示位數越多需要i/o口也越多。所謂動態顯示，就是一位一位地輪流點亮各位數碼管，這種逐位點亮顯示器的方式稱為位掃描。動態顯示方式比較節省i/o口，硬件電路也較靜態顯示方式簡單。本次設計采用的是動態顯示，由于只要顯示4位數字，因而采用七段數碼管做顯示器。led顯示器有共陰極與共陽極兩種結構，本次設計采用共陽極四位一體led顯示塊，驅動共陽極led的驅動電流一般較大，如果該電流與led器件的正常工作電流近似，那么可以直接驅動led，如果驅動電流比led正常電路大許多，那么兩者之間要加限流電阻，其結構如圖3-8所示。四位一體數碼管四個數碼管的段控碼內部是相串連的，但是它們的位控碼是獨立的，當某個數碼管的位控端為高電平時該數碼管就點亮。動態方式顯示時，各數碼管分時輪流選通，要使其穩定顯示