1、集成電路課程設計基于單片機的低頻信號發生器設計院 系：專 業：學 號： 姓 名：指導教師：報告提交日期： 2010 年 9 月目 錄摘要1關鍵詞11 引言2 1.1 本課題研究的現狀2 1.2 選題及其意義22 低頻信號發生器的設計要求4 2.1 功能要求4 2.2 技術指標43 系統設計規劃 5 3.1 設計方案比較5 3.2 系統設計原理5 3.3 系統設計思想64 主要元器件介紹7 4.1 STC80C52簡介 7 4.1.1 STC80C52結構 7 4.1.2 管腳說明 7 4.2 DAC0832簡介 9 4.2.1 工作原理 9 4.2.2 引腳圖及其功能 9 4.3 字符液晶LC

2、D1602簡介 105 信號發生器硬件設計12 5.1 硬件原理框圖12 5.2 主控電路12 5.3 數/模轉化及放大電路13 5.4 鍵盤接口電路14 5.5 時鐘電路15 5.6 顯示電路166 信號發生器軟件設計177 信號發生器的實物圖及其輸出波形展示18 7.1 正弦波測試18 7.2 方波測試19 7.3 三角波測試20 7.4 鋸齒波測試208 結束語22參考文獻23致謝24附錄25基于單片機的低頻信號發生器設計摘 要：信號發生器是一種用于產生標準信號的電子儀器，它廣泛用于工業生產、科研和國防等各個領域中。本系統是基于STC80C52單片機的數字式低頻信號發生器。采用STC80

3、C52單片機作為控制核心，外圍采用數字/模擬轉換電路(DAC0832)、運放電路(LM324)、按鍵和LCD顯示電路等。通過按鍵可以控制產生方波、正弦波、三角波和鋸齒波并且實時改變輸出波形的頻率和幅度，同時用LCD顯示輸出的波形名稱、頻率和幅度。關鍵詞：信號發生器，單片機，數字/模擬轉換電路，頻率，幅度Design of Low Frequency Signal Generator Based on MCU Abstract: Signal generator is the electronic instruments used to produce the standard signal.

4、It is widely used in many fields such as industrial production, scientific research and defense. The system is a digital low frequency signal generator based on MCU(STC80C52). As the control microcontroller core, the system is composed by digital/analog conversion(DAC0832), imply circuit(LM324), but

5、tons and LCD. It can generate the square, sine, triangle and sawtooth wave. Whats more, the frequency and amplitude of these signals are under the real time transformation by the buttons. At the same time, the type, frequency and amplitude of the waveform can be displsyed by LCD. Keywords: signal ge

6、nerator, MCU, digital/analog conversion circuit, frequency, amplitude1引言 能夠產生各種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為信號發生器1。信號發生器又稱信號源或振蕩器。它在通信、廣播、電視系統，在工業、農業、生物醫學等領域內都有著廣泛的應用，同時在實驗和設備檢測中有著必不可少的地位1。 1.1 本課題的研究現狀信號發生器可以構成獨立的信號源，也可以是高性能網絡分析儀、頻譜分析儀以及自動檢測設備的組成部分。信號發生器的關鍵技術是多種高性能儀器的支撐技術，因為它能夠提供高質量的精密信號源及掃頻源，可使相應

7、的系統檢測過程大大簡化，降低檢測費用并且極大的提高了檢測精度。信號發生器的總體趨勢將向著高頻率覆蓋、高頻率精度、多功能、多用途、自動化和智能化方向發展。目前，市場上的信號發生器多種多樣，一般按照頻帶分為以下幾種： (1)超高頻：頻率范圍為1MHZ以上，可達幾十兆赫茲。 (2)高頻：幾百KHZ到幾百MHZ。 (3)低頻：頻率范圍為幾十HZ到幾百KHZ。 (4)超低頻：頻率范圍為零點幾赫茲到幾百赫茲1。 超高頻信號發生器產生波形一般用LC振蕩電路。高頻、低頻和超低頻信號發生器，大多使用文氏橋振蕩電路，及RC振蕩電路，通過改變電阻和電容值來改變頻率6。用以上原理設計的信號發生器，其輸出波一般只有兩種

8、，即正弦波和脈沖波，其零點不可調，而且價格比較貴，一般在幾百元左右。在實際應用中，超低頻和高頻波一般是不用的。采用單片機STC80C52，加上一片DAC0832就可以做成一個簡單的信號發生器，加上按鍵電路、顯示電路及放大電路，就可以實現頻率幅值可調。這樣的信號發生器體積小，價格便宜，耗電少，頻率適中，便于攜帶。 1.2 選題及其意義 信號發生器是一種經常使用的設備，由純粹的物理器件構成的傳統設計方法存在許多弊端，如體積大、重量大、移動不夠方便、信號失真較大、波形種類過于單一、波形形狀調節過于死板，無法滿足用戶對精度、便攜性、穩定性等要求，研究設計出一種具有穩定頻率、準確、波形質量好、便攜性好等

9、特點的信號發生器具有較好的市場前景，以滿足軍事和民用對信號源的要求。 本設計的主要目標是學習運用單片機的外圍硬件電路設計及軟件設計，了解DAC0832的數模轉換原理及其其內部結構，實現利用單片機STC80C52和8位D/A轉換芯片DAC0832共同實現正弦波、方波、三角波和鋸齒波這四種常見波形的產生，并且通過按鍵實現波形的切換、頻率和幅值調節。其輸出的頻率范圍為50HZ至100HZ。 在無標準函數發生器時，本設計可以作為簡單的函數發生器使用。本次設計力求在成本較低廉的前提下完成，性能指數都不是很高。通過本課題的設計掌握了單片機系統的軟硬件設計及開發過程和基本信號產生原路、測量及誤差分析方法，同

10、時掌握了信號發生器的開發流程，培養了綜合運用所學的基本知識、基本理論和基本技能的能力，學習解決一般工程技術和有關專業問題的能力，學習工程設計和科學研究的基本方法，完成對所學知識的綜合訓練。 2低頻信號發生器的設計要求 2.1 功能要求 1.波的輸出頻率范圍：下限頻率50HZ，上限頻率為100HZ 2.輸出波中不能產生尖峰干擾 3.按鍵可前后切換波形 4.按鍵可上下調節頻率 5.按鍵上下可調節幅值 6.利用LCD液晶顯示輸出波的名稱、頻率和幅值 2.2 技術指標 1.波形失真度：5% 2.LCD1602顯示3信號發生器設計規劃 3.1 設計方案比較信號發生器的設計方案可用多種方案來實現。在設計前

11、對各種方案進行比較：方案一：用車分放大電路實現三角波到正弦波以及集成運放組成的電路實現信號發生器。波形不換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性，傳輸特性曲線越對稱，線性區域越窄越好；三角波的幅度應正好使晶體接近飽和區域或者截止區域2。方案二：用三極管折線近似電路以及集成電路的運放組成的電路實現信號發生器。根據二極管折線近似電路實現三角波正弦波的變換頻率調節部分設計時，可先按三個頻段給定三個電容值：1000pF、0.01uF、0.1uF然后再計算R的大小3。手控與壓控部分的線路要求更換方便。方案三：利用單片機STC80C52和8位D/A轉換芯片DAC0832共同實現正弦波、方波、三角波和

12、鋸齒波這四種常見波形的發生，并且可以接受外部按鍵來切換波形，調節頻率和幅值。可行性分析：上面三種方案中，方案一與方案二中三角波正弦波部分原理雖然不一樣，但是他們有共同的地方就是都要搭建波形變換電路圖4。而方案三利用單片機構成的應用系統有較高的可靠性，系統的擴展和系統的配置靈活方便。容易構成各種規模的應用系統，且應用系統有較高的軟硬件利用參數。單片機具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現，而且設計時間短，成本低，可靠性高。 綜上所述我們選擇了第三種設計方案。 3.2 系統設計原理數字信號可以通過數/模轉換成模擬信號，因此可以通過產生數字信號再轉換成模擬信號的方法獲得所需要的波形。單片機本

13、身就是一個完整的微型計算機。具有組成微型計算機的各個組成部分：中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器/計數器以及串行通訊接口等1，只要將單片機在配置鍵盤及其接口、顯示器及其接口、數模轉換以及放大電路，則可實現波形的輸出，即構成所需的信圖1 系統原理框圖號發生器，其原理框圖如圖1所示。單片機是整個波形發生的核心部分，通過程序的編寫和執行，產生各種各樣餓波形，并且通過鍵盤來進行各種波形的切換，并且實現波形的頻率和幅度大小的調節。當數字信號經過接口電路到達轉換電路，將其轉換為模擬信號，即輸出所需的波形。 3.3 設計思想(1) 將一個周期的信號分離成256個

14、點(按X軸等分)，每兩個點之間的時間間隔為T，用單片機定時產生，其表示式為：T=T256。如果單片機的晶振為12MHZ，采用定時方式1，則定時器初值為：X=216 -T/Tosc1。(2) 為了實現調整幅度，將一個周期的256個信號點分為四等分，每1/4周期的信號點為64個，調整幅度的時候可以將這1/4周期的點的幅度同時增大或者減小。(3) 對于生出的四種波形分別用波形生成器生成四個不同的波表。4主要元器件的介紹 4. 1 STC80C52簡介 4.1.1 STC8052結構 單片機內部結構圖如圖2所示圖2 STC80C52內部結構在設計中，STC80C52用于產生波形的數字信號，并控制信號的

15、頻率和幅。STC80C52是一種帶4K字的程序存儲器的低電壓、高性能的COMS8位微處理器，又稱單片機。它的內部結構按功能可分為8個組成部分：微處理器(CPU)、數據存儲器(RAM)，程序存儲器(ROM/EPROM)、特殊功能寄存器(SFR)、并行I/O口、串行通信口、定時器/計數器及中斷系統4。本系統選擇STC80C52作為主控芯片，不僅滿足系統要求而且比較廉價，從功能實現和經濟雙方面考慮，選擇是非常合理的。 4.1.2 管腳說明 單片機引腳圖如圖3所示。 P0口：P0口作為一個雙向8位三態I/O口，當作為I/O口使用時，可以直接連接外部I/O設備。它是地址總線低8位和數據總線的分時復用口，

16、可驅動8個TTL負載。一般作為擴展時地址/數據總線口使用。當P0腳第一次寫入1時，被定義為高阻輸入4。 P1口：P1為8位準雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或者輸出線(作為輸入口時，口鎖存器必須置1)，可驅動4個TTL負載。 P2口：P2口為8位準雙向I/O口，當作為I/O口使用時，可以直接連接外部I/O設備。它是地址總線高8位復用，可驅動4個TTL負載。一般作為擴展時地址總線高8位使用。 P3口：P3口為8位準雙向I/O口，是雙功能復用口，可驅動4個TTL負載。 RST：復位輸入。當振蕩器復位時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，用

17、于鎖存地址的低位字節。在編程期間時，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE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。因此它可作為外部輸出脈沖或是用于定時目的。然而要注意的是：每當用外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅動8個TTL負載4。 PSEN：此輸出為單片機訪問外部程序存儲器的讀選通信號。在外部程序存儲器取指令期間，每個機器周期PSEN兩次有效。但在此期間，每當訪問外部存儲器時，這兩次的PSEN信號將不出現。該口同樣可以驅動8個TTL負載5。圖3 STC80C52引腳圖 EA/VPP：當EA保持高電平時，單片機訪問的是內部程序存儲器，但當PC值超過某值時

18、，將自動轉向外部程序存儲器內的程序。當EA保持低電平時，則不管是否有內部程序存儲器而只訪問外部程序存儲器4。 4. 2 DAC0832簡介 4.2.1 工作原理 DAC0832內部結構圖如圖4所示。 在設計中，DAC0832主要用來將數字信號轉換為模擬信號。DAC0832是8位D/A芯片，片內帶數據鎖存器，電流輸出。該系列產品包括DAC0830、DAC0831、DAC0832，它們可以完全相互代換。它由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路組成5。圖4 DAC0832內部結構 DAC0832可以有三種工作方式： 1、單緩沖方式 若應用系統中只有一路D/A轉換或雖然有

19、多路轉換，但并不要求各路信號同步輸出時，則采用單緩沖方式來接口。方法是：使鎖存器和DAC寄存器同時接收數據4。 2、雙緩沖方式 當多路D/A信號要求同步輸出時，則采用雙緩沖方式。方法是：分別使其輸入鎖存器接收數據；同時傳送數據到其 DAC寄存器，以實現多路轉換同步輸出4。 3、直通方式 所有控制信號均有效，適宜于連續控制時。 4.2.2 引腳圖及其功能 各引腳如圖分布如圖5所示。 DI7DI0：8位數據輸入端，DI7為最高位。 IOUT1：模擬電流輸出端1，當DAC寄存器中數據全為1時，輸出電流最大，當DAC寄存器中數據全為0時，輸出電流為0。 IOUT2：模擬電流輸出端2，當DAC寄存器中數

20、據全為1時，輸出電流最大，IOUT1和IOUT2的和為一個常數6。 RFB：反饋電阻引出端，DAC0832內部已經有反饋電阻，所以RFB端可以直接圖5 DAC0832引腳圖到外部運算放大器的輸出端，這樣相當于將一個反饋電阻接到運算放大器的輸出端和輸入端之間。 VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可以接一個負電壓，它決定0 至255的數字量轉換出來的模擬電壓值的幅度。 4.2.3字符液晶LCD1602簡介 字符液晶顯示器根據顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等，這里介紹常用的1602液晶模塊,可以顯示2行每行16個字符。LCD1602采用標準的16腳接口，其引

21、腳圖如圖6所示。其中: VSS：地電源 VDD：接5V正電源 VEE：液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。圖6 LCD1602引腳圖 EN：使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。 D0D7：8位雙向數據線。 RS：寄存器選擇，1：選擇數據寄存器，0：選擇指令寄存器。 RW：讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。RS=0，RW=0：寫入指令或者顯示地址，RS=0，RW=1：讀忙信號，RS=1，RW=0：寫入數據5。5信號發生器硬件設計 5.1 硬件原理框圖 硬件

22、原理框圖如圖7所示圖7 系統硬件原理框圖 5.2 主控電路 單片機STC80C52內部設置兩個16為可編程的定時器/計數器T0和T1，它們具有計數方式和定時方式兩種工作方式以及4中工作模式。在信號發生器中，將其作為定時器使用，用來精確地確定波形的兩個采樣點輸出之間的延時時間。模式1是采用16位計數器，當T0或T1被允許計數后，從初值開始加計數，最高位產生溢出時向CPU請求中斷。 中斷系統是使處理器具有對外界異步事件的處理而設置的。當中央處理器CPU處理某件事的時候外界發生了緊急事件，要求CPU暫停當前的工作，轉向處理這個緊急事件。在信號發生器中，只要片內定時器/計數器溢出時產生的中斷請求，即在

23、單片機輸出一個波形的采樣點信號后，接著啟動定時器，在定時器未產生中斷之前，單片機等待，直到定時器計數結束后，產生中斷請求，單片機響應中斷，接著輸出下一個采樣點信號，如此循環產生所需的信號波形。主控電路如圖8所示。其中P0口用于輸出數字信號，輸入DAC0832后經過數模轉換后輸出相應的電壓，生成相應的波形。P2口用于液晶的數據輸入口，使得液晶能夠顯示出此刻輸出波形的類型、頻率以及幅值。P3.0到P3.5口用于鍵盤檢測，當單片機接收到鍵盤的輸入后可以產生相應的操作，達到切換波形，調整頻率和幅值。P1.5到P1.7口用于液晶的控制端口，用于操作液晶顯示。其中主控電路還包括復位電路和時鐘電路，晶振選用

24、12MHZ的。圖8 主控電路 5.3數/模轉換及放大電路 由于單片機產生的是數字信號，要想的到所需的波形，數字信號轉換成模擬信號，所以選用價格低廉、接口簡單、轉換控制容易并且具有8位分辨率的數模轉換器DAC0832。DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換器以及輸入控制電路四部分組成。但實際上，DAC0832輸出的電量也不是真正能夠聯系可調，而是以其絕對分辨率為單位增減，是準模擬量的輸出。DAC0832是電流型輸出，在運用時應該利用外界運放使之成為電壓型輸出7。 數/模轉換及放大電路如圖9所示。由于此電路只有單通道，所以選用的是DAC0832的單緩沖方式應用接口電路

25、。 其中輸出波經過了濾波和二級放大才得到最終的波形。圖9 數/模轉換及放大電路 5. 4鍵盤接口電路 按鍵接口電路如圖10所示。 這種特殊的接法為了避免按鍵與單片機相連時出現不確定狀態。當按鍵沒有按下時，單片機與鍵盤接口對應的I/O輸入為高電平；當有按鍵按下時，產生一個下拉，使得單片機接口輸入為低電平，因而可以產生相應的操作。 當按下S1鍵時，每按一次則輸出波形頻率加1HZ，當頻率達到100HZ時，再按一次則還原為50HZ，當按下S2鍵時，每按一次則輸出波形頻率減1HZ，當頻率達到50HZ時，再按一次，則頻率變為100HZ。按鍵S3和S4分別進行波形的正反向切換，時輸出端口輸出不同的波形：正弦

26、波、鋸齒波、方波、三角波。S5和S6分別進行幅度正方向調節，本設計總共設置了四種幅度的檔位選擇。圖10 鍵盤接口電路 5.5 時鐘電路 單片機有兩個引腳(XTAL1，XTAL2)用于外接石英晶體和微調電容，從而構成時鐘電路，其電路圖如圖11所示。電容C1和C2對振蕩頻率有穩定作用，其電容量選擇為30pf ,振蕩器的選擇頻率為12MHZ的石英晶體。由于頻率較大時，三角波、正弦波、鋸齒波中每一點的延時時間只有幾微妙，故延時時間還要加上指令時間才能獲得較大的頻率波形。圖11 時鐘電路5.6顯示電路 顯示電路如圖12所示。圖12 液晶顯示模塊電路顯示電路時用來顯示波形信號的頻率和幅度以及輸出波形的類型

27、，使得系統更加的合理。從經濟的角度出發，選用LCD1602比較合理。6 信號發生器軟件設計 程序流程圖如圖12所示。 本程序的子程序選擇是通過鍵盤的輸入來實現的，在取得按鍵值之后啟動相應的中斷服務程序，再直接根據查詢值來切換波形以及實現幅度和頻率的調整。圖13 系統軟件流程圖7 信號發生器的實物圖及其輸出波形展示 通過前面的軟硬件設計以后，整個電路的設計基本完成，系統在以Proteus7.2這款軟件為平臺，對正弦波、方波、鋸齒波和三角波進行了仿真與測試，通過仿真證明了電路軟硬件設計的正確性。最后就是進行焊接實物圖并且測試實物圖的正確性。 系統硬件的整體實物圖如圖14所示。圖14 系統硬件的整體

28、實物圖 7. 1 正弦波的測試 正弦波的測試如圖15所示。 此波的幅度可調整，有四個幅度檔位。頻率可調，頻率的調節范圍為50HZ至100HZ，按鍵每按一次，則頻率可加減1HZ。并且可以通過液晶顯示詳細信息。波形的缺陷在于在峰值處由于點的疊加造成有少許重疊，不過，不影響整體的完整性，失真也較小。如圖顯示的是幅度第三檔位，頻率為50HZ的波形。圖15 正弦波的實物測試 7. 2 方波的測試圖16 方波的實物圖測試 方波的測試如圖16所示。 此波的幅度可調整，有四個幅度檔位。頻率可調，頻率的調節范圍為50HZ至100HZ，按鍵每按一次，則頻率可加減1HZ。并且可以通過液晶顯示詳細信息。失真較小。如圖

29、顯示的是幅度第四檔位，頻率為50HZ的波形。 7. 3 三角波的測試 三角波的測試如圖17所示。 此波的幅度可調整，有四個幅度檔位。頻率可調，頻率的調節范圍為50HZ至100HZ，按鍵每按一次，則頻率可加減1HZ。并且可以通過液晶顯示詳細信息。波形失真也較小。如圖顯示的是幅度第四檔位，頻率為50HZ的波形。圖17 三角波的測試 7. 4 鋸齒波的測試 鋸齒波的測試如圖18所示。 此波的幅度可調整，有四個幅度檔位。頻率可調，頻率的調節范圍為50HZ至100HZ，按鍵每按一次，則頻率可加減1HZ。并且可以通過液晶顯示詳細信息。波形的失真較小。唯一缺陷在于有一點圓角造成失真。如圖顯示的是幅度第三檔位

30、，頻率為50HZ的波形。圖18 鋸齒波的測試8 結束語這種基于單片機的信號發生器已經展現出很好的性能，而且有著較高的性價比。此外，它產生的波形也模擬電路波形相比，波形有著更好的平滑性，其周期也更加穩定。應經越來越多的應用到各種電子設備中，給人們日常的生活帶來了極大的方便。由于我個人的所學知識有限，此次設計中的低頻信號發生器也有其不足之處，有些指標還有待提高，例如可調頻率的范圍不夠寬，沒法提高到更高的頻率，同時，其幅度并不是連續可調，只有四個檔位。我將會在今后的學習中更加踏實地學好各個知識點。參 考 文 獻1 程全. 基于AT89C52實現的多種波形發生器設計J. 周口師范學院學報, 2005.

31、22(5)：5758.2 華成英，童詩白. 模擬電子技術基礎(第四版)M. 北京：高等教育出版社.2006.3 閻石. 數字電子技術基礎(第五版)M. 北京:高等教育出版社.2006.4 楊恢先，黃輝先. 單片機原理及應用M. 北京：人民郵電出版社.2009.5 張道德. 單片機接口技術(C51版)M. 北京：中國水利水電出版社.2008.6 康華光. 電子技術基礎數字部分(第四版)M. 北京：高等教育出版社.2000.7 康華光. 電子技術基礎模擬部分(第四版)M. 北京：高等教育出版社.2006.致 謝 本文的研究工作是在唐明華教授的悉心指導、幫助和督促下完成的。唐老師無論是在授課和指導課

32、程設計過程中都做到一絲不茍、嚴格要求，他的積極負責給我留下了深刻的印象，他身上的這種精神將稱為我以后人生的寶貴的精神財富，我衷心地感謝他。 同時我想感謝提供我良好的研究環境和實踐條件的各位研究生學長們，是你們給予了我大量的指導和支持。 在本文完成之際，謹向為我傾注了大量心血的指導老師及幫助過我我老師學長和同學們表示最誠摯的感謝和深深地敬意！附 錄程序部分代碼：#include#includemain.hvoid init_timer0()EA=1;ET0=1;AUXR=AUXR|0x80;TH0=TM0H;TL0=TM0L;TMOD=0x01;void init_ccap0()CMOD=0X0

33、8;CL=0;CH=0;CCAP0L=0XC0;CCAP0H=0XC0;CCAPM0=0X42;void timer_0(void) interrupt 1ET0=0;TH0=TM0H;TL0=TM0L;if(slec=1)CCAP0H=mul*sinindex;P0=mul*sinindex;else if(slec=2)CCAP0H=mul*squindex;P0=mul*squindex;else if(slec=3)CCAP0H=mul*triindex;P0=mul*triindex;else if(slec=4)CCAP0H=mul*sawindex;P0=mul*sawindex;index+;if(index=255)index=0;ET0=1;void main()unsigned char key,k;wr=0;TM0H=0Xfc;TM0L=0Xbf;init_ccap0