基于单片机的信号发生器的设计

郑州科技学院《单片机原理及应用》课程设计题目基于单片机的信号发生器的设计学生姓名专业班级通信工程2班学号院（系）信息工程学院指导教师完成时间2015年9月27日目录1课程设计的目的.......................................................................12课程设计的任务与要求...........................................................13设计方案与论证.......................................................................13.1设计方案..................................................................................................23.2方案论证..................................................................................................24硬件电路设计...........................................................................34.1单片机最小系统...................................................................................34.2D/A数模转换电路...............................................................................54.3按键电路..................................................................................................74.4放大电路...................................................................................................85系统软件设计.........................................................................106系统调试.................................................................................126.1硬件调试.................................................................................................126.2软件调试................................................................................................127总结.........................................................................................14参考文献.......................................................................................15附录1：总体电路原理图............................................................16附录2：元器件清单....................................................................17附录3：实物图............................................................................18附录4：源程序............................................................................2011课程设计的目的课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。单片机课程设计，要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象.单片机课程设计的目的和任务是训练学生综合运用已学课程“电子技术基础”、“单片机原理及应用”的基本知识，独立进行单片机应用技术和开发工作,掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测2课程设计的任务与要求（1）能产生方波、锯齿波、三角波；（2）波形的幅值与频率可调；（3）输出的波形可供示波器显示。3设计方案与论证23.1设计方案方案一：采用单片函数发生器（如8038），8038可同时产生正弦波、方波等，而且方法简单易行，用D/A转换器的输出来改变调制电压，也可以实现数控调整频率，但产生信号的频率稳定度不高。方案二：采用51单片机编程的方法来实现。该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换。此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。3.2方案论证经过比较，方案二采用软硬件结合，软件控制硬件的方法来实现，使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证，而且它使用的几种元器件都是常用的元器件，容易得到，且价格便宜，使得硬件的开销达到最省。以STC89C51单片机为核心设计了一个低频函数信号发生器。信号发生器采用数字波形合成技术,由单片机，按键电路、数模转换电路、放大电路、时钟电路以及复位电路组成。通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自定义波形,如正弦波、方波、三角波、锯齿波等波形，波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。波形和频率的改变通过软件控制，幅度的改变通过硬件实现。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。总体电路框图如图3-1所示：3图3-1总体电路框图4硬件电路设计4.1单片机最小系统MCS-51是INTEL公司在成功推广的MCS-48单片机基础上加以改进而成的8位单片机。这种单片机大约是上世纪70年代末推出的，内部程序可重写的为8751，外扩程序的是8031，一次性生产，不可改变程序的是8051。图4-1为STC89C51单片机最小系统功能图。放大电路波形输出单片机复位电路数模转换电路按键电路时钟电路4图4-1STC89C51单片机引脚图STC89C51单处机内部设置两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1，它们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及4种工作模式。在波形发生器中，将其作定时器使用，用它来精确地确定波形的两个采样点输出之间的延迟时间。模式1采用的是16位计数器，当T0或T1被允许计数后，从初值开始加计数，最高位产生溢出时向CPU请求中断。中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件。在波形发生器中，只用到片内定时器／计数器溢出时产生的中断请求，即是在STC89C51输出一个波形采样点信号后，接着启动定时器，在定时器未产生中断之前，STC89C51等待，直到定时器计时结束，产生中断请求，STC89C51响应中断，接着输出下一个采样点信号，如此循环产生所需要的信号波形。STC89C51单片机有两个引脚（XTAL1，XTAL2）用于外接石英晶体和5微调电容，从而构成时钟电路，电容C1、C2对振荡频率有稳定作用，其容量的选择为30pf，振荡器选择频率为12MHz的石英晶体。由于频率较大时，三角波、正弦波、锯齿波中每一点的延时时间为几微秒，故延时时间还要加上指令时间才能获得较大的频率波形。为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分。所以，在本设计中加入了复位电路来保证单片机的持续稳定工作。4.2D/A数模转换电路数模转换就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量。DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。图4-2为DAC0832数模转换电路图。图4-2数模转换电路图图4-3为DAC0832为数模转换的最要元件引脚结构图。6图4-3DAC0832的引脚图DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。图4-3为DAC0832的引脚图。其主要参数如下：分辨率为8位，转换时间为1μs，满量程误差为±1LSB，参考电压(+10/span-10)V，供电电源为(+5～+15)V，逻辑电平输入与TTL兼容。在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号/XFER。当ILE为高电平，片选信号/CS和写信号/WR1为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当/WR1由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。对第二级锁存来说，传送控制信号/XFER和写信号/WR2同时为低电平时，二级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输VREF8GND3VCC20CS1WR12DI34DI25DI16DI07RFB9GND10IOUT111IOUT212DI713DI614DI515DI416XFER17WR218ILE(BY1/BY2)19U1DAC08327入而变化，此后，当/WR2由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。图4-3中其余各引脚的功能定义如下：DAC0832引脚功能说明：DI0~DI7：数据输入线，TLL电平。ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。CS：片选信号输入线，低电平有效。WR1：为输入寄存器的写选通信号。XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。WR2：为DAC寄存器写选通输入线。Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。Iout2:电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.Vcc:电源输入线(+5v~+15v)Vref:基准电压输入线(-10v~+10v)AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地4.3按键电路8图4-4为键盘接口电路的电路图，本系统采用独立键盘开关，其中按键“KEY1”可以来调节切换波形的输出，按键“KEY4”用来调节调节波形频率的步进值。按键“KEY2”；“KEY3”可以调节波形频率的加和减。图4-4按键电路4.4放大电路9LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方。电路图如图图4-5所示：图4-5放大电路如图4-6所示的LM358功能引脚图所示，LM358的5管脚与DAC0832的（IOUT2）12管脚相连，LM358的6管脚与DAC0832的（IOUT1）11管脚相连，LM324的7管脚