基于单片机的信号发生器的设计

基于单片机的信号发生器的设计作者指导教师摘要随着电子测量技术与计算机技术的紧密结合，一种新的信号发生器—波形发生器应运而生。所谓波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。单片机作为微型计算机的一个重要分支，有着广泛的应用范围。本设计主要以80C51单片机为核心，通过对外围芯片的控制来实现对输出波形的频率调节，然后利用扩展D/A转换器，得到所需的正弦波函数信号发生器。关键词：单片机;波形发生器;D/A转换目录引言.......................................................................................................................11、研究概况.........................................................................................................21.1国内外波形发生器的发展状况................................................................................21.2研制波形发生器的目的及意义................................................................................41.3本论文研究的任务....................................................................................................42、51单片机简介................................................................................................42.1单片机的发展历史....................................................................................................42.2单片机的组成及特点................................................................................................52.3单片机的发展趋势…………………………………………………………………53、硬件部分.........................................................................................................63.1双通道波形发生器基本原理与组成........................................................................63.2程序存储器及接口电路............................................................................................73.3键盘接口及程序编写................................................................................................73.4显示器及接口电路....................................................................................................83.5输出电路....................................................................................................................84、软件部分.........................................................................................................85、结束...............................................................................................................10致谢.....................................................................................................................11参考文献.............................................................................................................12防灾科技学院毕业设计1引言波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验。常用的波形发生器多数采用分立元件组成，不但电路复杂、价格昂贵，而且仅能产生几种常用的信号波形，如正弦波、方波、锯齿波等，还很少有可调节两路输出波形之间相位差的波形发生器，不能满足实际需要。因此，该文介绍采用应用广泛的MCS-51系列的8051单片机为核心部件，来设计与实现双通道波形发生器。该波形发生器能方便地产生所需信号波形，其频率、相位、波形也能满足精度要求。防灾科技学院毕业设计21、研究概况1.1国内外任意波形发生器的发展状况任意波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。任意波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。在70年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波方波、锯齿波和三角波等几种简单波形，输出的波形具有良好的相位噪声、较低的寄生分量以及较快的开关速度等，但是模拟电路的漂移较大，使输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因而很难将频率调到某一固定值二是脉冲的占空比不可调节。在70年代后，微处理器的出现，可以利用为处理器、A/D/和D/A硬件和软件是波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制就可以得到各种简单的波形。例如，令微处理器的累加器A自身循环增量，每增量一次即向DAC送出一个数，使DAC有一个输出。因为当的内容达到最大值255时，再增量一次，A的内容就变为最小值（零）然后可以继续增加。如此，周而复始，就可以从DAC输出端获得一个正相的阶梯波。用同样的方法还可获得方波、锯齿波、三角波等波形软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，主要时由CP的工作速度决定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期或提高CPU的时钟周期，但这些办法时有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路。当时的信号处理其时专用于心好处理的微处理器，时钟频率只有1～2MHz，A/D和D/A一般在8位左右，内部存储容量也很小。因此，能够产生正弦波的有效频宽不会超防灾科技学院毕业设计3过1MHz，要获得比较平滑的低失真度的波形，重复频率不会超过10KHz。用数字方法的函数发生器尚处于开发阶段，正式的商品还不多。到了1988年，出现几种真正高性能高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统，它由HP8770A任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。HP8770A实际上也只能产生8中波形，而且价格昂贵。不久以后Analogic公司推出了型号为Data－2020的多波形合成器，Lecroy公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大的促进了数字化技术在电子测量仪器的应用使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之逐渐发展起来。目前任意波形发生器的基础就是直接数字合成技术，用存储器做查询表通过数字形式存入的波形，由数/模转换器产生所需要的任意波形。近几年来，国际上任意波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：1.过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高使得任意波形发生器能应用于越来越广的领域。任意波形发生器软件的开发正使任意波形的输入变得更加方便和容易。任意波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种非常强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v＝f(t)形式的波形方程的数学表达式产生。各种计算机语言的飞速发展也推动了任意波形发生器软件技术的发展。目前可以利用可视化编程语言(如VisualBasic,Visual等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许徒手从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。2.与VXI资源结合。目前，任意波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量和产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得任意波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面VXI模块远远不如台式仪器更为方便。3.随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，有在繁荣起来。不过现在的新的台式仪器的形态，和几年前的已有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。防灾科技学院毕业设计41.2研制任意波形发生器的目的及意义任意波形发生器是信号源的一种，它是具有信号源所具有的特点，更因它高的性能优势而倍受人们青睐。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。目前我国已经开始研制任意波形发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说，我国任意波形发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看，多为一些PC仪器插卡，独立的仪器和VXI系统的模块很少，并且我国目前在任意波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。1.3本论文研究的任务方案一：将8051再配置键盘及其接口、显示器及其接口、数模转换及波形输出、指示灯及其接口等四部分，即可构成所需的波形发生器。方案二：利用单片机控制，采用频率锁相技术来实现的波形信