數(shù)字式正弦波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要正弦交流信號(hào)是一種應(yīng)用極為廣泛的信號(hào)。在許多測(cè)試儀中需要用標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)檢測(cè)一些物理量。正弦信號(hào)用作標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，要求正弦信號(hào)必須有較高的精度、穩(wěn)定度及較低的失真率。傳統(tǒng)的正弦信號(hào)發(fā)生器的頻率變動(dòng)由機(jī)械驅(qū)動(dòng)可變?cè)瓿?，?dāng)這種信號(hào)發(fā)生器用于低頻信號(hào)輸出往往需要的RC值很大，這樣不但參數(shù)準(zhǔn)確度難以保證，而且體積和功耗都很大。而基于單片機(jī)技術(shù)和D/A轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的正弦信號(hào)發(fā)生器就可以解決這些問題。本文主要介紹了數(shù)字式正弦信號(hào)發(fā)生器的波形產(chǎn)生原理和單片機(jī)控制原理。本次設(shè)計(jì)以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過AT89C51芯片在一定時(shí)間內(nèi)輸出一系列的離散數(shù)字樣點(diǎn)信號(hào)，然后通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成平滑的正弦波信號(hào)，最后通過運(yùn)算放大器輸出。本次設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，軟硬件相結(jié)合，硬件設(shè)計(jì)包括：數(shù)碼管頻率和振幅顯示電路、D/A轉(zhuǎn)換正弦信號(hào)輸出電路、時(shí)鐘復(fù)位電路、鍵盤頻率和振幅輸入電路；軟件設(shè)計(jì)包括：顯示子程序、D/A轉(zhuǎn)換子程序以及數(shù)據(jù)計(jì)算處理子程序、鍵盤頻率輸入子程序。通過軟、硬件的結(jié)合，既可以實(shí)現(xiàn)波形參數(shù)的獨(dú)立連續(xù)變化，又具有良好的人機(jī)對(duì)話界面，原理簡單，使用方便。軟硬件設(shè)計(jì)完成后利用KeilVision2集成開發(fā)環(huán)境編譯該最小系統(tǒng)的程序，利用Proteus仿真軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的電路原理圖，最后通過兩個(gè)工具的完美結(jié)合對(duì)該課題進(jìn)行系統(tǒng)的軟件模擬仿真，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。本次設(shè)計(jì)的數(shù)字式正弦信號(hào)發(fā)生器的參數(shù)可調(diào)，輸出波形平滑規(guī)則、頻率穩(wěn)定、有較強(qiáng)的實(shí)用性。關(guān)鍵詞：單片機(jī)正弦波信號(hào)發(fā)生器DesignandRealizationofDigitalSinusoidalSignalGeneratorAbstractThesinesignalisaveryextensiveapplicationofthesignal.thestandardsinusoidalsignalalsobeneededinmanytestertodetectsomephysicalquantities.Sinusoidalsignalasastandardsignal,demandedthatsinusoidalsignalmusthaveahighaccuracy,stabilityandlowdistortionrate.Thetraditionalsinesignalgeneratorofvariablefrequencyisdrivedbymechanicalcomponents,whenthissignalgeneratorusedforlowfrequencysignaloutputoftenneedRCvaluegreatly,Itishardtoensureaccuracyparameters,thevolumeandpowerconsumption.ButbasedonthesinglechipmicrocomputerandD/Atransformationofsinesignalgeneratorcircuitcansolvetheseproblems.Thispapermainlyintroducesthesinusoidalsignalgeneratorofdigitalwaveformprincipleandsingle-chipmicrocomputercontrolprinciple.Designwithmicro-controllertechnologyasthefoundation,byAT89C51chipinAcertainperiodofD/Anumberofdiscreteoutputseriesofconverter,thenwordingpointsignalconvertingsmoothsinesignals,throughtheoperationalamplifieroutput.ThisdesignUSESmodulardesignmethod,combiningsoftwarewithhardwaredesign,including:digitaltubeamplitudeandfrequencydisplaycircuit,D/Atransformationsinusoidaloutputcircuit,clockingcircuitandresetcircuitkeyboardinputfrequencyandamplitude,Softwaredesignincludes:displaysubroutines,D/Atransformationandthedataprocessingprocedure,keyboardinputfrequencysubroutinesubroutine.Throughthecombinationofhardwareandsoftware,canachievecontinuousvariationofparameters,andisindependentofgoodhuman-machineconversationinterface,theprincipleofsimpleandeasytouse.AfterthecompletionofthehardwareandsoftwaredesignusingKeilmuonVision2integratedenvironmentalcompiletheprogramusingtheminimumsystem,Proteussimulationsoftwaredesignofthesystemthroughthecircuitprinciplediagram,theperfectcombinationoftwotoolsonthesystemsoftwaresimulation,theresultscansatisfythedesignrequirements.Thedesignofdigitalsinesignalgeneratorparametersisadjustableandtheoutputwaveformissmooth,stable,andpractical.Keywords：MicroControllerUnitSinewaveSignalgenerator目錄1引言.12總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).22.1單片機(jī)概述.22.1.1單片機(jī)的發(fā)展.22.1.2單片機(jī)的用途.32.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能.32.3波形發(fā)生和輸出頻率的方法.32.3.1波形發(fā)生的方法.42.3.2輸出頻率的方法.43系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).53.1硬件電路芯片的選擇.53.1.1CPU芯片AT89C51.53.1.2D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832.83.1.3顯示器的選擇.93.1.4運(yùn)算放大器HA17741.103.2電路接口的設(shè)計(jì).113.2.1LED數(shù)碼管顯示電路.113.2.2D/A轉(zhuǎn)換正弦信號(hào)輸出電路.123.2.3時(shí)鐘電路及復(fù)位電路.133.2.4鍵盤頻率和振幅輸入電路.153.2.5電源電路的設(shè)計(jì).154系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì).174.1主程序功能模塊.174.2顯示子程序模塊.174.3D/A轉(zhuǎn)換子程序模塊.184.4鍵盤控制頻率輸入子程序模塊.194.5數(shù)據(jù)計(jì)算處理子程序模塊.205系統(tǒng)調(diào)試.225.1PROTEUS與KEILuVision2介紹.225.2軟硬件的調(diào)試.235.2.1軟件調(diào)試.235.2.2硬件調(diào)試.236結(jié)論.256.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果.256.2討論分析.25謝辭.27參考文獻(xiàn).28附錄.29電路圖.29源程序.30外文資料翻譯.41泰山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)11引言信號(hào)發(fā)生器又稱波形發(fā)生器，是一種常用的信號(hào)源，被廣泛地應(yīng)用于無線電通信、自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制等系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器絕大部分是由模擬電路構(gòu)成，借助電阻電容，電感電容、諧振腔、同軸線作為振蕩回路產(chǎn)生正弦或其它函數(shù)波形。頻率的變動(dòng)由機(jī)械驅(qū)動(dòng)可變?cè)瓿桑?dāng)這種模擬信號(hào)發(fā)生器用于低頻信號(hào)輸出往往需要的RC值很大，這樣不但參數(shù)準(zhǔn)確度難以保證，而且體積和功耗都很大，而由數(shù)字電路構(gòu)成的低頻信號(hào)發(fā)生器，雖然其低頻性能好但體積較大，價(jià)格較貴。在今天，隨著大規(guī)模集成電路和單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多新型信號(hào)發(fā)生器應(yīng)運(yùn)而生。用單片機(jī)并配置適當(dāng)接口芯片產(chǎn)生程控正弦信號(hào)，則可替代傳統(tǒng)的正弦信號(hào)發(fā)生器，從而有利于測(cè)試系統(tǒng)的集成化、程控化和智能儀表的多功能化。而單片機(jī)的最大特點(diǎn)是面向控制，由于它集成度高、運(yùn)算速度快、體積小、運(yùn)行可靠、價(jià)格低，因此在數(shù)據(jù)采集、智能化儀器等技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，從而使得單片機(jī)的應(yīng)用成為工程技術(shù)多學(xué)科知識(shí)匯集的一個(gè)專門研究領(lǐng)域，其應(yīng)用產(chǎn)生了極高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文中的數(shù)字式正弦信號(hào)發(fā)生器就是利用單片機(jī)技術(shù)研制出來的。通過軟硬件結(jié)合，不但簡化了硬件設(shè)備，而且還實(shí)現(xiàn)了波形參數(shù)的連續(xù)變化。它的硬件由單片機(jī)以及外圍的鍵盤、顯示器、D/A轉(zhuǎn)換等電路組成，軟件則是用MCS-51系列單片機(jī)匯編語言對(duì)輸入、顯示、轉(zhuǎn)換等模塊進(jìn)行編程。不但具有良好的人機(jī)界面，操作十分方便，而且整個(gè)系統(tǒng)操作方便直觀。通過軟件從鍵盤中輸入所要求的頻率值和幅值，單片機(jī)根據(jù)輸入的值進(jìn)行計(jì)算，將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器、外部電路處理，最后形成可用的正弦波信號(hào)。此信號(hào)發(fā)生器可以對(duì)被測(cè)系統(tǒng)提供1Hz到99Hz的超低頻正弦波信號(hào)，具有波形穩(wěn)定、波形失真度低、頻率和振幅數(shù)字可調(diào)等特點(diǎn)。泰山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)22總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1單片機(jī)概述2.1.1單片機(jī)的發(fā)展單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是指集成在一塊芯片上的計(jì)算機(jī)，單片機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步,自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來,它的發(fā)展到目前為止大致可分為5個(gè)階段：第1階段（19711976）：單片機(jī)發(fā)展的初級(jí)階段。發(fā)展了各種4位單片機(jī)，第2階段（19761980）：初級(jí)8位機(jī)階段。以1976年Intel公司推出的MCS48系列為代表，采用將8位CPU、8位并行I/O接口、8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu)，功能上可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。第3階段（19801983）：高性能單片機(jī)階段。這一階段推出的高性能8位單片機(jī)普遍帶有串行口，有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)，多個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM的容量加大,且尋址范圍可達(dá)64KB。第4階段（198380年代末）：16位單片機(jī)階段。1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機(jī)MCS96系列，網(wǎng)絡(luò)通信能力有顯著提高。第5階段（90年代）：單片機(jī)在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，尤其是八位單片機(jī)已成為當(dāng)前單片機(jī)中的主流。單片機(jī)的發(fā)展具體體現(xiàn)在如下四個(gè)方面：1.CPU功能增強(qiáng)CPU功能增強(qiáng)主要表現(xiàn)在運(yùn)算速度和精度的提高方面。為了提高運(yùn)算速度和精度，單片機(jī)通常采用布爾處理機(jī)和把CPU的字長增加到16位或32位。例如MCS96/98和HPCI6040等單片機(jī)。2.內(nèi)部資源增多目前，單片機(jī)內(nèi)部的ROM容量已達(dá)32KB，RAM數(shù)量已達(dá)1KB，并具有掉電保護(hù)功能，常用I/O電路有串行和并行I/O接口，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，定時(shí)輸出和信號(hào)捕捉輸入，系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)和DMA通道電路等。3.引腳的多功能化隨著芯片內(nèi)部功能的增強(qiáng)和資源的豐富，單片機(jī)所需的引腳數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加，這是不可避免的。例如：一個(gè)能尋址1MB存儲(chǔ)空間的單片機(jī)需要20條地址線和8條數(shù)據(jù)線。太多的引腳不僅會(huì)增加制造時(shí)的困難，而且也會(huì)使芯片的集成度大為減泰山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)3小。為了減少引腳數(shù)量，提高應(yīng)用靈活性，單片機(jī)中普遍采用一腳多用的設(shè)計(jì)方案。4.低電壓和低功耗在許多應(yīng)用場合，單片機(jī)不僅要有很小的體積，而且還需要較低的工作電壓和極小的功耗。因此，單片機(jī)普遍采用CHMOS工藝，并增加空閑和掉電兩種工作方式。2.1.2單片機(jī)的用途由于單片機(jī)具有上述顯著的特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域無所不至，現(xiàn)將單片機(jī)的應(yīng)用大致歸納為以下幾個(gè)方面：1智能儀表。用單片機(jī)改造原有的測(cè)量、控制儀表，能促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化發(fā)展。2測(cè)控系統(tǒng)。用單片機(jī)可構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。3機(jī)電一體化產(chǎn)品。單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合，使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，控制智能化。4智能接口。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(持別是較大型的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng))中，普遍采用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理，因單片機(jī)與主機(jī)是并行工作，故大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。5.醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域。單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)、各種分析儀、監(jiān)護(hù)儀、超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能本設(shè)計(jì)是以AT89C51作為中央處理芯片，通過DAC0832芯片來獲得正弦波信號(hào)，用按鍵和顯示器來設(shè)置和讀取頻率和振幅。在KEIL環(huán)境下進(jìn)行匯編編程