本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的多功能信號發(fā)生器的設(shè)計二級學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動化完成日期2014年5月10日A基礎(chǔ)理論B應(yīng)用研究C調(diào)查報告D其他目錄1引言12系統(tǒng)設(shè)計221設(shè)計要求222方案設(shè)計與論證2221信號發(fā)生電路方案論證2222顯示方案論證3223鍵盤方案論證323總體系統(tǒng)設(shè)計324硬件實現(xiàn)及單元電路設(shè)計4241主控電路的設(shè)計4242數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路5243顯示模塊的設(shè)計625軟件設(shè)計流程73輸出波形的種類與頻率的測試831測量儀器及測試說明832測試過程及結(jié)果8總結(jié)10附錄12附錄A硬件總圖12附錄B源程序13基于單片機的多功能信號發(fā)生器的設(shè)計摘要本文以AT89C52為系統(tǒng)控制器設(shè)計了一個低頻函數(shù)信號發(fā)生器，外圍有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（DAC0832）、運算電路（LM324、LCD1602顯示屏、示波器、按鍵等元件組成。通過硬件和軟件結(jié)合，可輸出各種自定義信號波形,如正弦波、方波、三角波及其他任意波形，波形的頻率在一定范圍內(nèi)可任意改變。同時在LCD顯示屏上顯示輸出波形和頻率。關(guān)鍵詞AT89C52；信號波形；LCD1602THEDESIGNOFTHEMULTIFUNCTIONALSIGNALSGENERATORBASEDONMPUABSTRACTTHISARTICLEDESCRIBEADESIGNOFALOWFREQUENCYFUNCTIONSIGNALGENERATOR,ANDITSPERIPHERALCIRCUITARECONSISTEDOFD/ACONVERSIONCIRCUITDAC0832,ARITHMETICCIRCUITRYTL084,LCDSCREEN1602,OSCILLOSCOPEANDBUTTONSBYDESIGNEDWITHHARDWAREANDSOFTWARE,ITCOULDOUTPUTALLKINDSOFWAVEFORM,SUCHASSINEWAVE,SQUAREWAVE,TRIANGULARWAVE,ANDANYOTHERCASUALWAVE,MOREEVER,THEFREQUENCEOFTHEWAVEFORMCOULDBECHANGEDINACERTAINRANGEINTHEMEANWHILE,THEOUTPUTWAVEFORMANDITSFREQUENCYWOULDBESHOWNONTHELCDSCREENKEYWORDSAT89C52SIGNALWAVEFORMLCD1602SCREEN1引言在測試、研究或調(diào)整電子元器件、電子電路及設(shè)備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，常需要提供符合要求的電信號，模擬實際工作中所用待測設(shè)備激勵信號。當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時，需使用振幅頻率已知的正弦信號源。而進(jìn)行系統(tǒng)測試時，又需使用前沿時間、脈沖寬度和重復(fù)周期已知的矩形脈沖源，并且按要求輸出信號的參數(shù)，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性，有輸出指示。而這種測試信號源一般采用信號發(fā)生器。本設(shè)計可以用于產(chǎn)生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號，產(chǎn)生可變頻率的方波、正弦波及三角波，輸出信號參數(shù)直接通過液晶顯示屏顯示。2系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)過考慮，我決定用在學(xué)校里學(xué)習(xí)過的芯片AT89C52。方案如下利用AT89C52單片機采用程序設(shè)計方法產(chǎn)生三角波、方波、正弦波三種波形，再通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)LM324濾波放大，最終由示波器顯示出來，并在LCD顯示屏顯示相對應(yīng)的波形文字以及頻率。通過鍵盤來控制四種波形的類型選擇、頻率變化，最終輸出顯示其各自的類型以及頻率數(shù)值。21設(shè)計要求1、利用單片機采用軟件設(shè)計方法產(chǎn)生四種波形2、三種波形可通過鍵盤選擇3、波形頻率可調(diào)4、需顯示波形的種類及其頻率22方案設(shè)計與論證221信號發(fā)生電路方案論證方案一采用模擬電路搭建函數(shù)信號發(fā)生器，它可以同時產(chǎn)生方波、三角波、正弦波。但是這種模塊產(chǎn)生的不能產(chǎn)生任意的波形（例如梯形波），并且頻率調(diào)節(jié)很不方便。方案二采用鎖相式頻率合成器，利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在所需頻率上，該方案性能良好，但難以達(dá)到輸出頻率覆蓋系數(shù)的要求，且電路復(fù)雜。方案三使用集成信號發(fā)生器發(fā)生芯片，例如AD9854,它可以生成最高幾十MHZ的波形。但是該方案也不能產(chǎn)生任意波形（例如梯形波），并且價格昂貴。方案四采用AT89C52單片機和DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成波形，加上一個低通濾波器，生成的波形比較純凈。它的特點是可產(chǎn)生任意波形，頻率容易調(diào)節(jié)，頻率能達(dá)到設(shè)計的500HZ以上。性能高，在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少。經(jīng)比較，方案四既可滿足課程設(shè)計的基本要求又能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，電路簡單，易控制，性價比高，所以采用該方案。222顯示方案論證方案一采用LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管組成，每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視覺暫留特性，當(dāng)每只數(shù)碼管顯示的時間間隔小于1/16S時人眼感覺不到閃動，看到的是每只數(shù)碼管常亮。使用數(shù)碼管顯示編程較易，但本設(shè)計要顯示內(nèi)容多，而且數(shù)碼管不能顯示字母。方案二采用LCD液晶顯示器1602。其功率小，效果明顯，顯示編程容易控制，可以顯示字母。以上兩種方案綜合考慮，選擇方案二。223鍵盤方案論證方案一矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤的按鍵觸點接于由行、列母線構(gòu)成的矩陣電路的交叉處。當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行和列線都斷開，行線都呈高電平。當(dāng)某一個鍵閉合時，該鍵所對應(yīng)的行線和列線被短路。方案二獨立式鍵盤。獨立式鍵盤具有硬件與軟件相對簡單的特點，其缺點是按鍵數(shù)量較多時，要占用大量口線。由于本設(shè)計用到的按鍵比較少，以上兩種方案綜合考慮，選擇方案二。23總體系統(tǒng)設(shè)計該系統(tǒng)采用單片機作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，由單片機完成人機界面、系統(tǒng)控制、信號的采集分析以及信號的處理和變換，采用按鍵輸入，利用液晶顯示電路輸出數(shù)字顯示的方案。將設(shè)計任務(wù)分解為按鍵電路、液晶顯示電路等模塊。圖（1）為系統(tǒng)的總體框圖圖1系統(tǒng)總體框圖按鍵AT89C52單片機LCD1602顯示器DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器LM324運算放大器示波器24硬件實現(xiàn)及單元電路設(shè)計241主控電路的設(shè)計設(shè)計中主要采用AT89C52型單片機，它具有如下優(yōu)點（1）擁有完善的外部擴展總線，通過這些總線可方便地擴展外圍單元、外圍接口等。（2）該單片機內(nèi)部擁有8K字節(jié)的FLASHROM程序存儲器空間和256字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲空間，完全可以滿足程序的要求。由于該芯片可電擦寫，故可重復(fù)使用。如果更改程序內(nèi)容，可將芯片拿下重新燒寫。（3）器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51型機的指令集和輸出引腳兼容。圖2主控制圖如圖2所示，AT89C52主要管腳有XTAL1和XTAL2為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHZ晶振。RST為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC和VSS為供電端口，分別接5V電源的正負(fù)端。P0P3為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0、P1端口被分別定義為DC0832和LCD1602的數(shù)據(jù)端口，分別與相應(yīng)數(shù)據(jù)管腳相連接，P2低5位分別連接DAC0832和LCD1602控制端口，P3高四位用來連接控制按鍵。在波形發(fā)生器中，P34按鍵用來改變波形，P35和P36按鍵用來改變頻率，P37按鍵用來控制中斷。在程序主函數(shù)中，我們寫了個死循環(huán)一直輸出一個默認(rèn)的波形，當(dāng)有按鍵按下又抬起時，程序會暫時跳出死循環(huán)，進(jìn)入中斷處理程序，從而對波形和頻率進(jìn)行改變。時鐘電路由于頻率較大時，三角波、正弦波、方波等波中每一點延時時間為幾微秒，故延時時間還要加上指令時間即可得到指定頻率的波形，該電路用110592MHZ晶振。AT89C52定時方式有4種，方式0、方式1、和方式3需要程序不斷反復(fù)給計數(shù)器賦初值，這影響了計數(shù)或定時精度，并且會給程序增添麻煩，由于本設(shè)計涉及到循環(huán)計數(shù)，所以定時器/計數(shù)器工作在方式2下。中斷系統(tǒng)是使處理器具有對外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。當(dāng)中央處理器CPU正在處理某件事的時候外界發(fā)生了緊急事件，要求CPU暫停當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個緊急事件。242數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路由于單片機產(chǎn)生的是數(shù)字信號，要想得到所需要的波形，就要把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，所以該文選用價格較為低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易并具有8位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832。DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)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連續(xù)可調(diào)，而是以其絕對分辨率為單位增減，是準(zhǔn)模擬量的輸出。DAC0832是電流型輸出，若要相應(yīng)的模擬電壓信號，在應(yīng)用時必須通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)。運放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接。本電路采用內(nèi)部電阻和外接電阻合用方式。根據(jù)對DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三種工作方式直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。本設(shè)計選用直通方式。DAC0832引腳功能說明CS片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500NS）有效；XFER數(shù)據(jù)傳送控制信號輸入線，低電平有效；OUT1電流輸出線，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入全為1時，輸出電流最大；RFB反饋信號輸入線，芯片內(nèi)部有反饋電阻；VCC電源輸入線（5V15V）；GND接地線；VREF基準(zhǔn)電壓輸入線（10V10V）。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖3所示DAC0832的數(shù)據(jù)口和單片機的P0口相連；OUT1、RFD分別與LM324運放器負(fù)端連在一起，以達(dá)到電壓電流之間的轉(zhuǎn)換以及電壓的放大。圖3數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖243顯示模塊的設(shè)計通過液晶1602顯示輸出的波形、頻率，其電路圖如下所示，1602的八位數(shù)據(jù)端接單片機的P1口，其三個使能端RS、RW、E分別接單片機的P22P24。通過軟件控制液晶屏可以顯示波形的種類以及波形的頻率。如圖3所示圖4液晶顯示電路244鍵盤顯示模塊的設(shè)計由于本系統(tǒng)所用按鍵較少，所以采用獨立鍵盤，其連接電路圖如下圖5鍵盤電路圖中復(fù)合鍵盤S1為波形選擇鍵，S2、S3為頻率調(diào)節(jié)鍵，S4為中斷鍵。25軟件設(shè)計流程本系統(tǒng)采用AT89C52單片機，用編程的方法來產(chǎn)生四種波形，并通過編程來切換四種波形以及波形頻率的改變。具體功能有（1）各個波形的切換；（2）各種參數(shù)的設(shè)定；（3）頻率增減等。軟件調(diào)試后，通過編程器下載到AT89C52芯片中，然后插到系統(tǒng)中即可獨立完成所有的控制。波形轉(zhuǎn)換頻率增加頻率減少中斷軟件流程圖如下否是是圖6軟件流程圖3輸出波形的種類與頻率的測試31測量儀器及測試說明測量說明正弦波、矩形波、三角波和方波信號的輸出，通過對獨立鍵盤來實現(xiàn)其不同波形的輸出頻率。32測試過程及結(jié)果當(dāng)程序下載進(jìn)去時經(jīng)過初始化，液晶屏的上只顯示“SELECTWAVE”和“PRESSNO1KEY”，當(dāng)開關(guān)S1按一下，此時輸出波形為三角波，按兩次S1是方波，按三次是正弦波。當(dāng)開關(guān)2按下是此時輸出頻率增加，當(dāng)開關(guān)3按下時此時輸出頻率減少，當(dāng)開關(guān)4按下是此時波形中斷。波形頻率范圍如下三角波50500HZ方波2002000HZ開始調(diào)用初始化按鍵是否有波形按下正弦波方波三角波是否有頻率按鍵按下顯示波形生成波形顯示頻率正弦波10100HZ三種波形的仿真波形圖如下圖7三角波圖8正弦波圖9方波其中，三角波的頻率變化幅度是每次增加或減少50HZ，正弦波的是每次增加或減少10HZ，方波的是每次增加或減少200HZ?？偨Y(jié)本次信號發(fā)生器的設(shè)計中涉及到一個典型的控制過程。通過單片機控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832產(chǎn)生電流，然后使用運算放大器將其電流輸出線性地轉(zhuǎn)化為電壓輸出，通過程序控制產(chǎn)生一系列有規(guī)律的波形。到目前為止，基于單片機多功能信號發(fā)生器的設(shè)計已全部完成，所設(shè)計的信號發(fā)生器能按預(yù)期的效果通過按鍵S1實現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換，通過S2、S3實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換，通過S4實現(xiàn)歸零，并在LCD1602上顯示出來。但本設(shè)計還存在著一些不足之處幅值不可調(diào)，沒有自適電路，實用性不大。參考文獻(xiàn)1張齊單片機原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計電子工業(yè)出版社20112汪文單片機原理及應(yīng)用華中科技大出版社20073余軍單片機開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)清華大學(xué)出版社20124周靈彬PROTEUS的單片機教學(xué)與應(yīng)用仿真單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用20085沙占友單片機外圍電路設(shè)計電子工業(yè)出版社20056馬忠梅單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計北京航空航天大學(xué)出版社20067王洪福AT89C51單片機與74LS164動態(tài)顯示接口內(nèi)蒙古電大學(xué)刊2006第1期8戴佳單片機C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講電子工業(yè)出版社20069沈紅衛(wèi)基于單片機的智能系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)電子工業(yè)大學(xué)出版社200510朱善君等單片機接口技術(shù)與應(yīng)用清華大學(xué)出版社200511張靖武等單片機系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計與仿真電子工業(yè)大學(xué)200712寧成軍等基于PROTEUS和KEIL接口的單片機外圍硬件電路仿真，現(xiàn)代電子技術(shù)200613馬剛用PROTEUS和KEIL整合構(gòu)建單片機虛擬仿真平臺現(xiàn)代電子技術(shù)2006附錄附錄A硬件總圖附錄B源程序INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEDADATAP0SBITS1P20SBITS2P21SBITKP32UCHARWACUCHARTH,TLUCHARWAVEFORMUCHARCODEFREQ_UNIT310,50,200UCHARIDATAWAVEFREQ31,1,1UCHARCODELCD_HANG1“SINEWAVE“TRIANGLEWAVE“SQUAREWAVE“SELECTWAVE“PRESSNO1KEY“UCHARIDATALCD_HANG2“FHZ“UCHARCODEWAVETH0XFD,0XFE,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFD,0XFE,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFFUCHARCODEWAVETL0X06,0X8A,0X10,0X4E,0X78,0X93,0XA8,0XB3,0XBE,0XC6,0XAC,0XDE,0X48,0X7A,0X99,0XAF,0XBB,0XC8,0XD0,0XDE,0XFF,0X8E,0X5A,0X41,0X32,0X28,0X20,0X1B,0X17,0X0EUCHARCODETRIANGLE0X00,0X08,0X10,0X18,0X20,0X28,0X30,0X38,0X40,0X48,0X50,0X58,0X60,0X68,0X70,0X78,0X80,0X88,0X90,0X98,0XA0,0XA8,0XB0,0XB8,0XC0,0XC8,0XD0,0XD8,0XE0,0XE8,0XF0,0XF8,0XFF,0XF8,0XF0,0XE8,0XE0,0XD8,0XD0,0XC8,0XC0,0XB8,0XB0,0XA8,0XA0,0X98,0X90,0X88,0X80,0X78,0X70,0X68,0X60,0X58,0X50,0X48,0X40,0X38,0X30,0X28,0X20,0X18,0X10,0X08,UCHARCODESIN2560X80,0X83,0X86,0X89,0X8D,0X90,0X93,0X96,0X99,0X9C,0X9F,0XA2,0XA5,0XA8,0XAB,0XAE,0XB1,0XB4,0XB7,0XBA,0XBC,0XBF,0XC2,0XC5,0XC7,0XCA,0XCC,0XCF,0XD1,0XD4,0XD6,0XD8,0XDA,0XDD,0XDF,0XE1,0XE3,0XE5,0XE7,0XE9,0XEA,0XEC,0XEE,0XEF,0XF1,0XF2,0XF4,0XF5,0XF6,0XF7,0XF8,0XF9,0XFA,0XFB,0XFC,0XFD,0XFD,0XFE,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFE,0XFD,0XFD,0XFC,0XFB,0XFA,0XF9,0XF8,0XF7,0XF6,0XF5,0XF4,0XF2,0XF1,0XEF,0XEE,0XEC,0XEA,0XE9,0XE7,0XE5,0XE3,0XE1,0XDE,0XDD,0XDA,0XD8,0XD6,0XD4,0XD1,0XCF,0XCC,0XCA,0XC7,0XC5,0XC2,0XBF,0XBC,0XBA,0XB7,0XB4,0XB1,0XAE,0XAB,0XA8,0XA5,0XA2,0X9F,0X9C,0X99,0X96,0X93,0X90,0X8D,0X89,0X86,0X83,0X80,0X80,0X7C,0X79,0X76,0X72,0X6F,0X6C,0X69,0X66,0X63,0X60,0X5D,0X5A,0X57,0X55,0X51,0X4E,0X4C,0X48,0X45,0X43,0X40,0X3D,0X3A,0X38,0X35,0X33,0X30,0X2E,0X2B,0X29,0X27,0X25,0X22,0X20,0X1E,0X1C,0X1A,0X18,0X16,0X15,0X13,0X11,0X10,0X0E,0X0D,0X0B,0X0A,0X09,0X08,0X07,0X06,0X05,0X04,0X03,0X02,0X02,0X01,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X01,0X02,0X02,0X03,0X04,0X05,0X06,0X07,0X08,0X09,0X0A,0X0B,0X0D,0X0E,0X10,0X11,0X13,0X15,0X16,0X18,0X1A,0X1C,0X1E,0X20,0X22,0X25,0X27,0X29,0X2B,0X2E,0X30,0X33,0X35,0X38,0X3A,0X3D,0X40,0X43,0X45,0X48,0X4C,0X4E,0X51,0X55,0X57,0X5A,0X5D,0X60,0X63,0X66,0X69,0X6C,0X6F,0X72,0X76,0X79,0X7C,0X80UCHARCODESQUARE0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00/時間延遲/VOIDDELAYUCHARZUINTX,YFORXZX0XFORY110Y0YVOIDTRIANGLE_OUTDADATATRIANGLEWACIFWAC64WAC0S10S11VOIDSINE_OUTDADATASINWACS10S11VOIDSQUARE_OUTDADATASQUAREWACIFWAC16WAC0S1