函数信号发生器的设计.doc
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1、电子信息技术创新实践课程设计说明书(论文)题 目: 函数发生器的设计 学 院: 信息工程学院 班 级: 2015级电子信息工程1班 学生姓名: 学号: 指导教师: 设计时间: 2017年 5月26日-2017年 6月20日成 绩: (百分制) 黄山学院教务处制 黄山学院课程设计任务书题 目函数发生器的设计一、设计(创作)的内容和任务要求设计一个能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波的波形发生器。可生成分别对应的正弦波、方波、三角波、锯齿波。可实现波形的转换输出。二、进度安排(起止时间:2017 年 5月 26 日 2017 年 6月 20日)1、2017年5月26日-2017年6月3日:熟悉课程设
2、计内容,提出初步设计方案2、2017年6月4日-2017年6月10日:确定设计方案,并完成硬件、软件设计3、2017年6月11日-2017年6月15日:系统调试,完成课程设计报告4、2017年6月16日-2017年6月20日:课程设计答辩三、主要参考资料1张毅刚.单片机原理几应用M. 北京:高等教育出版社,2014.2张毅刚.基于Proteus的单片机课程的基础实验与课程设计M. 北京:人民邮电出版社,2016.3彭伟.单片机C语言程序设计实训100例M. 北京:人民邮电出版社,2010.院部审核意见: 年 月 日成绩评定: 函数发生器的设计说明书信息工程学院 电子信息工程 专业 指导老师:
3、目录摘要1第1章绪论21.1函数发生器的发展21.2函数发生器设计的背景21.3函数发生器实现的特色功能2第2章系统设计42.1方案论证42.2方案选择5第3章单元电路设计63.1单片机主控模块63.2I/O扩展模块63.3D/A转换模块73.3.1D/A选择73.3.2D/A输入设计83.4波形产生模块93.5增益放大模块113.6人机接口113.6.1键盘模块113.6.2显示模块123.7频率计算模块123.8电源模块133.9总体电路13第4章软件设计164.1流程图及设计164.2软件系统的使用说明20第5章调试22结论24致谢25摘要:函数信号发生器作为一种常用的信号源,广泛应用于
4、电子电路、自动控制和科学研究等领域。它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备,因此是电子测试系统的重要部件,是决定电子测试系统性能的关键设备。它与示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本的,也是得到最广泛应用的电子仪器之一。本文设计了一款基于AT89C51单片机、MAX038芯片实现的函数发生器,可以产生频率、幅度可调的正弦波、方波、三角波、三种周期性信号,输出波形失真小于0.75%,频率可调范围为,矩形波占空比可调范围为30%60%。该函数发生器具有成本低廉、结构简单、人机界面友好等特点,在教学方面具有较高实用价值。关键词:单片机;函数发生器;频率;幅度;占空比第
5、1章绪论1.1函数发生器的发展波形发生器亦称函数发生器,作为实验用信号源,是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前,市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成,且波形种类有限,多为正弦、方波、三角等波形。单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格比,在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛的应用,并走入家庭,从洗衣机、微波炉到音响汽车,处处可见其应用。因此,使用单片机技术开发的函数发生器性能更加优良,随着单片机的普遍应用,与单片机结合开发的函数发生器也将得到广泛应用。1.2函数发生器设计的背景函数发生器能提供正弦波、方波、三角波等多种波形,有的还同时具有调制和扫描能力
6、,在我们的大学电子实验室、科研机构研究实验室、工厂开发实验室等有着广泛的应用,特别是在基础教育方面应用更加广泛。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形),信号源在电子实验和测试处理中,提供信号驱动电路正常工作。一般来说任意波形发生器,是一种特殊的信号源,综合具有其它信号源波形生成能力,因而适合各种仿真实验的需要。但为了增强任意波形生成能力,它往往依赖计算机通讯输出波形数据。在函数发生器的发展中功能越来越多,结构上也越来越复杂,体积也越来小。但是在整体设计的造价上花费越大,对于使用者来说操作过于复杂。综合上述,我设计了一款面向教学使用的函数发生器。该函数发生器体积小、重量轻、操作简单
7、。对于购买者,在价格上更有着比其它同性能的函数发生器更低的价格。1.3函数发生器实现的特色功能为了克服函数发生器在教学使用中输出波形易失真、精度低、价格昂贵及不易携带等缺点,设计一款能产生多种函数波形的函数发生器,要求该系统具有如下特色功能:1能产生正弦波、方波、三角波,且波形频率和占空比可调;2频率范围:,连续可调;3矩形波占空比:30%60%,连续可调;4输出电压:。本文设计函数发生器是由软件和硬件相组合,产生在教学使用中常见的三种波形信号,即正弦波、方波、三角波三种信号。信号输出的频率、占空比范围宽,输出信号幅度可调,并且输出频率可以显示,体积小,价格低廉,克服函数发生器在教学使用中的缺
8、点。第2章系统设计2.1方案论证根据题目的要求,本信号发生器可分解为以下几个部分,结构框图如图2-1所示。I/O扩展波形产生MCU控制单元周期计算按键信号放大YD/A转换IOUT1D/A转换显示图2-1函数发生器组成结构一般有如下几种实现方案:方案一:采用直接数字频率合成(DDS)芯片实现:DDS是较为先进的一种频率合成技术,基于DDS技术的波形发生器具有输出频率稳定、准确,波形质量好和输出频率范围宽等一系列独特的优点。此种方案是向DDS芯片写控制字,通过改变相位累加字来实现,常见的DDS芯片,如AD9954等,只有正弦波输出,要产生三种波形,需外接波形变换电路。方案二:采用单片机结合MAX0
9、38芯片完成设计。MAX038是一个精密高频波形产生器,它能产生高频正弦波、三角波、方波,输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别地控制。所需的输出波形可由在A0和A1输入端设置适当的代码来选择;单片机通过D/A芯片输出模拟信号,此模拟信号控制MAX038输出波形。在最后的波形输出端通过运放放大输出波形信号;单片机主要控制D/A芯片连接、显示,最终采用LED数码管显示频率。2.2方案选择第一种方案采用晶体振荡器作为时钟,因此,频率稳定度很好,但均需外接波形变换电路,通常采用二极管电阻网络来实现正弦波到三角波变换,且还须外接多个VCO,所以电路较复杂;第二种方案采用单片机结合MAX03
10、8芯片设计函数发生器。单片机性能优良,价格低廉,应用普遍。MAX038芯片是MAXIM公司生产的一个只需要很少外部元件的精密高频波形产生器,它能产生准确的高频正弦波、三角波、方波。输出频率和占空比可以通过电流、电压或电阻来调整,并且占空比与频率的调节互不干扰。在硬件的使用上充分利用单片机最小应用系统,而且还有可扩展的部分。从总的设计上来说该设计方案造价低廉,性能优良。综合上述,第二种方案设计合理,价格低廉,所以采用第二种方案设计。原理结构框图如下:MAX038AT89C51单片机显示D/A转换74LS74信号放大按键I/O扩展图2-2函数发生器原理结构第3章单元电路设计3.1单片机主控模块系统
11、采用AT89C51单片机作为控制核心。AT89C51单片机与MCS-51系列单片机产品兼容,采用了Flash存储器结构,可以在线下载程序,易于日后的升级。它主要负责各个模块的初始化工作;可以设置定时器、寄存器的初值;处理按键响应;LED数码管显示等。硬件电路连接如图3-1所示。本设计采用人工复位,时钟频率为晶振。P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4为按键模块的接口。图3-1单片机主控模块3.2I/O扩展模块该模块主要完成单片机的输入输出口的扩展,并以此模块驱动显示。1AT89C51单片机的P1.6和P1.7端口分别接在8255芯片的A0、A1端口。A0、A1起控制作用,主要控制82
12、55的A口、B口、C口、控制接口的选择。8255芯片的A口作为D/A芯片输入,B口C口作为显示控制端口。28255的A口、B口、C口、控制接口的地址分别为0000H、0001H、0002H、0003H,设无关位取0。A、B、C口均设为输出口,选用方式0工作。74LS373是一个锁存器,在电路中起到地址锁存作用。I/O扩展电路见图3-2所示。图3-2I/O扩展电路3.3D/A转换模块数模转换器,又称D/A转换器,简称DAC,它是把数字量转变成模拟量的器件。该模块功能主要完成电流输出,改变输出步进信号频率。3.3.1D/A选择DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片,与微处理器完全兼容,这个
13、系列的芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点,在单片机应用系统中得到了广泛的应用。这类D/A转换器由8位输入锁存器,8位DAC寄存器,8位DA转换电路及转换控制电路构成。DAC0832的应用特性:1DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器,可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制;2DAC0832内部无参考电压源,须外接参考电压源;3DAC0832为电流输入型D/A转换器,要获得模拟电压输出时,需要外加转换电路。DAC0832的引脚图见图3-3所示。DAC08321245367891020191817161514131112CSDI3VREFGNDWR1DI0DI1DI2
14、RFBGNDVCCXFERDI7WR2ILEDI6DI5DI4IOUT2图3-3DAC0832引脚3.3.2D/A输入设计AT89C51的P2口作为DAC0832的片选信号,采用单缓冲器方式,锁存8位数据,DAC0832的工作电压为,基准电压采用。对于8位A/D转换器,当输入电压满刻度为时,其输出数字量的变化范围为0255,转换电路对输入模拟电压的分辨能力为。设计当中DAC0832输出电压范围9.5,基准电压为。 (3-1)DAC0832输入量的大小。由公式(3-1)计算DAC0832输出电压的大小。设计输出电压为19.5,每一次步进0.5。DAC0832输入量见表3-1所示。表3-1DAC0
15、832输入量电压()11.52.02.53.03.54.0电流()20304050607080输入量25.638.451.264.076.889.6102.4电压()4.55.05.56.06.57.07.5电流()90100110120130140150输入量115.2128.0140.8153.6166.4179.2192.0电压()8.08.59.09.5-电流()160170180190-输入量204.8217.6230.4243.2-由上表可以得出输出的步进量值为12.8。通过单片机对DAC0832的输入量步进加减12.8,使获得相应的输出电压。3.4波形产生模块本模块功能主要输出信
16、号波形及实现频段选择控制。本设计采用的是MAXIM公司生产的MAX038芯片,它是一种高频精密的函数发生器,可产生三角波、正弦波、方波,且频率及占空比可调。MAX038芯片内部包含有精密带隙电压参考、鉴相器和同步输出,能以最少的外部元件构成一台多波形的高频函数发生器。MAX038的核心部分是一个电流控制的基本振荡器。由恒定电流对外部电容充电和放电,来获得三角波和方波信号输出。其控制电流由外部信号、和IIN管脚的输入电流决定。1输出波形的选择由MAX038芯片逻辑地址引脚A0和A1的组合来决定,A1A010或11时,输出正弦波;A1A000时,输出方波;A1A001时输出三角波。波形切换可在内完
17、成,但输出波形有的延迟时间。AT89C51的P1.7端口与P1.6端口控制A0和A1。2输出频率由IIN引脚的电流、SOSC引脚的对地电容量和FADJ引脚的电压来决定。MAX038步进频率控制电压由8位DAC0832提供,经的电位器接入到IIN引脚。设IIN输入端电压为,串接电阻为,则有 (3-2)式中,输出频率,单位;输入端电压,单位;串接电阻,单位;是决定输出频率的串入电容值,单位。3电容是SOSC引脚的对地电容,本设计在SOSC引脚设置了一个开关,电容取四个容量值,分别为、。本设计设计了四个频段,在输入电压为时,根据公式(3-2)可得:当连接电容输出频率范围在到。当连接电容输出频率范围在
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