基于单片机的多功能函数信号发生器设计
学生:xxx,电子信息学院
指导教师:xxx,电子信息学院
一、课题来源
为了实现输出多种波形的功能,基于单片机的控制及各电子器件与单片机间的联合,编写相应的软件,设计一种信号发生器。以适应各种理论研究。
二、研究的目的和意义
函数发生器亦称信号发生器,主要作为实验用信号源,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,波形种类多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。用分立元件组成的函数发生器,通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试;用集成芯片的函数发生器,可达到较高的频率和产生多种波形信号,但电路较为复杂且不易调试。利用单片集成芯片的函数发生器,能产生多种波形,达到较高的频率,且易于调试;利用专用直接数字合成DDS 芯片的函数发生器,能产生任意波形并达到很高的频率,但成本较高。
函数发生器作为一种常见的应用电子仪器设备,传统的一般可以完全由硬件电路搭接而成,如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一,不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差,控制难,可调范围小,电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中,如工业过程控制,生物医学,地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意,而且由于低频信号源所需的RC要很大。大电阻,大电容在制作上有困难,参数的精度亦难以保证。体积大,漏电,损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加,则电路复杂程度会大大增加。
利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号,其频率底线很低。具有线路相对简单,结构紧凑,价格低廉,频率稳定度高,抗干扰能力强,用途广泛等优点,并且能够对波形进行细微调整,改良波形,使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改,调整程序,即可完成功能升级。
三、参考文献及资料名称
【1】 徐爱钧,智能化测量控制仪表原理与设计,北京航空航天大学出版社,2004
【2】 徐爱钧,单片机原理实用教程-基于Proteus虚拟仿真(第2版),电子工业出版社,2011
【3】 周润景等,基于PROTEUS的电路的及单片机系统设计与仿真,北京航空航天大学出版社,2006
【4】 余永权等,单片机在控制系统中的应用,电子工业出版社,2006
【5】 周灵彬,PROTEUS的单片机教学与应用仿真,单片机与嵌入式系统应用,2008
【6】 沙占友,单片机外围电路设计,电子工业出版社,2005
【7】 沈红卫,基于单片机的智能系统设计与实现,电子工业大学出版社,2005
【8】 朱善君等,单片机接口技术与应用,清华大学出版社,2005
【9】 张靖武等,单片机系统的PROTEUS设计与仿真,电子工业大学,2007
【10】宁成军等,基于Proteus和Keil接口的单片机外围硬件电路仿真,现代电子技术,2006
【11】孙德文,微型计算机技术,高等教育出版社,2005(7)
【12】汪文等,单片机原理及应用,华中科技大出版社,2007
四、国内外发展趋势及研究主攻方向
我国的单片机应用始于80年代,虽然发展迅速,但相对于世界市场我国的占有率还很低。到目前为止,由于我国的微电子技术和制造工艺都比较落后及国外单片机的竞争等原因,我国还没有设计生产出自己的单片机。国内的单片机目前注重的还只是低中档的应用,普遍采用的是8或16位的单片机,对宏单片机和DSP等高档的应用还处于初始阶段。
单片机的发展趋势为:低功耗与高性能、低电压、低噪声与高可靠性、采用CMOS技术、外围电路内装、串行扩展技术等。同时,单片机的快速发展也带动着基于单片机的信号发生器的快速发展。
五、研究方案及预期达到的目标
(一) 硬件电路的实现原理与构思
1 AT89C51单片机控制两片DAC0832的原理图
图1.1 AT89C51控制两片DAC0832原理图
因为AT89C51单片机自身便有一个64K的程序存储器,所以不用扩展外加程序存储器。由单片机编程即可由单片机输出所需要信号的数字量,再由D/A转换器将数字量转化为模拟电流输出,通过运放转化为模拟电压输出。
因为D/A数模转换器的最大输出电压是由其输入的基准电压来控制的,所以只要能控制D/A的基准电压便可以控制输出幅度,实现幅度可调。所以设计用两片DAC0832来输出信号,第一片D/A用来输出信号,第二片D/A用来控制第一片D/A的基准点压。其中用P0口作为两片D/A的数据总线,P2口的P2.0和P2.1口用来控制两片D/A的选通。
2 键盘显示电路的构思
由于本设计要求控制波形的幅度和频率,所需按键较多,所以设计选用P1口来扩展4×4键盘。由于4×4键盘的设计已很普遍,所以在本文中不加以介绍。
本设计中要求用数码管显示输出信号的幅度和频率等信息,而这些信息在信号输出的时候是不需要时刻改变的,所以设计中选用静态数码管显示,由单片机的串行通信口输出显示数据。这样可以节省单片机的端口来做其它的用途,给予了装置可优化性。
图 1.2 显示电路方框图
图中只给出两位数码管的显示,可以按要求任意扩展N位数码显示,每扩展一片74LS164,可以增加一位LED显示器。所要显示的数据由RXD串行发送出去,由74LS164转化为并行输出,再由LED显示。这样,在显示数据输送完毕之后,主程序可以不必扫描显示器,从而使CPU能用于其它工作。
(二) 软件设计的构思
1 幅度控制
由于D/A数模转换器输出的最大幅度可以用其基准电压来控制,所以控制第二片D/A数模转换器输出给第一片D/A数模转换器的电压值就可控制信号幅度。因此,送入第二片的值是几个固定的值。由于DAC0832内部具有锁存器,所以只需向第二片D/A送值一次,直到下一次改变信号幅度。
2 频率控制
单片机内部数据只有0、1之分,所产生的信号也都是离散信号。为了能够让单片机输出所需的数字信号,我们采用对信号采样、量化的方法来实现由单片机产生所需信号。在本设计中,对信号的四分之一周期采样19个幅度值,通过反复查表来输出幅度值,而整个信号是通过正查表和逆向查表来实现的。采样的点越密,信号失真度也就越小。两次采样点的输出时间间隔是由定时、计数器来控制的,因此,通过控制不同的计数初值就可以控制整个信号的频率。计数时间=信号周期/72。计数次数=计数时间/机器周期。对应的,计数初值=65536-计数次数。单片机只能产生离散频率的信号,所以所得到的信号频率不是连续的,而是离散的频率点。由于这部分计算位数较多,不适合用单片机编程来计算计数初值,所以本设计中将各频率的计数初值算出,让单片机按控制命令来查表控制频率。
正弦波和三角波的频率控制方法都与上述方法相同,而方波的频率控制是半周期计数,经过半周期只需改变输出为最大或最小电平即可。
本设计为低频信号发生器,在频率只有几十赫兹的时候计数次数将很大,因此计数器的工作方式选为工作方式1,每次计数器溢出时需要重新装入计数初值。
(三)预期达到的目标
1:该装置用键盘控制输出方波、三角波、正弦波;
2:用键盘控制输出幅度和频率的变化,并将幅值和频率用数码管显示,幅度范围1V~5V,频率范围0~10KHz。
六、完成毕业设计所必须具备的工作条件
(一) 资料来源
图书馆,中国期刊网(CNKI),互联网上搜索资料及指导教师提供资料。
(二) 实验中主要设备、仪器及软件环境
七、工作的主要阶段、进度与时间安排
八、指导教师审查意见
第二篇:基于单片机信号发生器设计开题报告
毕业设计(论文)
开题报告
题目 基于单片机信号发生器设计
学生姓名 陈康 学号 08410975
专业电子与信息工程班级 0801
指导教师
评阅教师
完成日期 年 月 日
基于单片机信号发生器设计
学 生:
指导老师:
一、课题来源
本课题来源于理论研究。为了实现输出多种波形的功能,基于单片机的控制及各电子器件与单片机间的联合,编写相应的软件,设计一种信号发生器。
二、研究的目的和意义
本课题是基于单片机的信号发生器的设计。研究本课题可以熟悉Proteus、Keil C51及相关电子器件的功能和用法。通过对单片机硬件、软件的设计,及硬件与软件的联调后可以进一步熟悉相关的知识,提高利用所学知识解决实际问题的能力。
三、国内外的研究现状和发展趋势
单片微型计算机,简称单片机,是微型计算机的一个分支。采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器,随机存取数据存储器,只读程序存储器,输入输出电路等电路集成到一块单块芯片上,构成一个体积小,然而功能较完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
单片机诞生20世纪70年代。当时微电子技术正处于发展阶段,集成电路也属于中规模发展时期,各种新材料新工艺尚未成熟,单片机仍处在初级的发展阶段,元件集成规模还比较小,功能比较简单。1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机,这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机,并推向市场。到了80年代初,单片机已发展到了高性能阶段,像INTEL公司的MCS-51系列。九十年代以后,单片机获得了飞速的发展,世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机,引起了业界的广泛关注,特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户。1990年美国INTEL公司推出了80960超级32位单片机引起了计算机界的轰动,产品相继投放市场,成为单片机发展史上又一个重要的里程碑。
我国的单片机应用始于80年代,虽然发展迅速,但相对于世界市场我国的占有率还很低。到目前为止,由于我国的微电子技术和制造工艺都比较落后及国外单片机的竞争等原因,我国还没有设计生产出自己的单片机。国内的单片机目前注重的还只是低中档的应用,普遍采用的是8或16位的单片机,对宏单片机和DSP等高档的应用还处于初始阶段。
在1980年以前,信号发生器全部属于模拟方式,借助电阻电容,电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。频率的变动由机械驱动可变元件,如电容器或谐振腔来完成,往往调节范围受到限制。1980年以后,数字技术日益成熟,信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路。数字合成技术使信号发生器变为非常轻便、覆盖频率范围宽、输出动态范围大、容易编程、适用性强和使用方便。
单片机的发展趋势为:低功耗与高性能、低电压、低噪声与高可靠性、采用CMOS技术、外围电路内装、串行扩展技术等。同时,单片机的快速发展也带动着基于单片机的信号发生器的快速发展,如:任意波形发生器、矢量波形发生器。使得信号发生器的应用更加广泛。
四、研究的主要内容及设计成果的应用价值
1. 主要内容
本设计的内容主要是:1、信号发生器硬件部分的设计(其它设计均在硬件的基础上进行)。根据毕业设计的要求,硬件要实现的主要功能是:1)单片机将信号的采样值或信号值写入到存储器(RAM)中。2)在信号值写入后,发出控制信号,使地址发生器有效。3)地址发生器产生周期性的地址信号,对存储器进行读操作,并将数据输出到数模转换器中。4)数模转换器将转换结果经放大器处理转换为电压信号后输出。5)对电路进行仿真并通过示波器观察和验证波形。6)可以通过频率、幅值控制器更改波形的主要参数。该控制器应能提供一个简易的人机界面来对波形的频率和幅值进行更改。根据上述要求设计信号发生器的硬件原理图如下:
2、信号发生器软件部分的设计。软件框图如下:
软件的主要功能实现:软件的主要功能包括:①信号值的选取及各参数的初始化,如:三角函数表的制作等;②数据传送软件,将信号值送入到存储器中;③判断软件,判断数据是否传送完毕;④启动控制软件,启动地址发生器有效,读取存储器中的值送入数模转化器中。⑥监听软件,用来监听频率、幅值控制器的改变,实时的将更改后的数据送到单片机中处理。
2. 应用价值
基于单片机的信号发生器具有结构简单、成本低、控制方便、可做成便携仪器、易于使用等优点,具有一定的实用价值。此外,它可用于产生被测电路所需特定参数的测试信号,也可为某些电子器件提供时钟信号等。此外,信号发生器产生的信号除具有电压输出外,有的还有功率输出,所以用途十分广泛。可用于测试或检修各种电子仪器设备中的放大器的频率特性、增益、通频带,也可用作高频信号发生器的外调制信号源。另外,在校准电子电压表时,它可提供交流信号电压。
五、工作的主要阶段和进度
20##年秋季学期
第1阶段 第8周
接受毕业设计任务书,学习毕业设计(论文)要求及有关规定。
第2阶段 第8~20周
阅读指定的参考资料及文献(包括5~10万个印刷符号与课题或本专业相关的外文资料),完成开题报告、外文翻译任务。
20##年春季学期
第3阶段 第2周
总体方案设计。
第4阶段 第4~6周
完成信号发生器的初步设计。
第5阶段 第7~9周
完善信号发生器的设计,并进行实验测试分析。
第6阶段 第10~11周
完成毕业论文。
第7阶段 第12周
完成毕业设计,全部成果交指导老师批阅。
第8阶段 第13~14周
毕业答辩。
六、最终目标及完成时间
根据毕业设计任务书的要求,设计出系统硬件和软件,并进行初步调试,实现信号发生器的基本要求,并写出相应的论文。
完成时间:
七、现有条件及必须采取的措施
本课题设计涉及到的各种理论知识及现有条件为:单片机的基本原理和汇编语言,微型计算机技术和电子技术基础中所涉及的电子器件的功能及工作原理,所运用的工具是Keil C51和Proteus。本课题的核心是硬件电路的设计,所有的设计都是在其基础上完成的。因此完成本课题设计,必须先对各种知识有一定的了解及各工具的使用方法;其次是用Proteus完成该设计的硬件电路部分并调试;再次是针对所设计的硬件电路使用Kei软件来编程;最后完成硬件与软件间的联调,完成设计。
八、协助单位及要解决的主要问题
本设计主要需解决的问题是对各种电子器件的认识及与其它器件的配合使用,在此基础上完成信号发生器的硬件电路的设计。由于硬件设计和软件设计都有相关的软件,因此各种设计基本都在个人电脑上完成。在设计期间,需到图书馆查阅相关资料及吴正平教授的指导和帮助。
参考文献
【1】 孙德文,微型计算机技术,高等教育出版社,2005(7)
【2】 汪文等,单片机原理及应用,华中科技大出版社,2007
【3】 徐爱钧,智能化测量控制仪表原理与设计,北京航空航天大学出版社,2004
【4】 徐爱钧等,Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与u Vision2应用实践,电子工业出版社,2004
【5】 周润景等,基于PROTEUS的电路的及单片机系统设计与仿真,北京航空航天大学出版社,2006
【6】 余永权等,单片机在控制系统中的应用,电子工业出版社,2006
【7】 周灵彬,PROTEUS的单片机教学与应用仿真,单片机与嵌入式系统应用,2008
【8】 沙占友,单片机外围电路设计,电子工业出版社,2005
【9】 马忠梅等,单片机的C语言应用程序设计,北京航空航天大学出版社,2006
【10】王洪福,AT89C51单片机与74LS164动态显示接口,内蒙古电大学刊,2006,第1期
【11】戴佳,单片机C语言应用程序设计实例精讲,电子工业出版社,2006
【12】沈红卫,基于单片机的智能系统设计与实现,电子工业大学出版社,2005
【13】朱善君等,单片机接口技术与应用,清华大学出版社,2005
【14】张靖武等,单片机系统的PROTEUS设计与仿真,电子工业大学,2007
【15】宁成军等,基于Proteus和Keil接口的单片机外围硬件电路仿真,现代电子技术,2006
【16】马刚,用Proteus和Keil整合构建单片机虚拟仿真平台,现代电子技术,2006