基于51单片机的信号发生器设计报告

基于51单片机的信号发生器设计报告二零一四年十二月十一日摘要根据题目要求以及结合实际情况，本文采用一种以AT89C51单片机为核心所构成的波形发生器，可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波等多种波形，波形的频率可用程序改变，并可根据需要选择单极性输出或双极性输出，具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点。

本设计经过测试，性能和各项指标基本满足题目要求。

关键词：信号发生器 DAC0832芯片 LM358运放 89C51芯片目录摘要...................................................................... 目录...................................................................... 第一章绪论.................................................................1.1单片机概述...........................................................1.2信号发生器的概述和分类..............................................1.3问题重述及要求....................................................... 第二章方案的设计与选择...................................................2.1方案的比较...........................................................2.2设计原理 .............................................................2.3设计思想 .............................................................2.4实际功能 ............................................................. 第三章硬件设计............................................................3.1硬件原理框图.........................................................3.2主控电路 .............................................................3.3数、模转换电路.......................................................3.4按键接口电路.........................................................3.5时钟电路 .............................................................3.6显示电路 ............................................................. 第四章软件设计............................................................4.1程序流程图........................................................... 参考文献.................................................................... 附录1 电路原理图 .......................................................... 附录2 源程序............................................................... 附录3 器件清单......................................................第一章 绪论1.1 单片机概述单片机（Single chip microcomputer ）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU 、随机存储器RAM 、只读存储器ROM 、多种I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

1.2 信号发生器的概述和分类信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。

按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。

按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。

前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。

后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。

按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。

1.3 问题重述及要求1.3.1 问题重述设计并制作一台信号发生器，使之能产生正弦波、方波和三角波信号，其系统框图如图1所示。

图1 信号发生器系统框图信号发生参数调整稳压电源信号输出输出信号1.3.2 题目要求（1）信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形；（2）输出信号频率在100Hz～200kHz范围内可调, 步进20HZ，输出信号频率稳定度优于10-3；在0～5V范围内可（3）在1k 负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp调，步进20m V；（4）输出信号波形无明显失真。

（5）可实时显示输出信号的类型、峰峰值、频率。

第二章方案的设计与选择2.1 方案的比较方案一：采用模拟分立元件或单片压控函数发生器，可产生正弦波，方波，三角波，通过调整外部元件可改变输出频率，但采用模拟器件由于元件分散太大，即使使用单片机函数发生器，参数也与外部元件有关，外接的电阻电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定性较差，精度低，抗干扰能力低，成本也高，而且灵活性较差。

方案二：采用锁相式频率合成方案。

锁相式频率合成是一个高稳定度和精确度的大量离散频率的技术，它在一定程度上解决了既要频率稳定精确，又要频率在较大范围可变的矛盾。

但频率VCO可变频率范围的影响，高低频率比不可能做的很高，而且只能产生方波或正弦波，不能满足题目要求。

方案三：采用单片机编程的方法来实现。

该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换。

此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。

鉴于方案一的元件分散太大和方案二的频率不能再较大范围内可变等缺点，所以决定采用方案三的设计方法。

它不仅采用软硬件结合，软件控制硬件的方法来实现，使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证，而且它使用的几种元器件都是常用的元器件，容易得到，且价格便宜，使得硬件的开销达到最省。

2.2 设计原理数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号，因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。

89C51单片机本身就是一个完整的微型计算机，具有组成微型计算机的各部分部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等，只要将89C51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，其信号发生器构成原理框图如图2.1所示。

图2信号发生器原理框图89C51是整个波形发生器的核心部分，通过程序的编写和执行，产生各种各样的信号，并从键盘接收数据，进行各种功能的转换和信号幅度的调节。

当数字信号经过接口电路到达转换电路，将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。

2.3 设计思想（1）利用单片机产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等信号波形，信号的频率和幅度可变。

（2）将一个周期的信号分离成256个点（按X轴等分），每两点之间的时间间隔为∆T，用单片机的定时器产生，其表示式为：∆T=T/256。

如果单片机的晶振为12MHz，采用定时器方式0，则定时器的初值为：X=213-∆T T mec定时时间常数为：TL =（8192—∆T）/MOD256TH=(8192∆T)/256MOD32表示除32取余数（3）正弦波的模拟信号是D/A转换器的模拟量输出，其计算公式为：Y=（A/2sin∆t）+A/2 (其中A=VREF)∆t=N ∆T（4）一个周期被分离成256个点，对应的四种波形的256个数据存放在以TAB1--TAB4为起始地址的存储器中。

2.4 实际功能（1）本方案利用8155扩展8个独立式按键，6个LED 显示器。

其中“S0”号键代表方波输出，“S1”号键代表正弦波输出，“S2”号键代表三角波输出，“S3” 号键代表锯齿波输出。

（2）“S4”号键为10Hz 的频率信号，“S5”号键为100Hz 的频率信号，“S6”号键为500Hz 的频率信号，“S7”号键为1KHz 的频率信号，6个LED 显示器输出信号的频率值，选用共阳极LED 。

（3）利用两片DAC0832实现幅度可调的信号源，（其中一片用来调节幅度，另外一片用来实现信号源的输出）。

（4）频率范围：10~1000Hz 。

（5）输出波形幅度为0～5V 。

第三章 硬件设计3.1 硬件原理框图硬件原理方框图如图3.1所示。

图3 硬件原理框图(sin 1)255(255)/2t Di Y A ∆+⨯=⨯=3.2 主控电路AT89C51单处机内部设置两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1，它们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及4种工作模式。

在波形发生器中，将其作定时器使用，用它来精确地确定波形的两个采样点输出之间的延迟时间。

模式1采用的是16位计数器，当T0或T1被允许计数后，从初值开始加计数，最高位产生溢出时向CPU请求中断。

中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。

当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件。