课程设计——信号发生器硬件及软件设计

1 绪论

1.1 信号发生器概述

目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以下几种：

超高频：频率范围1MHz以上，可达几十兆赫兹。

高频：几百KHZ到几MHZ。

低频：频率范围为几十HZ到几百KHZ。

超低频：频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。

超高频信号发生器，产生波形一般用LC振荡电路。

高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，即RC振荡电路，通过改变电容和电阻值，改变频率。

用以上原理设计的信号发生器，其输出波形一般只有两种，即正弦波和脉冲波，其零点不可调，而且价格也比较贵，一般在几百元左右。在实际使用中，超低频波和高频波一般是不用的，一般用中频，即几十HZ到几十KHZ。用单片机89S52,加上一片DAC0808,就可以做成一个简单的信号发生器，其频率受单片机运行的程序的控制。我们可以把产生各种波形的程序，写在ROM中，装入本机，按用户的选择，运行不同的程序，产生不同的波形。再在DAC0808输出端加上一些电压变换电路，就完成了一个频率、幅值均可调的多功能信号发生器的设计。这样的机器体积小，价格便宜，耗电少，频率适中，便于携带。

1.2 本论文主要研究的内容

本设计采用89S52及其外围扩展系统，软件方面主要是使用C语言设计程序。系统以89S52单片机为核心，配置相应的外设及接口电路，用C语言开发，组成一个多功能信号发生系统。该系统的软件可运行于Windows XP环境下，硬件电路设计具有典型性。同时，本系统中任何一部分电路模块均可移植于实用开发系统的设计中，电路设计具有实用性。

本设计将完成以下几个方面的工作：

（1）选芯片，尽量满足一般工业控制要求、以增强其实用性。

（2）原理图设计在保证正确的前提下，尽量采用典型的电路设计。

（3）印制板设计既要精巧，又要便于摆放及测试。

（4）固化于单片机芯片中的软件采用模块设计，层次清楚，具有上电复位及初始化功能，具有很好的软件开发框架。

（5）掌握单片机仿真软件Proteus6.7的使用。

为此，论文包括以下内容：

Ⅰ绪论。主要介绍单片机发展概况和信号发生器的概述，为以后几章的介绍奠定基础。

Ⅱ系统总体方案设计。本章主要考虑系统性能、功能和器件选择。包括两个主要内容：系统分析和系统总体方案设计。其中系统分析包括问题定义、可行性研究和需求分析。问题定义中对设计的课题进行定义，详述设计环境。可行性分析中分别从经济可行性、元器件具备程度和对可能遇到的问题的可解决性几个方面论证设计是否可行。需求分析对系统功能要求、性能要求和运行环境要求说明。系统总体方案设计包括算法设计、系统总体框图设计以及系统中使用的主要芯片。

Ⅲ系统的硬件设计。本章完成系统的硬件总体设计，详细说明了设计思路。Ⅳ系统软件设计实现。本章是系统的具体实现，对系统按功能模块进行介绍。Ⅴ系统测试报告。分别对系统的功能测试、调试过程和系统的使用方法进行介绍。

Ⅵ总结和展望未来。

2 系统设计方案

2.1 系统分析

2.1.1 问题定义

基于单片机的信号发生系统是一个实际使用系统，可为相关实验及实际使用提供支持。本论文包括硬件系统的详细设计及C语言在基本控制中的使用。此系统具有的功能如下：

硬件部分

（1）8位七段数码动态扫描显示；

（2）2×4的8位矩阵键盘；

（3）时钟电路和复位电路；

（4）具有8位精度的D/A转换功能；

（5）波形产生功能；

软件部分

（1）系统复位初始化；

（2）键盘扫描和处理；

（3）按键服务程序；

（4）定时器0中断服务程序；

（5）正弦波发生程序；

（6）三角波发生程序；

（7）方波发生程序；

（8）锯齿波发生程序。

2.2 系统需求分析

2.2.1 系统功能要求

系统具有D/A转换功能，信号幅度放大功能，8位七段数码显示功能，上电自动复位功能，2×4键盘输入接口。

2.2.2 系统性能要求

（1）系统的D/A转换功能具有8位精度；

（2）动态扫描七段数码显示器；

（3）89S52单片机时钟信号为12MHZ；

（4）系统上电自动复位；

（5）系统具有8位行列扫描键盘。

2.3 总体方案设计

2.3.1 算法设计

本设计涉及的算法较少，将在第四章软件设计中介绍。

2.3.2系统总体结构框图设计

图2-1 主系统结构框图

3 硬件设计

3.1 总体硬件设计

(1)程序存贮器

89S52内部自带8K的ROM，512B的RAM，所以不需要对其扩展存储器。

(2)键盘接口

系统采用矩阵键盘，用I/O线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上，2×4的行列结构可构成8个键的键盘,采用行列扫描法。

(3)数码管驱动

本设计实现了89S52的I/O口对2×4键盘和8位数码管显示的控制。为增加对数码管显示器的驱动能力及稳定性，在它和89S52之间设置了提高驱动能力的74LS373。

(4)D/A转换

本设计D/A转换部分采用DAC0808芯片，由于它不带锁存器，故在使用时必须加74LS373进行数据锁存。

(5)信号变换部分

对信号的变换部分采用四运放集成芯片LM324，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器。

(6)可靠性方面

在使用使用系统时，可能会受到多种干扰的侵袭，直接影响到系统的可靠性，因此，本系统适当加入去耦电容，以减少干扰，确保精度。

3.2系统模块设计

3.2.1显示器接口设计

本机显示采用软件译码动态显示，系统显示电路如图3-1所示。采用软件译码动态显示的理由如下：1）如果用静态显示，单片机的接口资源肯定不够用，那么还要