【正文】 26 軟件調(diào)試 ......................................................... 26 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) ......................................................... 26 本章小結(jié) ......................................................... 27 結(jié) 論 .................................................................. 28 致 謝 .................................................................. 29 參考文獻 ................................................................ 30 附 錄 .................................................................. 31 第一章 緒論 1 第一章 緒論 智能 函數(shù)信號發(fā)生器 的背景與意義 在科學研究、工程教育及生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制、教學實驗、機械振動試驗、動態(tài)分析、材料試驗、生物醫(yī)學等領(lǐng)域，常常需要用到信號發(fā)生器。而在我們?nèi)粘Ｉ钪?，以及一些科學研究中，鋸齒波和正弦波、矩形波信號是常用的基本測試信號。函數(shù)發(fā)生器作為一種通用的電子儀器，在生產(chǎn)、科研、測控 、通訊等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 但市面上能看到的此類儀器在頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足許多方面實際應(yīng)用的需求。加之各類功能的半導體集成芯片的快速生產(chǎn)，都使我們研制一種高精度、寬頻帶，能產(chǎn)生多種波形并具有程控等多功能函數(shù)發(fā)生器成為可能。 隨著電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類日益增多，性能日益提高，尤其隨著 70 年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號發(fā)生器向著自動化、智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)在，許多信號發(fā)生器除帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自 動故障診斷和自動波形形成和修正等功能外還帶有 IEEE488或 RS232 總線，可以和控制計算機及其他測量儀器一起方便的構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。當前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、高頻率精度、多功能、自動化和智能化方向發(fā)展。 我們長期使用的信號發(fā)生器，大部分是由模擬電路構(gòu)成的，這類儀器作為信號源，頻率可達上百 MHz，在高頻范圍內(nèi)其頻率穩(wěn)定性高、可調(diào)性好。但用于低頻信號輸出時，它所需要的 RC 值很大，參數(shù)準確度難以保證。而且其體積大，損耗也大。有人研制了采用 8031 單片機及程序存儲器構(gòu)成的最小系統(tǒng)組成的數(shù)字 式低頻信號發(fā)生器，它在低頻范圍內(nèi)性能好，但是體積較大，價格較貴。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，集成度不斷提高，使得微型機的速度和性能大為提高，可靠性增加，成本降低。 MCS51 就是將具有存儲程序、處理數(shù)據(jù)以及與外設(shè)交換信息的功能電路集成在一塊芯片中，并符合一定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的單片機。 單片機在生產(chǎn)過程控制、自動檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計算、商業(yè)管理和辦公室自動化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。單片機具有體積小、重量輕、耗能省、價格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點，因此也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定向、汽車火花控制、交通自 動管理和微波爐等專用控制上。近幾年來，單片機的發(fā)展更為迅速，它已滲透到諸多學科的領(lǐng)域，以及人們生活的各個方面。單片機并沒有超脫馮 諾依曼原理下的計算機的結(jié)構(gòu)框 架和工作原則，而是著眼于應(yīng)用到更廣闊的范圍：工業(yè)控制、數(shù)字顯示、智能儀表、電子設(shè)備、汽車電控、農(nóng)機、家電乃至兒童玩具的控制。它不求規(guī)模大，只求小而全。 本 次設(shè)計 就是一種采用一片 AT89S52 單片機和 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成的智能數(shù)茂名學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）：智能函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 2 字式低頻信號發(fā)生器。按用戶的需要，選擇運行不同的程序，將會得到不同的波形信號。再在 DAC0832 輸出端加上 一些電壓變換電路以及放大整形電路，就完成了一個頻率可調(diào)的多功能信號發(fā)生器的設(shè)計。 這樣的機器體積小，價格便宜，耗電少，頻率適中，便于攜帶。 隨著大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人工智能向測控技術(shù)的移植和應(yīng)用，智能儀器儀表技術(shù)發(fā)展迅速。作為現(xiàn)階段智能化電子儀器主體的智能儀器在工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)非常成熟與普及，但國內(nèi)此方面技術(shù)發(fā)展與改造起步和發(fā)展比較緩慢。 信號發(fā)生器作為電子測量系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的電子測量儀器之一，是工業(yè)控制、教學科研常用的基礎(chǔ)儀器，國外已有數(shù)字化的智能函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)品，但其價格昂貴，并且多為射頻信號發(fā)生器，只產(chǎn)生正弦 a 形。國內(nèi)也有少數(shù)半數(shù)字化的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)品，但其都是對傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器簡單的數(shù)字化改造，輸出信號的波形種類沒有增加，性能也未有明顯改善。因此研制開發(fā)操作簡單、低成本、高性能的新一代信號發(fā)生器十分必要。 智能 函數(shù)信號發(fā)生器 的介紹 函數(shù)信號發(fā)生器是一種常用的信號源 , 它 提供符合一定電技術(shù)要求的電信號，并提供已知波形、已知頻率、已知幅度大小的輸出信號。信號發(fā)生器是最基本、應(yīng)用最廣泛的電子測量儀器之一。按信號發(fā)生器的應(yīng)用范圍分類，可分為通用信號發(fā)生器和專用信號發(fā)生器。專用信號 發(fā)生器是為某種特殊專用目的而研制生產(chǎn)的，如電視信號發(fā)生器、頻譜發(fā)生器等。通用信號發(fā)生器則應(yīng)用廣泛，是針對各種測量中普遍感興趣的問題而研制生產(chǎn)的電子儀器。 它廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)實驗、自動控制系統(tǒng)和其他科研領(lǐng)域目前用集成電路組成的函數(shù)信號發(fā)生器 ,大都需手動 旋鈕來 進行波形切換 ,一般可靠性較差 ,準確度較低 ,難以滿足科研和高精度實驗的需要 。 現(xiàn)用單片機和支持軟件及其外設(shè)電路構(gòu)成的智能函數(shù)信號發(fā)生器 ,采用編程的方法來實現(xiàn)方波、三角波、鋸齒波、正弦波和脈沖信號等波形 。 將產(chǎn)生不同波形的程序用子程序的形式編寫 ,在需要某種波 形時再調(diào)用相應(yīng)子程序 ,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、運算放大器處理后 ,作為該信號源輸出 。 這種信號源的頻率改變十分方便 ,而且線路簡單 ,調(diào)試和修理簡捷 ,性價比高 。 根據(jù)波形的不同要求只要改變程序、而不需要花費大量時間改裝電路就可以產(chǎn)生較復雜信號 。 并可通過外置按鍵或鍵盤來設(shè)定需要產(chǎn)生信號源的種類和頻率 ,還可接入顯示部件 ,顯示出波形的相關(guān)信息 。 智能 函數(shù)信號發(fā)生器 原理 概述 智能函數(shù)信號發(fā)生器波形的產(chǎn)生是通過單片機執(zhí)行相應(yīng)的程序 ,再向 D/ A 轉(zhuǎn)換器的輸入端按一定的規(guī)律發(fā)送數(shù)據(jù) ,從而在 D/ A 轉(zhuǎn)換電路的輸出端得到的相應(yīng)的電 壓波形 。 第一章 緒論 3 電路硬件結(jié)構(gòu) 由 AT89S52 單片微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換 DAC0832 、 LM324 及其附屬電路構(gòu)成 ,在此基礎(chǔ)上還 加上數(shù)碼管顯示 (顯示波形頻率等相關(guān)信息 ) 、波形指示及用戶自定義波形等電路和功能 。 在此電路中 ,為了不占用 CPU 的時間 ,提高輸出信號頻率 ,按鍵采用外部中斷方式接受外部輸入的控制信息 。 D/ A 轉(zhuǎn)換電路主要由 D/ A 轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832 和兩個運算放大器 LM324 組成 。 單片機的 P1 口連 接波形選擇、調(diào)節(jié)等控制按扭 ,通過按動按扭使 AT89S52 響應(yīng)中斷 ,調(diào)用相應(yīng)程序或改 變程序中相應(yīng)參數(shù) ,從而選擇波形及調(diào)節(jié)其頻率 。 如需進一步提高輸出信號頻率 ,解決信號發(fā)生器頻率受 CPU 工作頻率限制的問題 ,可在電路中采用 DSP 芯片作主處理器來提高數(shù)據(jù)的處理速度和輸出信號的頻率 , 其輸出頻率可達到 16MHz 或更高 。 智能函數(shù)信號發(fā)生器與傳統(tǒng)的模擬函數(shù)信號發(fā)生器相比，具有以下幾個明顯特點 : （ 1） 利用 按鍵 和顯示。 按鍵 和顯示是智能信號 發(fā)生器區(qū)別于傳統(tǒng)信號發(fā)生器在面板設(shè)計上最突出的特點。由于采用 方便的按鍵操作代替了傳統(tǒng)的開關(guān)或旋鈕，避免了手動控制帶來的人為誤差。 （ 2） 強的輸出能力。智能信號發(fā)生器能產(chǎn)生多種函數(shù)的周期性波形，大大拓展了儀器的輸出能力。 本章小結(jié) 本章主要介紹了智能函數(shù)信號發(fā)生器的背景和意義 ， 隨著電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類日益增多，性能日益提高 。作為現(xiàn)階段智能化電子儀器主體的智能儀器在工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)非常成熟與普及，但國內(nèi)此方面技術(shù)發(fā)展與改造起步和發(fā)展比較緩慢。因此研制開發(fā)操作簡單、低成本、高性能的新一代信號發(fā)生器十分必要。 本章還 對函數(shù)發(fā)生器作了一個介紹，包括函數(shù)發(fā)生器的類型、應(yīng)用范圍等。 本章對智能函數(shù)信號發(fā)生器的原理進行了概述，通過與模擬函數(shù)信號發(fā)生器相比，講述了智能函數(shù)信號發(fā)生器的幾個明顯的特點。 茂名學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）：智能函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 4 第二章 智能函數(shù)信號發(fā)生器的 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計的智能函數(shù)信號發(fā)生器是 由 AT89S52 單片微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換 DAC0832 、LM324 及其附屬電路構(gòu)成 ,在此基礎(chǔ)上還可加上數(shù)碼管顯示 (顯示波形頻率等相關(guān)信息 ) 、波形指示及用戶自定義波形等電路和功能 . 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如 圖 21 圖 21 系統(tǒng)簡介 根據(jù) 具有產(chǎn)生任意周期信號的智能型信號發(fā)生器的 要求 ， 這次我設(shè)計了這一 儀器應(yīng)具有的功能有 : 單片機控制波形種類功能、 數(shù)碼管顯示波形信息功能、按鍵調(diào)頻調(diào)幅功能 。 為實現(xiàn)上述功能，設(shè)計本系統(tǒng)所需解決的主要問題有 : （ 1） ISP 接口與顯示電路 的設(shè)計 :儀器要實現(xiàn)按鍵 式輸入，不僅需要一個操作簡單方便、視覺效果良好的硬件平臺，還需要功能強大、高效的配套軟件管理系統(tǒng)。 （ 2） 波形的產(chǎn)生和波形頻率切換調(diào)節(jié)的設(shè)計 （ 3） 軟件設(shè)計 :軟件的設(shè)計研制是整個系統(tǒng)設(shè)計的主要組成部分， 它不僅要配合整個系統(tǒng)硬件實現(xiàn)儀器的系統(tǒng)功能，而月 _還負責和掌管系統(tǒng)硬件之間的一協(xié)調(diào)合作， 根據(jù)對設(shè)計任務(wù)的分析，我們把整個系統(tǒng)設(shè)計分成硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分分步進行設(shè)計與調(diào)試，硬件系統(tǒng)為軟件實現(xiàn)系統(tǒng)功能提供物理平臺，軟件系統(tǒng)配合系統(tǒng)硬件實現(xiàn)系統(tǒng)的整個功能。其中 : AT89S52 顯示電路 ISP 編程 DAC0832 LAM324 波形頻率切換調(diào)節(jié) 第二章 智能函數(shù)信號發(fā)生器的系統(tǒng)設(shè)計 5 硬件系統(tǒng)主要包括 :ISP 接口系統(tǒng) 和 單片機 控制系統(tǒng) 、 按鍵輸入和數(shù)碼管顯示 系統(tǒng) 、 輸出信號的程控放大 /衰減系統(tǒng) 、 高速數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 。 軟件系統(tǒng)主要包括 :監(jiān)控程序 :包括硬件調(diào)試程序、管理系統(tǒng)程序等等 ， 波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生算法 。 系統(tǒng)總體方案確立 周 期信號完全利用硬件電路產(chǎn)生的方法。隨著半導體集成器件的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多外圍電路簡單、調(diào)節(jié)方便、性能好、價格較低廉的單片集成精密函數(shù)波形發(fā)生器我們選用單片集成函數(shù)波形發(fā)生器，通過 D/A 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬信號對其參數(shù)進行程控，產(chǎn)生波形經(jīng)程控放大器輸出。特點是產(chǎn)生信號的頻率范圍寬，電路結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜 。但產(chǎn)生的周期信號波形受限，僅能生成正弦波、方波、矩形波、三角波這幾種函數(shù)的波形，對于梯形波、指數(shù)信號、高斯信號、隨機信號、掃頻信號等特殊測試信號則無能為力。 系統(tǒng) 的工作原理 智能函數(shù)信號發(fā)生器 波形的產(chǎn)生是通過單片機執(zhí)行相應(yīng)的程序 ,再向 D/ A 轉(zhuǎn)換器的輸入端按一定的規(guī)律發(fā)送數(shù)據(jù) ,從而在 D/ A 轉(zhuǎn)換電路的輸出端得到的相應(yīng)的電壓波形 . 由 AT89S52 單片微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換 DAC0832 、 LM324 及其附屬電路構(gòu)成 ,在此基礎(chǔ)上還可加上數(shù)碼管顯示 (顯示波形頻率等相關(guān)信息 ) 、波形指示及用戶自定義波形等電路和功能 。 在此電路中 ,為了不占用 CPU 的時間 ,提高輸出信號頻率 ,按鍵采用外部中斷方式接受外部輸入的控制信息 。 D/ A 轉(zhuǎn)換電路主要由 D/ A 轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832 和兩個運算放大器 LM324 組成 。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 智能函數(shù)信號發(fā)生器系統(tǒng) 基本結(jié)構(gòu)， 本次設(shè)計的 智能函數(shù)信號發(fā)生器是 由 AT89S52 單片微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換 DAC0832 、 LM324 及其附屬電路構(gòu)成 。本章還 對函數(shù)發(fā)生器的系統(tǒng)進行了分析和確定系統(tǒng)設(shè)計方案， 提出了 設(shè)計本系統(tǒng)所需解決的主要問題 ， 還對系統(tǒng)的原理作了簡單的概述。 茂名學院本科畢業(yè) 設(shè)計（論文）：智能函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 6 第三章 硬件設(shè)計 控制 模塊設(shè)計 單片機 控制 電路 方案一： AT89S52芯片中每一路模擬輸出與 DAC0832芯片相連，構(gòu)成多個 DAC0832同步輸出電路 ，輸出波形穩(wěn)定，精度高，但是第二級 DAC0832輸出，發(fā)生錯誤并且電路連接復雜。 方案二： AT89S52芯片中只有一路模擬輸出或幾路模擬信號非同步輸出，這種情況下 CPU對 DAC0832執(zhí)行一次寫操作，則把一個數(shù)據(jù)直接寫入 DAC寄存器， DAC0832的輸出模擬信號隨之對應(yīng)變化。輸出波形穩(wěn)定，精度高，濾波好，抗干擾效果好，連接簡單，性價比高。因此我在設(shè)計中采用方案二。 芯片選擇 方案一： AT89S52單片機