【正文】 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 第VI頁基于單片機的多功能函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計畢業(yè)論文目 錄第1章 緒論 1 課題研究背景 1 單片機的特點和在信號發(fā)生器中的應(yīng)用 1 波形介紹 3 單片機模塊 6 按鍵控制及顯示電路設(shè)計 10 D/A轉(zhuǎn)換電路 11 D/A轉(zhuǎn)換的必要性 11 DAC0832的特性及應(yīng)用 12 顯示電路 14 兩個顯示電路 14 LCD1602工作原理 16 放大電路 21 放大電路設(shè)計 21 LM358及其應(yīng)用 22第3章 軟件仿真及程序編寫 24 仿真軟件和編程軟件 24 整體電路仿真原理圖 26 程序編寫思路及編寫結(jié)果 27 仿真結(jié)果 28第4章 硬件調(diào)試 31 硬件電路焊接 31 硬件調(diào)試及輸出驗證 32結(jié)論 33致謝 34參考文獻 35附錄1 36附錄2 37 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 第 44 頁 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 第1章 緒論 課題研究背景近年來，計算機的發(fā)展在我們生活中的各個領(lǐng)域都有的很大的進步，以單片機為核心的一些智能產(chǎn)品也越來越常見。信號發(fā)生器一直以來都是實驗中的重要工具。在科技不斷發(fā)展的同時，我們也有了很多新的測試儀器和測試手段。所以信號發(fā)生器也在測試儀器中扮演者很重要的角色，因此研究和設(shè)計信號發(fā)生器有著很重要的意義。而研究者也可以根據(jù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的各種波形來完成各種實驗和研究，比如說可以測定信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的各種參數(shù)，也可以用產(chǎn)生的已知信號作為其他電路的激勵源。實驗室中常用的傳統(tǒng)信號發(fā)生器大多為純硬件電路搭建，比如一般情況下，實驗室會采用555等一些特殊芯片來設(shè)計信號發(fā)生器，此電路可以產(chǎn)生正弦波、三角波和方波。像這種由特殊芯片設(shè)計的純硬件電路，它們雖然不采用單片機，但是產(chǎn)生出來的波形有很多缺點，比如說可調(diào)范圍小。同時這種電路設(shè)計復(fù)雜，成本高，控制也不夠靈活精確。而且由于現(xiàn)在制造工藝的問題，純硬件信號發(fā)生器所需要的大電容電阻也比較難制造，同時它們的精度也難以保證。所以現(xiàn)在各國對信號發(fā)生器的研究也加大了很多，我們也理應(yīng)當(dāng)對信號發(fā)生器做更深層次的研究和探索。本文則利用單片機控制的靈活性、外設(shè)處理能力較強等特點，實現(xiàn)幅度與頻率可調(diào)的多種函數(shù)波形，這就克服了傳統(tǒng)信號發(fā)生器的缺點，同時根據(jù)程序的易調(diào)節(jié)與易控制的特點，比較容易、方便實現(xiàn)調(diào)頻功能，具有良好的實用性。 單片機的特點和在信號發(fā)生器中的應(yīng)用當(dāng)今社會是科學(xué)技術(shù)和設(shè)備儀器高度智能化飛速發(fā)展的信息化社會，電子科學(xué)技術(shù)也在發(fā)展和進步，這些技術(shù)的發(fā)展正在一點點的改變社會。單片機的應(yīng)用在現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域中在不斷擴大，所以這也引起了傳統(tǒng)控制和檢測技術(shù)的改變。而單片機在智能設(shè)備儀器和智能家居中系統(tǒng)和智能辦公系統(tǒng)等很多領(lǐng)域都得到了很廣泛的應(yīng)用，因為用單片機構(gòu)成的儀器有很高的可靠性和性價比。就因為單片機具有很多優(yōu)點，應(yīng)用也越來越廣泛，所以單片機的發(fā)展水平也逐漸成為了一個國家工業(yè)發(fā)展水平的象征。由于單片機的內(nèi)部集成了指令系統(tǒng)，并且由于它的特殊結(jié)構(gòu)，所以在一定程度上，一塊單片機就可以當(dāng)做一臺簡易的電腦，而一般計算的作用是在某些特定領(lǐng)域完成一些專業(yè)任務(wù)，但是一般情況下，配備了一些外設(shè)的一塊單片機系統(tǒng)則可以做到。所以相比較龐大的專用計算機來講，小巧的單片機不僅攜帶方便、價格便宜，同樣也能完成這些專業(yè)工作，所以單片機得到了空前的發(fā)展。以下總結(jié)單片機的一些特點：（1）性能優(yōu)異，性價比高單片機的性能很高，因為一些常用的存儲器和能實現(xiàn)各種功能的I/O口都會被集成到單片機芯片內(nèi)，單片機隨時都可以很方便地進行調(diào)用，而不再用對接口進行擴展。相對于性能優(yōu)異，單片機的價格卻比較低廉，所以說單片機具有很高的性價比。（2）控制能力強單片機的體積雖然比較小，但卻它卻有各種功能部件。所以它能有很多專門的用途，比如說專門的控制。在同一個領(lǐng)域中，單片機控制能力和運行速度一般要比專用微型計算機更高，因為單片機內(nèi)部一般都設(shè)有各種轉(zhuǎn)移指令和其他的各種豐富的指令系統(tǒng)，讓它能在各個領(lǐng)域完成一些較為困難的任務(wù)。（3） 集成度高、體積小、可靠性高單片機芯片的集成度很高，跟其他芯片相比，單片機內(nèi)部集成了很多功能部件；而內(nèi)部各部件之間又采用總線結(jié)構(gòu)，所以就減少了部件之間的接線，這大大見笑了單片機的體積，并且提高了單片機的運行能力；單片機體積小，所以可以嵌入到各種儀器中去，單片機成本低，也會致使以單片機為主控的設(shè)備價格便宜，單片機性能穩(wěn)定且壽命長，所以能保證設(shè)備穩(wěn)定運行，免于頻繁的維護維修。（4） 低電壓、低功耗普通單片機的工作電壓為5V，相比于其他家用設(shè)備，單片機功耗更低，所以由單片機控制的許多家用設(shè)備就更省電，并且現(xiàn)在許多單片機的工作電壓應(yīng)經(jīng)降低到2V了，功耗自然也就降低了很多，所以能保證設(shè)備的長期運行而又不用擔(dān)心耗電問題。 波形介紹正弦波正弦波可以說是我們最熟悉的一種波形，不僅在數(shù)學(xué)中能學(xué)到，而且在實際中也經(jīng)常用到，比如說我們家用的220V交流電就是正弦波交流電，正弦波在我們的實驗中也經(jīng)常用到，正弦信號可用下式表示：f (t)=Asin(ωt+θ ) （1）其中，A 為振幅，θ 為初相位，ω 是角頻率。正弦函數(shù)一周期信號如圖11所示：圖11 正弦波方波方波函數(shù)是我們在實驗室中經(jīng)常用到的一種波形，比如我們常把頻率較大的方波作為脈沖使用，當(dāng)方波的低電平為0時，高電平就是一個脈沖。它的表示形式如下： （2）而矩形波則是方波的下半周期的幅值為0時的一種波形，是方波的一種特殊形式，不再進行詳細描述。方波波形如下圖12：圖12 圖形鋸齒波鋸齒波如圖13所示：圖13 鋸齒波圖形三角波三角波波形如圖14所示：圖14 三角波圖.第2章 系統(tǒng)設(shè)計 方案選擇方案一：利用8038等一些單片機的函數(shù)發(fā)生器的傳統(tǒng)方式就可以比較容易地產(chǎn)生出我們常用的正弦波和方波波形等。然后用數(shù)/模轉(zhuǎn)換元件對輸出的電壓進行調(diào)節(jié)，也可以用數(shù)字調(diào)控對輸出頻率進行調(diào)節(jié)，但用這種方法產(chǎn)生的頻率不穩(wěn)定。方案二：采用頻率合成器。我我們可以用鎖相環(huán)式的頻率合成器對所選擇的波形頻率用壓控振蕩器（VCO）進行選定。相比于第一種方法，這種方法產(chǎn)生出來的波形具有良好的性能，但是輸出波形的頻率難以突破某個范圍的限制。最重要的一個缺點是，用這種方法構(gòu)造的電路比較復(fù)雜。方案三：可以利用對單片機進行編程的方法來實現(xiàn)波形的產(chǎn)生。比如我們可以拿AT89C51作為信號發(fā)生器的主控芯片，對單片機編程使其輸出各種波形的數(shù)字量，然后再用D/A轉(zhuǎn)換模塊把輸出的數(shù)字波形信號轉(zhuǎn)換成模擬波形信號。這個D/A轉(zhuǎn)換模塊我們可以選擇DAC0832來完成，轉(zhuǎn)換后的模擬信號再經(jīng)過運放進行兩級放大后輸出，最終可以在示波器上顯示輸出波形。輸出波形的種類的切換則可以用I/O口外接按鍵來實現(xiàn)[3]。綜合以上各種方案我們可以比較出，方案一利用傳統(tǒng)方法輸出的函數(shù)信號頻率不穩(wěn)定，而方案二使用鎖相環(huán)式的頻率合成器的電路構(gòu)造又比較復(fù)雜，頻率的范圍也難以有所突破。所以在進行比較之后，我決定采用第三種方案的思路。第三種方案，用編程的方法可以很方便地通過調(diào)節(jié)硬件從而調(diào)節(jié)輸出波形的參數(shù)，并且方案三中所用到的一些元件的價格相對都比較低，所以比較適合用來完成畢業(yè)設(shè)計。 框圖設(shè)計基于單片機的函數(shù)信號發(fā)生器有以下幾部分組成；AT89C51主控電路，外接按鍵電路，復(fù)位電路，電源電路和信號輸出電路，框圖如下圖21所示：復(fù)位電路.按鍵電路.AT89C51主控電路.輸出電路.電源電路.圖21 函數(shù)信號發(fā)生器系統(tǒng)構(gòu)成圖函數(shù)信號發(fā)生器的主控部分就是AT89C51單片機，通過編程軟件對程序進行編寫，燒錄到AT89C51里面后就可以產(chǎn)生不同數(shù)字波形信號，也可以通過單片機外接按鍵對輸出波形的頻率和幅度進行調(diào)節(jié)和改變。而單片機通過編程輸出的波形是數(shù)字信號，當(dāng)經(jīng)過與單片機連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DAC0832后，數(shù)字信號就可以被轉(zhuǎn)換成模擬信號。而輸出波形的幅度則可以通過兩級放大進行調(diào)節(jié)。圖21中的輸出電路包含了D/A轉(zhuǎn)換電路和運放調(diào)整電路。圖22為此次設(shè)計函數(shù)信號發(fā)生器的原理圖：[6]輸出波形.濾波放大.D/A轉(zhuǎn)換.接口電路.89C51單片機.圖22 信號發(fā)生器原理框圖 單片機模塊 AT89C51單片機片內(nèi)有一個4KB的ROM/EPROM，因此只需要在外部接入晶振電路和復(fù)位電路就可以構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)了，所以單片機最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位電路、振蕩電路以及擴展部分組成[1]。最小單片機系統(tǒng)如圖23所示。.圖23 單片機最小系統(tǒng).該最小系統(tǒng)的特點如下：（1） 由于沒有擴展存儲器和外設(shè)，P0、PPP3都可以作為用戶I/O接口使用。（2） 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器大小128B，空間地址為00H—7FH,片外沒數(shù)據(jù)存儲器。（3）片內(nèi)有4K