基于51单片机的高频函数信号发生器Word格式.docx

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AM;

LCD1602

一、系统方案

题目要求实现的任务是设计并制作一个函数信号发生器，能产生正弦波，方波，三角波，要求不用DDS和专用的波形产生芯片，频率范围100Hz~1MHz，幅度0~5V，方波占空比可调，实时显示频率和幅度。

根据要求对下面方案进行论证与比较。

1、1信号发生部分

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性太大，即使使用单片函数发生器，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，不能实现任意波形以及波形运算输出等智能化的功能。

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。

但频率受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，不能满足任意波形的要求。

方案三：

采用单片机和数模/转换DAC0832实现波形的产生。

波形的产生是通过STC89C52执行方波波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。

通过CD4046与CD4518分频实现倍频，已达到最高1MHz的频率。

在89C52的P2口接5个按扭,通过软件编程来选择各种波形、幅值电压和频率，每种波形对应一个按钮。

此方案的有点是电路原理比较简单，实现起来比较容易。

经比较，方案三能更好地实现题目要求，三种波形的产生可由程序控制，并通过按键选择波形输出，在示波器上显示波形。

波形的周期与频率步进也可以用程序改变，方波占空比通过按键加减，具有线路简单、结构紧凑等优点。

在本设计的基础上，加上LCD显示器，则可通过按钮设定所需要的波形频率，并在LCD上显示频率、幅值电压。

输出波形稳定，精度高，滤波好，抗干扰效果好，连接简单，性价比高。

因此我们设计中采用方案三。

1、2显示部分

数码管显示，由于本题要求实时显示输出信号的幅度，频率，而数码管不能显示字符。

LED点阵显示，LED点阵显示虽然能显示字符和数字，但显示效果不好，且不易编程。

LCD液晶显示，LCD液晶不但能显示字符和数字，而且显示效果较好，容易编程实现。

二、系统设计

2、1总体设计思路

根据题目要求，经过仔细考虑，充分考虑各种因素，制定了整体设计方案：

以STC89C52单片机为控制核心，P0口接DAC0832信号输入并数模转换，程序控制产生三种波形，通过P1口接8个按键，控制频率、幅值和占空比，由按键选择三种波形的输出。

由uA741运放实现DAC0832输出电流到电压的转换，通过CD4046与CD4060组成的100倍频电路，尽量达到题目频率要求。

在LCD1602上实时显示频率与幅值，波形在示波器上显示。

2、2总体框图

本系统总体框图如图2、1所示。

图2.1系统框图

三、硬件电路

本系统由单片机、波形转换（D/A）电路、显示接口电路、倍频电路等四部分构成。

电路图附在后面。

3、1单片机电路

3、1、1功能与基本原理

功能：

形成扫描码，键值识别、键处理、参数设置；

形成显示段码；

产生定时中断；

形成波形的数字编码，并输出到D/A接口电路和显示驱动电路。

AT89S51外接12M晶振作为时钟频率，并采用电源复位设计。

复位电路采用上电复位，它的工作原理是，通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过对电容充电。

RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始工作。

产生方波程序思路：

根据定时器溢出的时间，将频率值换算为定时器溢出的次数（T1_over_num）。

使用变量（T1_cnt）暂存定时器T1的溢出次数，当达到规定的次数（T1_over_num）时，将输出管脚的状态取反达到方波的产生。

另外，采用查询的方式实现按键的扫描和LCD液晶的显示，中断服务程序实现方波的产生和连续按键的计时功能。

3、1、2资源分配

软、硬件设计是设计中不可缺少的，为了满足功能和指标的要求，资源分配为：

单片机用12M晶振，P0口与DAC0832相连；

P1口接八个按键，实现频率、幅度、占空比的调节，以及波形选择；

P2口接LCD1602液晶显示器，实时显示频率与幅值。

3、2波形转换（D/A）电路

将波形样值的编码转换成模拟值，完成的波形输出。

由一片0832和uA741运放组成。

DAC0832是一个具有两个输入数据寄存器的8位DAC。

目前生产的DAC芯片分为两类，一类芯片内部设置有数据寄存器，不需要外加电路就可以直接与微型计算机接口。

另一类芯片内部没有数据寄存器，输出信号随数据输入线的状态变化而变化，因此不能直接与微型计算机接口，必须通过并行接口与微型计算机接口。

DAC0832是具有20条引线的双列直插式CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换，故不需要外加电路。

0832是电流输出型，示波器上显示波形，通常需要电压信号，电流信号到电压信号的转换可以由运算放大器uA741实现。

单片机向0832发送数字编码，产生不同的输出。

先利用采样定理对各波形进行抽样，然后把各采样值进行编码，收到的数字量存入各个波形表，执行程序时通过查表方法依次取出，经过D/A转换后输出就可以得到波形。

假如N个点构成波形的一个周期，则0832输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，即一个周期。

重复输出N个点，成为第二个周期。

利用单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制了输出的波形的频率。

这样就控制了输出的波形及其幅值和频率。

具体连接如图3、1所示。

图3、1D/A转换电路

3、3显示接口电路

驱动LCD1602液晶显示，扫描按钮。

由LCD1602液晶显示器和7个按钮组成。

当某一按钮按下时，扫描程序扫描到之后，通过P2口将数字信号发送到LCD1602。

LCD1602种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，它的外接电压也是+5V。

扫描利用软件程序实现，当某一按键按下时，扫描程序立即检测到，随后调用子程序，执行相应的功能。

其与单片机的连接如图3、2所示。

图3、2显示接口电路

3、4倍频电路

实现100倍频，使输出频率达到题目要求。

CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高（约100MΩ），动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。

CD4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～{15}.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；

9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；

{11}脚～{14}脚）。

由锁相环CD4046与计数器CD4518实现100倍倍频。

当从14脚输入频率f1的信号时，在3脚（相位比较信号输入信号）、4脚（压控振荡器输出信号）之间接计数器4518，输出端4脚频率f2=100f1。

具体电路连接如图3、3所示。

图3、3倍频电路

四、软件设计及流程

主程序和子程序都放在89S52单片机中。

主程序的功能是：

开机以后负责查键，即做键盘扫描及显示工作，然后根据用户所按的键转到相应的子程序进行处理。

子程序的功能有：

延时子程序程序、中断子程序、调幅子程序、调频子程序、显示等。

主程序流程图为：

五、调试与测试结果

采用分别调试各个单元模块,调通后再进行各单元电路联机统调的方法,提高调试效率。

5、1硬件调试

整个硬件调试过程基本顺利，由于采用了分单元模块制作，各单元电路工作稳定，给调试工作带来很大的方便。

1）放大模块部分在实物模拟时，出现发送信号不稳定、跳变的问题。

经过仔细检查电路线路路径和线路连接问题，最终发现电路在连接时出现未连接牢固的问题，从而得以解决。

2）调试过程中，锁相环倍频电路未能实现100倍频，没有达到预期效果，频率未能达到1MHz。

各单元调试通过以后，进行整机调试，调试结果显示，整个系统能够正常工作。

5、2软件调试

由于对51系列单片机编程比较熟悉，在软件的仿真调试过程中没有遇到太大的问题。

各软件功能均正常实现。

六、结束语

经过近几个月的锻炼和学习,我们学到了许多书本上没有的知识,从方案的论证、课题的选择、电路原理，到电路上元器件的焊接、电路的调试，程序的编写，调试下载，一步步，我们收获很大。

在设计中，我们力求硬件电路简单，充分发挥软件灵活方面的特点，满足系统设计要求。

这中间，我们也遇到了许多困难，在老师的帮助下，一个个也都战胜了。

由于我们这个团队接触单片机时间还不长，有很多东西我们还没有学好，学精，所以，设计的方案可能不是最好的，但我们已经尽到我们最大努力来完成此次作品，希望取得好的结果，能学到更加多得知识。

所以，在以后的学习中，我们要更加努力，才能处于不败之地。

在此，要感谢我们的指导老师，给我们进行了很多的辅导，不仅在技术上给了我很大帮助，也在系统需求和设计方面给予了我很大帮助。

老师的谆谆教导，使我们受益匪浅。

七、参考文献

[1]李勋，刘源.单片机实用教程.北京：

北京航空航天大学出版社，2000

[2]李珍付，植桐.单片机原理与应用技术.北京：

清华大学出版社，2003

[3]李朝清.单片机原理及接口技术.北京：

北京航空航天大学出版社，1999

[4]胡汉才.单片机原理及系统设计.北京：

清华大学出版社，2002

[5]万福君，潘松峰.单片机微机原理系统设计与应用.合肥：

中国科学技术大学出版社，2001

[6]陈明英.8051单片机课程设计实训教材.北京：

清华大学出版社，2002

[7]张洪润，易涛.单片机应用技术教程（第二版）.北京：

[8]张淑清，片微型计算机接口技术及应用.北京:

国防工业出版社,2001

[9]王松武，常用电路模块分析与设计指导.清华大学出版社，2007

八、附录

8、1元件清单

PartTypeDesignator

1MR2

2.2uC5

6.8KR3

10KR1

10kRP1

10uFC1

12MS12

20pS10

20pS11

89S52U1

100KR4

1000pC2

4046U5

CAPC3

CAPACITORPOLC4

CD4518U6

CON5J1

DAC0832U4

SW-PBS5

SW-PBS2

SW-PBS7

SW-PBS3

SW-PBS9

SW-PBS4

SW-PBS1

SW-PBS8

SW-PBS6

uA741U2

8、2电路原理图

8、3程序清单

#include<

reg52.h>

#defineucharunsignedchar

sbitrs=P3^0;

sbitrw=P3^1;

sbiteg=P3^2;

ucharcodetable[]={"

Volt"

};

ucharcodetable2[]={'

0'

'

1'

2'

3'

4'

5'

6'

7'

8'

9'

};

ucharcodetosin[256]={0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,0x9f,0xa2,0xa5,0xa8,0xab,0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5

0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5

0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd

0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda

0xd8,0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99

0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,0x80,0x7c,0x79,0x76,0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,0x51

0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16

0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15

0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,0x27,0x29,0x2b,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4c,0x4e

0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66,0x69,0x6c,0x6f,0x72,0x76,0x79,0x7c,0x80};

//正弦波数据

ucharb=0,c=0,d=0,e=0,i,k,tl,th;

intww=0,qw=0,bw=9,sw=3,gw=3,n=20,chh=50;

//ww为万位数字,qw为千位数字,bw为百位数字,

//sw为十位数字,gw为个位数字.

intt,f,m,choice=1,zk=50;

//t为时间变量，f为频率变量，choice为波形类型选择变量，zk为占空比变量，默认占空比为50%//延时程序，延时Xms****************************************************

voiddelay（unsignedintx）

{

inti,j;

for（i=0;

i<

x;

i++）

for（j=0;

j<

120;

j++）;

}

//写指令函数*****************************************************

voidwritezl（unsignedcharzl）

{

rs=0;

rw=0;

//满足写指令的条件；

P2=zl;

delay（5）;

eg=1;

eg=0;

//写数据函数**************************************************

voidwritesj（unsignedcharsj）

rs=1;

//满足写数据的条件；

P2=sj;

//初始化程序**************************************************

voidinitial（）

writezl（0x38）;

//显示模式设置；

writezl（0x0c）;

//开显示，不开光标，光标不闪烁；

writezl（0x06）;

//写数据时，每写一个数据，指针后移动一位，但是整屏不动；

writezl（0x80+0x00）;

//在显示器的第一行第一位开始写数据；

//显示函数********************************************************

voiddisplay（）

{inti;

for（i=0;

3;

writesj（table[i]）;

writezl（0x80+0x04）;

writesj（table2[chh/10]）;

writezl（0x80+0x05）;

writesj（'

.'

）;

writezl（0x80+0x06）;

writesj（table2[chh%10]）;

writezl（0x80+0x07）;

V'

writezl（0x02）;

//清除指针，但是不清楚显示内容；

writezl（0x80+0x40）;

//跳转到下行的第一位开始置显示；

F'

writezl（0x80+0x41）;

r'

writezl（0x80+0x42）;

e'

writezl（0x80+0x43）;

writesj（table2[ww]）;

writezl（0x80+0x44）;

writesj（table2[qw]）;

writezl（0x80+0x45）;

writesj（table2[bw]）;

writezl（0x80+0x46）;

writesj（table2[sw]）;

writezl（0x80+0x47）;

writesj（table2[gw]）;

writezl（0x80+0x48）;

H'

writezl（0x80+0x49）;

z'

writezl（0x80+0x50）;

'

/*１键选择发波类型,1为正弦波,2为三角波,3为方波*/

voidkey1（void）

if（choice<

4）

choice=choice+1;

else

choice=1;

//幅度加************/

voidkey2（void）

if（chh!

=50）

chh++;

elsechh=chh;

//幅度减************/

voidkey3（void）

i